环境生物学第一章

1、本章将讨论以下内容： 环境污染概述 污染物在环境中的迁移与转化 污染物在生物体内的生物转运和生物转化 污染物在生物体内的浓缩、积累和放大 生物对污染物在环境中行为的影响 什么是环境污染（Environmental Pollution）？ 通常，环境污染主要指人类活动人类活动所引起的环境质量下降而有害于人类及其它生物的正常生存和发展的现象。（自然过程引起的同类现象称为自然突变自然突变或或异常异常）一、环境污染 环境污染的分类生物污染化学污染物理污染按污染物性质废气污染废水污染固体废弃物污染噪声污染辐射污染 等按污染物形态环境效应环境污染所导致的环境变化 环境生物效应：指各种环境因素变化而导致生态

2、系统变异的结果。 环境化学效应：在多种环境条件的影响下，物质之间的化学反应所引起的环境效果。如：酸雨、光化学烟雾等。 环境物理效应：物理作用引起的环境效果。如温室效应、噪声污染等。 工业污染源 农业污染源 交通运输污染源 生活污染源污染物的自然来源自然来源（Natural Source ）： 自然界向环境排放，如：活动的火山或矿床；交通工业农业污染物的人为来源人为来源（Artificial Source ） ：来自人类活动，影响范围广、危害大，如工业三废 污染物 指进入环境后使环境的正常组成结构、状态和性质发生变化，直接或间接有害于人类的生存和发展的物质。 生产性污染物和生活污染物 一次污染物

3、和二次污染物： 二次污染物是指是一次污染物在物理、化学因素或生物作用下发生变化，或与环境中的其他物质发生反应，所形成的物化特征与一次污染物不同的新污染物，它常比一次污染物对环境和人体的危害更为严重。 优先污染物（Priority Pollutant）： 指在众多的污染物中筛选出的潜在危险大的作为优先研究和控制对象的污染物，亦称优先控制污染物。 主要针对下列污染物：高毒性污染物：难降解、具有生物积累性；三致效应（致癌、致畸、致突变）环境激素：微量，效应复杂；效应时间长，影响种群一、污染物在环境中的迁移 污染物进入环境的途径包括：（1）人类活动过程中无意排放（2）废物的排放（3）人类活动过程中故意

4、应用 迁移的定义：迁移是指污染物在环境中发生的空间位置的移动及其引起的富集、分散和消失的过程。 注：进入环境的污染物可以在各个环境要素（水、气、土）中发生迁移并输送到很远的距离。污染物的长距离传送，往往由局部性污染引发区域性污染甚至全球性污染，这也是环境污染成为当代主要环境问题的原因之一。 污染物在环境中的迁移方式： 机械迁移（1）水的机械迁移作用（2）气的机械迁移作用（3）重力的机械迁移作用 物理化学迁移 污染物在环境中迁移的最重要的形式。（1）溶解沉淀作用、络合螯合作用、吸附解吸作用、氧化还原作用、水解作用（2）化学分解、光化学分解、生物化学分解 生物迁移例：生物通过食物链对重金属的放大积

5、累作用 影响迁移的因素：内部因素 污染物自身的物理化学性质：组成该物质的元素所具有的组成化合物的能力、形成不同的电价离子能力、水解能力、形成络合物的能力、被胶体吸附的能力 原子的电负性、离子半径、电价、离子电位和化合物的键性、溶解度等都是影响迁移的主要理化参数。外部因素 酸碱条件 氧化还原条件 配位体、胶体的种类和数量 区域自然地理条件 污染物的形态 定义：指环境中污染物的外部形状、化学组成和内部结构的表现形式。 污染物的存在形态包括：价态，如Cr（VI）、 Cr（III）化合态，如有机汞和无机汞结构态，如同分异构体络合态 几种重要的形态分类离子态、代换态、胶体、有机结合态、难溶态 污染物的分

6、布 定义：指污染物在环境多组分间分布，不仅指在环境空间的浓度分布，而且还指污染物不同形态、不同相态之间的分配。例：污染物在水生生态系统中的分布（p32） 污染物在陆地生态系统中的分布（p33） 转化的定义 指污染物在环境中通过物理、化学或生物的作用改变形态或转变成另一种物质的过程。 转化的形式 物理转化：蒸发、渗透、吸附以及放射性元素的蜕变 化学转化：氧化反应、光化学反应、水解反应等 生物转化：生物的吸收和代谢 转化的结果：两种可能：污染物转化为无毒物质或易降解结构 污染物的毒性增强或转化为难降解结构 大气中的转化：以光化学氧化、催化氧化反应为主例一：光化学烟雾（Photochemical S

7、mog） 光化学烟雾是大气中氮氧化物和碳氢化合物在紫外线照射下反应生成的多种污染物的混合物。 光化学烟雾最具危害的两种物质是臭氧(O3)和过氧乙酰硝酸酯(peroxyacetylnitrates , PAN)。例二：酸雨（Acid Rain）大气中的转化 NO2（微量） NO2 + UV NO2 NO2 NO + O O + O2 O3 O3 + NO NO2 + O2 O3 O3 + HC 醛类及其它氧化物 醛类 复杂的有机化合物 刺激眼睛 NO 汽车排气 HC NO2 太阳 紫外光 紫外光 HC + O2 + NO2 + UV O3 + 甲醛 + PAN + 氧化产物 O3 PAN 甲醛、

8、 丙稀醛等 伤害植物 伤害植物 刺激眼睛 刺激眼睛 氧化产物 聚合与核长大 气溶胶 光雾 图 光化学烟雾形成过程酸沉降形成示意图水体中的转化主要通过下列途径： 氧化还原作用 天然水体本身是一个氧化还原体系，含有多种无机、有机氧化剂和还原剂，如DO、Fe3+、Mn4+、S2、有机化合物等，对污染物的转化起重要作用。 水体中的氧化还原类型、速率和平衡，在很大程度上决定了水中重要污染物的性质。如：厌氧性湖泊 水体中的许多氧化还原反应均为微生物催化反应。 配合作用 无机配位体：OH、Cl、CO32-、HCO3等 有机配位体： 生物降解作用水体中的转化 氧垂曲线的定义 在河流受到有机物污染时，由于有机物

9、的氧化分解作用，水体的DO发生变化。从污染源到河流下游一定距离内，可绘制一条DO逐渐变化的曲线，称之为氧垂曲线。 根据有机物在水体中分解变化和DO的变化，可把受污河流分成几段: 清洁区：未受污染 分解区 腐败区 恢复区 土壤中的污染物的转化及其行为取决与污染物和土壤的理化性质土壤是环境中微生物最活跃的场所，故生物降解起重要作用。土壤中的转化 生物地球化学循环的概念 指生物的合成作用合成作用和矿化作用矿化作用所引起的污染物周而复始的循环运动过程。注：合成作用合成作用指生物（主要是绿色植物）将吸收的环境化学物质转变为生物体本身的有机物质的过程。 矿化作用矿化作用指生物通过代谢作用（包括微生物的分解

10、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。 生物转运（Bio-transport or Biotransport）的概念 生物转运：是指环境污染物经各种途径和方式同生物机体接触而被吸收、分布和排泄等过程的总称。 这些过程都需要通过细胞的膜结构。 细胞膜（生物膜）有多种：细胞质膜、内质网膜、线粒体膜、核膜等； 它们基本的化学组成、分子结构、功能有共同的特征。 一般细胞膜由蛋白质分子和脂质分子（主要是磷脂类）组成 细胞质膜结构图特点 方式浓度梯度有无载体是否耗能其它特点简单扩散高浓度低浓度（顺）无否脂溶性有机化合物的主要转运方式滤过过程否通过膜上的亲水性孔道主动转运低浓度高浓度 （逆）

11、有耗能水溶性大分子化合物的主要方式易化扩散高浓度低浓度（顺）有否胞饮作用内吞物质为液体吞噬作用内吞物质为固体物质被动转运：物理作用特殊转运：生物作用内吞作用：生物膜变形 定义：指污染物在多种因素影响下，自接触部位透过体内细胞膜进入血液循环的过程。 动物吸收的主要途径：呼吸系统、消化管和皮肤 植物吸收的主要途径： 动物吸收的主要途径： 呼吸系统吸收特点: 吸收对象主要针对气体、蒸汽、气溶胶等形式的污染物。 吸收方式多以被动扩散的方式，通过呼吸膜吸收入血。 主要部位例如：肺，肺泡数量多，表面积大，遍布毛细血管，便于污染物经肺迅速吸收进入血管。 消化管吸收特点： 吸收对象主要为饮水和由大气、水、土壤

12、进入食物链中的污染物。 吸收方式多以简单扩散方式通过细胞膜而被吸收。 主要部位如胃和小肠。 皮肤吸收：如有机磷农药可透过完整皮肤引起中毒。 植物吸收的主要途径： 根部吸收以及随后随蒸腾流而输送到植物各部分； 通过植物叶片上的气孔从周围空气中吸收污染物，是植物对大气污染物吸收的主要方式； 有机化合物的蒸汽经过植物地上部分表皮渗透而摄入体内3 污染物的体内分布 指环境污染物随血液或其它体液的流动，分散到全身各组织细胞的过程。 大量研究表明，由于各种组织（细胞）的性质和环境条件不同，同一种物质在不同组织间的分布具有明显的差异。表 1表 24 污染物的排泄 指进入机体的环境污染物及其代谢产物被机体清除

13、的过程。对动物而言，排泄过程主要有：（1）经肾脏排泄（2）随胆汁排除（3）经呼吸道排出（4）没有被消化吸收，直接经肠胃道排出（5）经其它体液排出（6）随毛发和指甲去除 1、生物转化（Biotransformation）的概念 生物转化指外源化合物进入生物机体后在有关酶系统的催化作用下的代谢变化过程。 注1：外源化合物（Xenobiotic compounds） 指除了营养元素及维持正常生理功能和生命所必需的物质以外，存在于环境之中，可与机体接触并进入机体引起机体发生生物学变化的物质。又叫外来化合物或外源性生物活性物质。例如：药物、日用化学品、食品添加剂、环境污染物等。 注2：内源性化合物指生物

14、机体正常的生理活动产生的物质。 注3：酶（Enzyme）是由活细胞产生的，能在体内和体外起同样催化作用的一类具有活性中心和特殊构象的生物大分子，包括蛋白质和核酸。 注4：生物转化的主要场所是肝脏，其它有肺、胃、肠、皮肤等。 相I过程（反应） 外源性化合物在有关酶系统的催化下经由氧化、还原或水解反应改变其化学结构，形成某些活性基团（OH、SH、COOH、NH2）或进一步使这些活性基团暴露。 相II过程（反应） 相I过程产生的一级代谢物在另外的酶系统催化下通过上述活性基团与细胞内的某些化合物结合，生成结合产物（二级代谢物）或带有某些基团的外源性化合物与细胞内物质结合反应。亦称结合反应排出体外外源性

15、化合物一级代谢物 结合产物（二级代谢物）毒害作用过程I （相I反应）图 生物转化过程示意图过程II （相II反应） 物种差异和个体差异 由各自的遗传因素决定，主要表现在体内酶的种类和活力不同上。 饮食营养状况 蛋白质、无机盐、维生素等营养缺乏时会不同方式地影响生物转化作用。 生理因素 年龄因素 性别因素 激素和昼夜规律：机体在每日不同时间的生物转化能力有高低差异，与内分泌功能的昼夜规律有关。 代谢酶的抑制和诱导图 相I反应与年龄的关系（a,b,c,d代表不同的酶） 图 11. 相II反应与年龄的关系（a,b代表不同的酶系） 任何一种外源性化合物的生物转化方式不是简单的，它们可同时进行不同的氧化

16、还原或水解反应，此后又可继续进行不同类型的结合反应。 生物转化的结果有两方面： 解毒作用（失活）：使外源性化合物毒性降低，易于排出，或使其转变为易于被其它生物所降解的化合物。 增毒作用（活化）：使其毒性增加一、生物浓缩（Bioconcentration） 指生物机体或处于同一营养级上的许多生物种群，从周围环境中蓄积某种元素或难分解化合物，使生物体内该物质的浓度超过环境中的浓度的现象，又称生物学浓缩、生物学富集。二、生物积累（Bioaccumulation） 指生物在其整个代谢活跃期间通过吸收、吸附、吞食等各种过程，从周围环境中蓄积某些元素或难分解化合物，以致随着生长发育，浓缩系数不断增大的现象

17、，又称生物学积累。三、生物放大（Biomagnification） 指在生态系统中，由于高营养级生物以低营养级生物为食物，某元素或难分解化合物在生物机体中浓度随营养级的提高而逐步增大的现象，又称生物学放大。 思考：三个概念的有何区别？ 思考：许多生物外源性物质在环境中的含量很低，通常在ppb级，为什么这么低的浓度还会引起严重的问题？ 这是由于生物放大作用造成的，这样的生物外源性物质必须满足以下两个条件：一、难以生物降解；二、具有亲脂性。 生物浓缩：C体内C环境 生物积累：t（生长期），BCF 生物放大：营养级 ， BCF 生物类型汞浓度（ppm）浓缩系数食肉娃鱼1-210000-20000小鱼

18、0.1-0.31000-3000低等动物0.02-0.05200-500植物0.01-0.02100-200海水0.0001 生物浓缩系数 （Bioconcentration Factor, BCF ） 生物体内某元素或难分解的化合物的浓度同它所生存的环境中该物质的浓度比值，也称生物富集系数、生物积累率。 平衡浓缩系数：物质交换达到动态平衡时的浓缩系数。平衡法 ：包括实验室饲养法和野外调查法 动力学方法：Neely等测定方法优缺点实验室饲养法条件易于控制，但数值不够准确野外调查法数值标准，但技术难度大，可能时间周期长动力学方法节省试验时间，更适合大个体生物 生物种的生物学特征 不同组织器官的影

19、响 不同生育期 与性别的关系 污染物的性质 污染物浓度和作用时间 环境条件q v c BiVB cBVT cTK2cTq v c Bo血液组织图17 生物体某一组织生物浓缩的机理模型q v为血液通过该组织的流量; cBi和cBo为进出该组织的血中化合物的浓度;VB和VT分别为血管和生物组织的体积; cB和cT为化合物在血液和组织中的浓度K2为化合物的代谢速率常数。 TTBoBiVTTcKVccqdtdcV2 tKBoBiTVTeccKVqtc221 BoBiTVTccKVqc2由此可知：生物组织中化合物的浓度不仅与该化合物在该组织中的代谢速率有关，还与进出组织的血液中的化合物浓度差成正比。q

20、v c BiVB cBVT cTK2cTq v c Bo血液组织一、生物污染（Biological Pollution） 环境中的病原微生物（Pathogenic Microorganism）例如：沙门氏菌、霍乱弧菌、肠道病毒等等 水体的富营养化（Eutrophication） 概念：指大量的氮磷等营养元素物质进入水体，使水中藻类等浮游生物旺盛增殖，从而破坏水体的生态平衡的现象。 不良后果： 微生物代谢产物产生的污染 硫化氢 酸性矿水酸性矿水 硝酸和亚硝酸 成因 由黄铁矿（FeS2）氧化所产生的硫酸引起，微生物与形成酸性矿水的整个过程密切相关。当pH3.5时，铁细菌即氧化亚铁硫杆菌可催化铁的氧

21、化，其它如氧化硫硫杆菌和氧化亚铁铁杆菌都与酸性矿水的形成密切相关。 危害 酸性矿水中最有破坏性的组分是硫酸，有直接的毒性及其他不良影响。 防治 利用碳酸钙矿石中和过量酸性矿水，但Fe(III)往往同时存在，反应后，pH上升，Fe(OH)3立即覆盖在碳酸钙矿石的表面成为不透水层，这种保护效应阻止了碳酸钙对酸的进一步中和。 微生物毒素 指微生物在其生长、代谢过程中所产生的毒素，可污染食品和环境，危害人类健康。 如黄曲霉毒素、葡萄球菌肠毒素、藻类毒素等。 金属的毒性 影响因素：金属的浓度、金属的存在状态 例如，六价铬比三价铬毒得多；甲基汞的毒性比其他的汞化合物毒性大得多；有机锡比无机锡毒，有机锡中的烷基锡比芳香基锡毒，烷基锡中三烷基又比其他烷基锡毒。 金属的微生物转化 微生物对金属的毒性转化，主要是氧化还原和甲基化作用。 汞的存在形式 无机汞：零价的金属汞与一价汞盐几乎不溶;二价汞盐除了硫化汞、碘