环境科学与工程概论第五课 污染物（二）

1、第五课 污染物（二）,5-1、环境与人类健康 5-2、环境污染物的迁移转化规律 5-3、环境污染物的生态效应 5-4、暴露途径与毒理学研究,本章知识点,5-1、环境与人类健康 5-2、环境污染物的迁移转化规律 5-3、环境污染物的生态效应 5-4、暴露途径与毒理学研究,本章知识点,一、环境与人类健康,生命与环境是一个有机的整体，通过自然的生物地化循环，两者保持着和谐的相互适应关系。 因某些自然灾害或人为活动使局部环境中某些化学元素过量或不足，就会逐步反映到人体中来，使生物和人群出现各种各样的病变。 世界卫生组织最新报告，每年死亡的4900万人中，3/4是由环境疾病所致。,一、环境与人类健康,影

2、响人体健康的环境因素： 化学性因素，如有毒气体、重金属、农药等； 物理性因素，如噪声和振动、放射性物质和射频辐射等； 生物性因素，如细菌、病毒、寄生虫等。 其中化学性因素影响最大，当这些有害因素进入大气、水体和土壤造成污染时，就能对人体产生危害。,一、环境与人类健康,侵入人体途径: 大气中的有毒气体和烟尘，主要通过呼吸道作用于人体。 水体和土壤中的毒物，主要以饮用水和食物的形式经消化道被人体吸收。 一些脂溶性的毒物，如苯、有机磷酸酯类和农药，以及能与皮肤的脂酸根结合的毒物，如汞、砷等，可经皮肤被人体吸收。,一、环境与人类健康,毒物经人体吸收后，通过血液分布到全身。 在某些器官组织中蓄积，如铅蓄

3、积在骨内。 以其原形或代谢产物作用于靶器官，发挥毒性作用。 在体内经过生物转运和生物转化，被活化或被解毒。 不少器官如肾脏、胃、肠等，特别是肝脏对各种毒物有生物转化功能。 经肾脏、消化道和呼吸道排出体外，少数可随汗液、乳汁、唾液等排出体外，有的在皮肤的代谢过程中进入毛发而离开机体。,二、常见污染物对人类健康的影响,（1）大气污染物对人体健康的影响 大气污染对人体的危害主要表现为引起呼吸道疾病； 降低大气能见度，减少太阳的辐射而导致城市佝偻发病率的增加。,二、常见污染物对人类健康的影响,（2） 放射性污染对健康的危害 在大剂量的照射下，放射性对人体和动物存在着某种损害作用。 小剂量照射20年以后

4、，一些症状才会表现出来，主要表现为各种癌症，包括白血病、骨癌、肺癌及甲状腺癌，还可能表现为不同程度的寿命缩短。 放射性也能损伤遗传物质，主要在于引起基因突变和染色体畸变。,二、常见污染物对人类健康的影响,（3）生物性污染对人体健康的危害 生物性污染主要是指寄生虫卵、细菌、病毒等病原体，随着粪便、痰、飞沫等排泄物排入环境后，污染空气、土壤、水源等。 其危害是造成寄生虫病和某些传染病的流行。,二、常见污染物对人类健康的影响,三致作用： （一）致突变作用 致突变作用是指生物细胞内DNA改变，引起的遗传特性突变的作用。这一突变可以传至后代。 具有致突变作用的污染物质称为致突变物：亚硝胺类、苯并(a)芘

5、、甲醛、苯、砷、铅、烷基汞化合物、甲基对硫磷、敌敌畏、百草枯、黄曲霉毒B1等。,二、常见污染物对人类健康的影响,三致作用： （二）致癌作用 致癌是体细胞不受控制的生长。能在动物和人体中引起致感的物质称为致癌物。 致癌物根据性质可分为化学（性）致癌物、物理性致癌物（如x射线、放射性核家氧）和生物性致癌物（如某些致癌病毒）。,二、常见污染物对人类健康的影响,三致作用： （三）致畸作用 人或动物在胚胎发育过程中内于各种原因所形成的形态结构异常，称为先天性畸形或畸胎。 遗传因素、物理因素(如电离辐射)、化学因素、生物因素(如某些病毒)，母体营养缺乏或内分泌障碍等都可引起先天性畸形，并称为致畸作用。,三

6、、居住环境对人类健康的影响,人的一生大约有2/3的时间是在居室内度过的，住房是家庭成员的生活基地，居住生活是人类经济和社会活动的组成部分。 居民的居住水平和居住环境质量是衡量一个国家或地区人民生活水平的指标之一，它直接影响着居民健康。,四、影响环境污染物对人体作用的因素,(一)剂量 1人体非必需元素 由环境污染而进入人体的剂量达到一定程度，即可引起异常反应，甚至进一步发展成疾病。对于这一类元素主要是研究制订其最高允许限量的问题。 2人体必需的元素 当环境中这种必需元素的含量过少，不能满足人体的生理需要 这类元素的含量增加过多，也会作用于人体，引起程度不同的中毒性病变。,四、影响环境污染物对人体

7、作用的因素,(二)作用时间 很多环境污染物具有蓄积性，只有在体内蓄积达到中毒阈值时，才会产生危害。 随着作用时间的延长，毒物的蓄积量将加大。 污染物在体内的蓄积是受摄入量、污染物的生物半衰期和作用时间三个因素影响的。,四、影响环境污染物对人体作用的因素,(三)多种因素的联合作用 环境污染物常常不是单一的，而是经常与其他物理、化学因素同时作用于人体的，因此，必须考虑这些因素的联合作用和综合影响。 （四）个体敏感性 人的健康状况、生理状态、遗传因素等，均可影响人体对环境异常变化的反应强度和性质。,5-1、环境与人类健康 5-2、环境污染物的迁移转化规律 5-3、环境污染物的生态效应 5-4、暴露途

8、径与毒理学研究,本章知识点,一、概述,外源性污染物进入坏境后，由于自身物理化学性质的决定和各种环境因素的影响，会在空间位置或形态特征等方面发生一系列复杂的变化。这一系列变化过程称之为污染物的迁移和转化，有时也称其为污染物的环境行为或环境转归。,定义,一、概述,1. 对于阐明人类在环境中接触的是什么污染物，接触的浓度、时间、途径、方式和条件等都具有十分重要的环境毒理学意义。 2.环境毒理学的许多基本问题在一定程度上也取决于对污染物在环境中的迁移和转化规律的认识。,意义,二、环境污染物的迁移,污染物的迁移：污染物在环境中发生的空间位置的移动及其引起的富集、分散和消失过程。 迁移方式 机械迁移：扩散

9、、搬运 物理-化学迁移：最重要的迁移形式 生物迁移：生物的吸收、代谢、生长、死亡,二、环境污染物的迁移,（1）气的机械迁移作用：污染物在大气中的扩散作用和被气流搬运。 影响因素：气象条件、地形地貌特征、排放浓度和排放高度等。 （2）水的机械迁移作用：污染物在水体中的扩散作用和被水流搬运。 影响因素：水文条件、排放浓度和距离排放口距离的远近等。 （3）重力的机械迁移作用：污染物和它的搬运载体在重力作用下的迁移运动。 粒径比较大的颗粒状污染物经常发生重力的机械迁移作用。,机械迁移,二、环境污染物的迁移,物理化学 迁移,风化淋溶作用：环境中的水在重力作用下运动时通过水解作用使岩石、矿物中的化学元素溶

10、入水中的过程，其作用的结果是产生游离态的元素离子。 溶解挥发作用：降水、固体废弃物水溶性成份的溶解； 酸碱作用（常表现为环境pH值的变化） 酸性环境促进了污染物的迁移，使大多数污染物形成易溶性化学物质。 环境pH值偏高时，许多污染物就可能沉淀下来，在沉积物中，形成相对富集。,二、环境污染物的迁移,物理化学 迁移,络合作用（改变毒物吸附和溶解的能力）：改变了污染物的迁移能力和归宿 吸附作用：发生在固体或液体表面对其他物质的一种吸着作用 重金属和有机污染物常吸附于胶体或颗粒物，随之迁移。 氧化还原作用：有机污染物在游离氧占优势时会逐步被氧化，可彻底分解为二氧化碳和水；在厌氧条件下则形成一系列还原产

11、物，如硫化氢、甲烷和氢气等。,二、环境污染物的迁移,生物性 迁移,概念：污染物通过生物体的吸附、吸收、代谢、死亡等过程而发生的迁移叫做生物迁移。 包括：生物浓缩、生物富积、生物放大、生物转化。,二、环境污染物的迁移,生物性 迁移,生物浓缩：同一生物个体在其整个代谢活跃期中的不同阶段，机体内来自环境的元素或难分解化合物的浓缩系数不断增加的现象； 生物富集：生物机体从周围环境吸收并积累某种元素或难降解的物质，使其在生物体内的浓度超过环境中浓度的现象； 生物放大：在同一食物链上，高位营养级生物机体内来自环境的元素或难分解化合物的浓缩系数比低位营养级生物增加的现象。 生物转化：物质在生物作用下发生化学

12、反应，使污染物的毒性发生变化,三、环境污染物的转化,污染物的转化：污染物在环境中通过物理的、化学的或生物的作用改变形态或者转变成另一物质的过程叫做污染物的转化(一次污染物,二次污染物) 分类 物理转化作用：污染物通过蒸发、渗透、凝聚、吸附以及放射性元素的蜕变实现转化 化学转化作用：通过各种化学反应过程发生变化 生物转化和生物降解作用：相应的酶系统的催化作用发生,三、环境污染物的转化,在大气中，污染物转化以光化学氧化、催化氧化反应为主。 大气中氮氧化物、碳氢化合物等气体污染物（一次污染物）通过光化学氧化作用生成臭氧、过氧乙酰硝酸酯（PAN）及其他类似的氧化性物质。 气体污染物二氧化硫经光化学氧化

13、作用或在催化氧化作用后转化为硫酸或硫酸盐。 DDT在大气中受日光辐射很易光分解为DDE和DDD。,大气中的转化,三、环境污染物的转化,在水体中，污染物转化主要通过氧化还原、络合水解和生物降解等作用。 水解：有害物质同水发生反应，不仅使有害物质的性质发生变化，而且也促使这些物质进一步分解和转化。 络合：水中含有各种无机和有机配位体或螯合剂，都可以与水中的有害物质发生络合反应而改变它们的存在状态。 生物降解：在水体底泥中的厌氧性细菌作用下，无机汞会转化为一甲基汞或二甲基汞。,水体中的转化,三、环境污染物的转化,土壤的pH值、湿度、温度、通气、离子交换的能力和微生物的种类等，是污染物转化的依存条件。

14、 如水田土壤中缺乏空气，故大都处于还原状态；旱地土壤因通气性能较好，一般都处于氧化状态。 金属离子的转化受土壤pH值的影响或控制。 许多有机物通过微生物作用分解转化为其他衍生物或二氧化碳和水等无害物。,土壤中的转化,四、污染物的生物地球化学循环,生物合成作用生物（主要是绿色植物）将所吸收的环境化学物质转变成为生物体本身的有机物质的过程。 分解作用/矿化作用生物通过代谢作用（包括微生物的分界作用）将生物体的有机物质转化为无机物质或简单的有机物的过程。 污染物的生物地球化学循环生物的合成作用和矿化作用所引起的污染物周而复始的循环运动过程。,地质环境和生物体之间的物质循环（生物小循环）,四、污染物的

15、生物地球化学循环,污染物的地球化学循环,四、污染物的生物地球化学循环,汞循环(mercury cycle),火山活动,化石 燃烧,降水,挥发,挥发,沉积物,农田风化和淋溶作用,农药喷洒,径流,(CH3)2Hg,Hg2,CH3Hg,鱼,水生植物,水鸟,工厂 汞的废物,捕鱼,由河水带走,(中性pH),(酸性pH),5-1、环境与人类健康 5-2、环境污染物的迁移转化规律 5-3、环境污染物的生态效应 5-4、暴露途径与毒理学研究,本章知识点,一、污染物的生态效应评价指标,一、污染物的生态效应评价指标,1、生物个体形态指标：植物株高、根长、生物量等；动物的体长、体重等。 2、生理生化指标：污染物对植

16、物、动物、微生物个体（群体）新陈代谢过程的影响，包括对植物的吸收机能、光合作用、蒸腾作用、反应酶的活性与组成、次生物质代谢等过程的影响。,生物个体 指标,一、污染物的生态效应评价指标,种群密度和大小：出生率-死亡率 自然种群的主要生态变化特征 2. 种群结构： 特征：个体的性别和年龄的分配及各种年龄的个体的估计寿命。 生长种群；静止种群；老龄种群,生物种群 指标,一、污染物的生态效应评价指标,1.生物多样性指标 个体在种内分布的均匀度 正常生态系统中，群落的组成多种多样，其多样性指数大，而重复性小。环境污染导致群落中生物种类减少，多样性减少或丧失。 2.个体数量变化指标 环境污染物质将导致群落

17、中生物种个体数量的变化。,生物群落 指标,一、污染物的生态效应评价指标,1. 生态系统结构变化：生产者和消费者的种类组成和比例发生变化。 2. 生态系统稳定性变化：不稳定性增加，养分大量损失。 3. 生态系统中的生产者、消费者和分解者之间和非生物环境的关系发生改变，以及物质循环和能量流转的失调等。,生态系统 指标,二、有机污染物的生态效应,化学农药的使用，挽回了大量的粮食 寂静的春天（Rachel Carson）正在向全球蔓延 有机磷农药：易降解，一般不会形成污染 有机氯农药：难降解，极易富集。 二十世纪 30 40 年代广泛应用 八十年代中前期开始禁产、禁用,有机农药,二、有机污染物的生态效

18、应,1 对食物链的影响 去除食物链的某一环节，使前一环节生物大量繁殖，从而引发生态系统的一系列变化。 六六六、1605 防治水稻螟虫 杀死蜘蛛 飞虱爆发 鱼藤酮杀死鱼类 2 6 周内水生昆虫大量增加 2 对生物种群的影响 使用毒死蜱控制蚊子 浮游甲壳动物减少、浮游植物藻华 敌草隆的降解产物抑制亚硝化细菌 氟禾灵抑制大豆根瘤菌的形成,有机农药,二、有机污染物的生态效应,1 不燃烧，绝缘、绝热性能好 2 与塑料的混合性能良好 3 结构稳定、难降解，耐酸、耐碱、耐腐蚀、耐风化 4 微溶于水，易溶于脂肪、烃类溶剂 广泛应用于绝缘油、热介质、特殊润滑油、可塑剂、涂料及复写纸等的制造中。 在生产、加工、使

19、用、存储、废弃物燃烧过程中会挥发并积蓄在空气、水和土壤中。,多氯联苯（PCB）,二、有机污染物的生态效应,1 对水生生物的作用 含氯 42% 的氯代联苯，10-25 ug/L，影响硅藻 RNA 的合成 对牡蛎，0.001 mg/L 抑制 19% 0.01 41% 0.1 100% 2 对人体健康的影响 最早的 PCB 中毒事件是 1968 年的日本米糠油事件，影响胎儿。,多氯联苯（PCB）,二、有机污染物的生态效应,石油及其制成品对生物来说，大多有毒 小分子饱和烃：沸点低、毒性大。甲烷：-161，乙烷：-88 大分子饱和烃：沸点高、部分有毒性 稠环芳香烃：毒性大，致癌。萘、蒽、菲。 毒性顺序：

20、烷烃 环烷烃和烯烃 芳香烃 己烷 己烯 环己烷环 己烯苯 苯 二甲基苯 三甲基苯 形成油膜、致畸、异味,石油污染,二、有机污染物的生态效应,工业废水中含苯酚较多，含量变化较大，在 180000 mg/L之间，因此，测定指标常用挥发性酚。 对植物，由于解毒作用，毒性较小，适量无害有益，刺激生长； 过量则破坏膜的透性、可食部分有异味等 对动物，0.1 0.2 mg/L 时，鱼肉有异味；性腺吸收比肌肉快； 20 mg/L 时，胚胎致畸率 30% 左右,酚类污染,三、无机污染物的生态效应,一般认为比重大于 5（约 45 种）或 4（约60 种）或者原子序数大于 20 是重金属。 引起污染的主要是指汞、

21、镉、铬、砷、铅等剧毒元素。 其特点是：稳定性、累积性； 不易降解，易发生形态转化。 作用机理： 与 NH2、-NH、-SH 等亲核基团（提供电子）发生作用。,重金属,三、无机污染物的生态效应,汞（Hg） 存在形式 单质汞：Hg+、Hg2+ 无机汞化合物：Hg2Cl2、HgCl2、HgO、HgCl3- 高 pH 时，为 Hg(OH)+、Hg(OH)2、Hg(OH)3- 有机汞化合物：CH3Hg+、(CH3)2Hg、C6H5Hg+ 转化 络合反应： 甲基化：,重金属,或者,三、无机污染物的生态效应,汞（Hg） 只有 Hg2+ 才能甲基化，需要微生物参与，是生物化学反应。 pH值对甲基化过程有重要影

22、响，最佳为 4.5，较高的pH值有利于二甲基汞的形成，不同条件下可相互转化。 甲基汞易溶于水；pH值较低时，甲基汞的积累比二甲基汞要快 6000 倍。 二甲基汞具有挥发性，挥发到空气中后，受紫外线辐射，分解为单质汞和甲基，甲基则生成甲烷或乙烷。 汞和甲基汞的生物浓缩系数为 500010000 倍。 日本水俣病。,重金属,三、无机污染物的生态效应,砷（类金属，As） 大多以化合物，即砷酸盐获亚砷酸盐的形式存在：H3AsO4、H2AsO4-、HAsO42- 及 H3AsO3、H2AsO3- 等。 含量：大气 城市平均 0.7 ng/m3，原油最高可达 140 mg/m3 水 海水 23 ug/L，

23、淡水 1 ug/L 左右 温泉较高，日本平均 0.3 mg/L，最高 5.1 mg/L 土壤 全球平均 5 mg/L 前苏联 3.6 mg/L（110） 美国 7.5 mg/L（120） 日本 24 mg/L（851）,重金属,三、无机污染物的生态效应,砷（类金属，As） 水体中砷的转化，依赖于 pH值、Eh。 DO 饱和时， H3AsO4、H2AsO4-、HAsO42-及AsO43- 比较稳定； 中等状态时，H3AsO3、H2AsO3-、HAsO32- 比较稳定。 砷与铁之间有很强的亲和力。 砷酸、亚砷酸都能被氧化铁吸附而沉淀。 环境中 Eh 的下降、pH 值的升高，可显著提高砷的水溶性。

24、在低 pH 条件下，HAsS2 为主要的硫化物存在形式； 在低 Eh 条件下，以 AsH3 的形式存在。,重金属,三、无机污染物的生态效应,砷（类金属，As） 1 富集作用 海洋生物比淡水生物富集能力强 水生植物比水生动物富集能力强 海洋：动物 964100 淡水：动物 330 植物 5071000 植物 120000 砷中毒 1956年日本“森永奶粉事件”：遍及 27 个都道府县 中毒 12131 人，死亡 130 人 3 致癌、致畸、致突变,重金属,三、无机污染物的生态效应,氰化物（CN-） 存在形式及来源 最常见的是单氰化物中的 NaCN、KCN、HCN，剧毒。 来源：Zn 型电镀液（N

25、aCN） 含量 80120 g/L Cu 型 1218 Ag 型 4060 其废水中含量为：2070 mg/L，经常为：3035 mg/L； 焦炉、高炉冷却水与废水等。,非金属,三、无机污染物的生态效应,氰化物（CN-） 迁移转化 在水体自净过程中，前者占 90% 的净化量，后者仅占 10%。 络合作用 电镀废水中多以氰合锌络离子、氰合铜络离子存在。,非金属,三、无机污染物的生态效应,氰化物（CN-） 生态效应 对人的毒性 在血液中，与铁结合，中断还原反应； 在神经系统，中枢受损，呼吸中枢最敏感。 慢性中毒吸入性中毒 对鱼的毒性 CN- 的致死剂量为 0.30.5 mg/L 单氰、无机氰毒性大

26、 对农作物的影响 不明显，食用后，可能不好,非金属,5-1、环境与人类健康 5-2、环境污染物的迁移转化规律 5-3、环境污染物的生态效应 5-4、暴露途径与毒理学研究,本章知识点,一、环境毒理学与生态毒理学,生态毒理学，是研究物理、化学及生物因素特别是环境污染物对非人类生物及其生态系统的损害作用及其规律的科学。（也要研究生态系统的损伤对人体健康的影响） 环境毒理学是研究物理、化学及生物因素特别是环境污染物对人体和人群及相关生物的损害作用及其规律的科学。（也要探讨如污染物的生物转化和生物富集）,二者研究任务和内容“中心清楚，边缘模糊”,一、环境毒理学与生态毒理学,1）其研究目标是研究环境有毒有

27、害因素对人群和人体健康的影响，还是研究对动物、植物、微生物的个体和群体的毒害作用； 2）其所研究的环境有毒有害因素的主要直接危害对象是人体或人群，还是非人类生物； 3）其所观察或研究的生物是实验室模式生物，还是野生生物（包括实验室临时养殖的）； 4）其所观察或研究的实验动物是哺乳类动物如小鼠、大鼠、兔、豚鼠、狗及猴等，还是非哺乳类动物如鱼、虾、贝、蚤等；,一、环境毒理学与生态毒理学,5）其所观察或研究的实验生物是环境毒理学常用的实验室模式生物如紫露草、蚕豆（根尖）、拟南芥及Ames试验采用的标准菌株-鼠伤寒沙门氏菌株TA98、TA100等，还是生态毒理学常用的实验室模式生物如赤子爱胜蚓、大型水

28、蚤及草鱼、青鱼、鲢鱼及鳙鱼等； 6）其采用非人模式生物所获得的结果主要是用于外推到人以探讨环境污染物对人体健康的危害作用，还是直接用于探讨环境污染物对非人类生物的危害作用,二、毒性评价,毒物暴露（toxic exposure）：所涉及的环境毒物的剂量或浓度以及与处于风险中的生物机体相互作用时间的函数。也用“作用强度”表示。,二、毒性评价,暴露水平的监测方法： （1）直接测定暴露源中有害物的浓度 （2）测定机体中一个或多个有毒物或其代谢产物的浓度水平 体内负荷(Body burden)：有毒物在体内的总量。 体内暴露水平（Internal exposure）：机体中敏感组织的实际暴露水平，目标组

29、织中的浓度更重要 （3）测定毒物引起的毒害效应的程度,二、毒性评价,暴露-效应的定量关系： （1）有害物的毒害效应取决于： 暴露程度；暴露时间；受害个体的敏感性 （2）暴露剂量决定受害程度：有所表现；可逆失调；不可逆失调或致残；死亡 对于高毒性有害物：瞬时浓度重要 累积性毒物：长期平均浓度 剂量：在一些环境（生态）毒理学的研究中，剂量指的是在暴露环境中（如空气、水或沉积物）化学物浓度和总暴露时间的乘积。,二、毒性评价,1. 生物学毒性（biological toxicity）：生物体由于毒物的作用在毒理学上产生不良症状的程度或状况，属于毒理学中的一个基本概念。 2. 生态学毒性（ecologi

30、cal toxicity）：生态系统由于污染物质的作用产生不良效应的程度，属于生态效应的一种表现形式。,常用毒性 概念,二、毒性评价,3. 急性毒性（acute toxicity）：在较短的时间内，通常小于24小时内，毒性突然发作，中毒症状也立即显示。 4. 慢性毒性（chronic toxicity）：毒物导致的生物体病症持续时间很长，而且连续，为慢性毒性。长期接触毒物或染毒对机体所致功能或结构形态的损害。 慢性毒性是衡量蓄积毒性的重要指标，也是制订卫生标准的重要资料。 是预测人类在生活环境和生产环境中过量接触有害物质可能引起慢性危害的主要依据。,常用毒性 概念,二、毒性评价,1. 阈剂量（threshold dose)：用已知最敏感的生态指标或用现代检测技术测出该毒物能引起受试生物产生不良效应或生理生化异常反应时的最小剂量。 2.半致死剂量（median lethal dose）：在设定的实验条件（时间）下，污染物暴露于一个群体的生物，而导致其50%的死亡率出现时，在统计学上推导所得的期望剂量。用LD50表示。,表示毒性的指标,二、毒性评价,3.半致死浓度（median lethal concentration）: 一个与半致死剂量相对应的概念，有时采用这一概念代替半致死剂量。在定量水平上，它是指在生物急性毒性试验中，使受试生物半数死亡的毒物浓度。由于环境毒物的