污染生态控制原理与方法

1、第五章 陆地生态系统污染生态学v陆地生态系统污染生态系统是污染生态学的一个重要研究领域,以人类赖以生存的陆地生态系统为研究对象,研究污染物在系统中的生态过程,发生规律以及污染物对系统在个体、种群、群落乃至系统水平上的生态效应,探讨控制和治理陆地生态系统污染的合理途径,以求得资源环境的持续发展。第一节 陆地生态系统中主要污染物质及其来源v1.陆地生态系统污染的特点vA.污染来源:工农业生产和居民生活中排出的废弃物。v农业:人口压力追求高产、稳产,农业越来越依赖化肥和农药的使用,造成土壤中农药和硝酸盐的积累,并进一步污染地下水；高密度的农业生产活动导致土壤微生物群落结构失衡,一些不良微生物群落成为

2、群落中的优势种群,形成地域性的生物污染。v工业:一方面人们通过采矿、冶炼、化工提纯等技术使本来在环境中呈分散、低浓度存在低物质如重金属、放射性元素及天然的有机化学品得以浓缩和富集于局部陆地生态环境;另一方面,人工工业合成生产出更多的对于自然界来说相对陌生的物质,如DDT,氟利昂等，这些污染物远远超出了陆地生态系统原有的自净能力。 1987年美国登记的化学品达700万种,并且以每年1000种的速度增长,同时化学品的产量也在飞速增长。v居民生活污染:生活污水,携带大量动植物油类、洗涤剂及N,P等营养物质;生活垃圾。vB.陆地生态系统污染特点:v1)广泛性v2)复杂性v3)复合型v4)不均衡性v5)

3、不稳定性v2.主要污染物质及其含量与分布vA.主要污染物:包括有机污染物、无机污染物和生物性污染三类。v有机污染物:可根据化学结构和性质不同分为许多亚类:卤代烃、酚类、邻苯二酸酯、多环芳烃、多氯联苯、有机氯农药、有机磷农药、氨基甲酸酯等。v无机污染物：N,P和S等营养性污染物;重金属元素Hg、Cd、Pb、As、Cr、Cu和Zn等;放射性元素污染,铯和锶的裂变产物;稀土元素。v生物性污染:各类病虫害、菌类污染。陆地生态系统主要污染物及来源陆地生态系统主要污染物及来源污染物种类污染物种类主要来源主要来源无无机机污污染染物物重重金金属属HgHg矿业开采、制制烧碱、汞化物生产等行业废水和污泥处置矿业开

4、采、制制烧碱、汞化物生产等行业废水和污泥处置CdCd矿业开采、冶炼、电镀、染料等行业三废排放矿业开采、冶炼、电镀、染料等行业三废排放CuCu矿业开采、冶炼、铜制品生产等三废排放矿业开采、冶炼、铜制品生产等三废排放, ,污泥污泥, ,铜农药铜农药ZnZn矿业开采、冶炼、电镀、纺织工业三废排放矿业开采、冶炼、电镀、纺织工业三废排放, ,含锌农药含锌农药PbPb矿业开采、冶炼、染料工业三废排放矿业开采、冶炼、染料工业三废排放, ,汽车尾气汽车尾气, ,农药农药CrCr矿业开采、冶炼、电镀、制革、印染等工业废水和废渣矿业开采、冶炼、电镀、制革、印染等工业废水和废渣NiNi矿业开采、冶炼、电镀、炼油和染

5、料等工业废水和废渣矿业开采、冶炼、电镀、炼油和染料等工业废水和废渣AsAs硫酸、化肥、农药、医药、玻璃等工业三废排放硫酸、化肥、农药、医药、玻璃等工业三废排放SeSe电子、电器、油漆等工业生产中的三废排放电子、电器、油漆等工业生产中的三废排放放放射射元元素素137137CsCs原子能、核动力、同位素生产等行业三废排放原子能、核动力、同位素生产等行业三废排放, ,核爆炸核爆炸9090SrSr原子能、核动力、同位素生产等行业三废排放原子能、核动力、同位素生产等行业三废排放, ,核爆炸核爆炸其其它它F F冶炼、氟化物生产、肥料生产中的三废排放冶炼、氟化物生产、肥料生产中的三废排放盐、碱盐、碱纸浆、纤

6、维和化学工业三废排放纸浆、纤维和化学工业三废排放酸酸硫酸、石油化工、酸洗和电镀等工业三废排放硫酸、石油化工、酸洗和电镀等工业三废排放, ,酸雨酸雨有有机机污污染染物物农药农药农药生产和不合理使用农药生产和不合理使用酚酚炼焦、炼油、合成苯酚、橡胶、化肥和农药等工业三废排放炼焦、炼油、合成苯酚、橡胶、化肥和农药等工业三废排放氰化物氰化物电镀、冶金、印染等工业废水和废料电镀、冶金、印染等工业废水和废料多环芳烃类多环芳烃类石油、炼焦等工业三废排放石油、炼焦等工业三废排放石油石油石油开采、炼油以及石油生产和运输过程中的泄漏石油开采、炼油以及石油生产和运输过程中的泄漏有机洗涤剂有机洗涤剂城市废水和机械工业

7、废水城市废水和机械工业废水有害微生物有害微生物厩肥、医疗卫生废水、城市污水、污泥和垃圾厩肥、医疗卫生废水、城市污水、污泥和垃圾vB.优先污染物:是各国政府根据污染物的毒性、出现频率和环境浓度等因素确立的重点控制污染物。v1977年美国在清洁水法中规定类65类129种优先控制的有毒污染物；随后联邦德国、日本、荷兰和欧共体等国家和组织相继规定了各自的优先控制污染物黑名单或灰名单；我国1988年颁布了14类68种水中优先控制污染物。v68种作为水中优先控制污染物名单，注有者为推荐近期实施的名单计48种，它们是：1、挥发性卤代烃类：二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳、1,2一二氯乙烷、1，1，1一三氯乙烷、

8、1，1，2一三氯乙烷、1 , 1 , 2 , 2一四氯乙烷、三氯乙烯、四氯乙烯、三溴甲烷，共计10个。2、苯系物：苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯、间二甲苯，对二甲苯，共计6个。3、氯代苯类：氯苯、邻二氯苯、对二氧苯、六氯苯，共计4个。4、多氯联苯，1个。5、酚类：苯酚、间甲酚、2,4一二氯酚、2,4,6一三氯酚、五氯酚、对硝基酚，共计6个。6、硝基苯类：硝基苯、对硝基甲苯、2,4一二硝基甲苯、三硝基甲苯、对硝基氯苯、2,4苯一硝基氯苯，共计6个。7、苯胺类：苯胺、二硝基苯胺、对硝基苯胺、2,6一二氯硝基苯胺，共计4个。8、多环芳烃类：萘、荧蒽、苯并(b)荧蒽、苯并（k）荧蒽、苯并（a）芘、茚并(1,

9、2,3一cd)芘、苯并(g，h，l)芘，共计7个。9、酞酸酯类：酞酸二甲酯、酞酸二丁酯、酞酸二辛酯，共计3个。10、农药类：六六六、DDT、敌敌畏、乐果、对硫磷、甲基对硫磷、除草醚、敌百虫,共计8个。11、丙烯腈，1个。12、亚硝胺类:N一亚硝基二乙胺、N一亚硝基二正丙胺,共计2个。13、氰化物，1个。14、重金属及其化合物:砷及其化合物、铍及其化合物、隔及其化合物、铬及其化合物、铜及其化合物、铅及其化合物、汞及其化合物、镍及其化合物、铊及其化合物，共计9个。v3.主要污染来源1)工业污染源：工业废水、废渣和废气2)农业污染源：化肥、农药、地膜和生物性污染3)居民生活污染4)特殊行业污水和废弃

10、物：核技术生产和医药卫生行业5)二次污染：酸雨的重金属活化作用；污染物的全球化迁移，对污染物以外的地区来说是一种二次污染。第二节 污染物在陆地生态系统中的迁移与积累v1.植物吸收与积累v1)植物吸收和积累的普遍性v水溶性污染物通过植物根系吸收；v挥发性污染物通过植物呼吸作用吸收；v极难溶于水,极难挥发的物质,由于植物吸收营养物质过程并不是绝对严格的选择作用,植物对这些污染物也有一定吸收。v2)影响植物吸收与累积的因素A.植物种类、不同生长模式和不同部位对污染物的吸收不同；B.污染物的物理化学特性；C.土壤组成与理化性质：土壤pH值、土壤矿物质和有机质含量、土壤颗粒；D.环境因素：温度、湿度条件

11、；E.共存污染物的影响。汞在胡萝卜和白萝卜可食部位的富集规律研究 杨勇等农业环境科学学报2007,26(1):156- 159几种重金属( Cd、Pb、Cu、Zn) 在玉米植株不同器官中的分布特征李静等中国农学通报 2006，第22 卷，第4 期:444-447v3)叶片吸收与生物监测指示植物v用作监测大气重金属污染的苔藓植物主要有白齿泥炭藓( Sphagnum rigensohnii ) 、 塔藓( Hyloconium splendens ) 、赤茎藓( Pleuroz ium shreberi ) 、泽藓( Philonotis fontana) 、桧叶金发藓( Polyt richum

12、juniperinum ) 、匍匐猫尾藓( Isothecium stoloniferum ) 、密叶绢藓( Entodon compressus )、长叶鳞叶藓( Taxi phyllumtaxi- rameum) 等。v欧 洲 国 家 进 行 大 规 模 采 样 调 查 分 析 , 推 荐 出Hyloconium spllendens 和Pleuroz iumshreberi 两种苔藓作为最佳材料。v利用柳杉、红松、冷杉等植物的敏感性来综合评价城市环境污染的程度；v用紫花苜蓿、胡萝卜、菠菜等监测大气中二氧化硫污染；v用唐菖蒲、郁金香、杏、向日葵监测氟污染；v用矮天牛、烟草、美洲五针松监测光

13、学烟雾；v用棉花监测乙烯；v用柳树、子贞监测汞；v用复叶槭、落叶松、油松监测氯和氯化氢等等。v地衣是藻菌共生体，最能忍耐恶劣的环境条件，但对大气污染很敏感，甚至空气中极少量的有毒物质就可影响它的生长以至死亡。如果发现它的种类、数量、覆盖度明显减少，就说明污染严重。目前应用地衣监测的方法主要有两种：(1) 调查污染区的地衣种类、数量和分布；(2) 选择一种生长在树干上比较敏感的地衣一般以叶状地衣为好，把它和树皮一起切下来，移植到需监测地区同种植物上，定期观察它们受害程度和死亡率，则可估测该地区大气污染的影响。v2.动物吸收与积累1)动物吸收途径：皮肤吸收、呼吸吸收和摄食吸收2)污染物在动物体内的

14、分布：污染物可以通过生物膜，则分布全身；反之，污染物分布将受限制，只在特定部位积累。3)影响污染物在体内迁移的主要因素A.污染物与有机体组成成分特异性结合B.脂肪和骨骼与污染物的亲和性4)污染物在动物体内迁移的机理：被动转运，特殊转运3.污染物在土壤中的迁移及地下水污染第三节 污染物在陆地生态系统中转化与降解v1.动物体内的转化与降解v1)转化反应类型：氧化、还原、水解和结合反应；v2)影响污染物在动物体内转化的因素：A.动物种类B.动物的年龄与性别C.动物的营养状况D.共存污染物的影响v2.土壤中的转化与降解1)影响污染物微生物降解过程的物理和化学因素A.污染物的化学组成与结构直链和支链烷烃

15、小分子量芳香烃环烷烃B.污染物的物理状态C.温度D.氧气E.营养元素F.盐分和pH值2)影响有机物生物降解的生物因素vA.降解有机物的微生物类型vB.适应性：预先暴露于有机污染环境的微生物决定降解速率,可以大大增加对有机物对氧化能力,这种现象称为适应性。可能的机制：专性酶的诱导和抑制；基因突变产生新的群体;有机体选择性富集有利于有机物的转化。3)目前对有机物降解的未知点：A.目前尚未完全了解有机物化学结构与微生物降解能力之间以及化学结构与降解途径之间的关系；B.有机物降解途径及中间产物不清楚,无法了解这些中间产物可能的作用；C.微生物降解的数学模拟并不完全；D.由于微生物在有机物存在的条件下基

16、因突变有多种可能性,使得微生物的适应性机理相当复杂。v3.植物对污染物的降解和转化v）重金属的生物转化v植物修复具体的方法归纳起来主要有3 种: (1)植物提取( phytoextraction) 利用植物将金属从土壤中去除,并集中于植物的可收割部分; (2)植物固定( phytostabilisation) 植物通过降低环境中金属的可移动性或阻止其移动来达到减少污染物的生物有效性; (3)植物挥发(phytovolatilisation) 通过植物将金属或类金属挥发到空气。v修复的机理可分为7类: (1)植物抽提用植物从土壤中去除污染物,包括持续植物提取( continuous phytoe

17、xtraction) 、诱导植物提取( induced phytoextraction) ; (2)植物蒸发(phytovolization) 使土壤元素中的化学成分挥发; (3)根际过滤( rhizofiltration) 植物的根从流水中去除污染物; (4)植物固定使土壤中的金属转变成毒性较小的形式,而不是从土壤中去除金属; (5)植物钝化; (6)植物降解转化; (7)植物催化作用。近年的研究所涉及的部分植物种类近年的研究所涉及的部分植物种类v分子生物学研究发现金属硫蛋白(met allothionein, MT) 、植物络合素/植物螯合蛋白(phytochelatin, PC)-其结构

18、式为(r-Glu-Cys) n-Gly, (n= 2 11)。两类多肽物质在其中起重要作用。各种MT基因和PC合成酶基因已被克隆出来,并应用转基因技术提高植物MT或PC的表达量,转基因植物对重金属的抗受性或富集能力也相应增强,如马铃薯和烟草经转基因后明显提高了组织内Cu或Cd的浓度,初步显示了用于植物修复的前景。v目前只证明其中的一小部分, 如Ag+ 、As3+ 、Cd2+ 、Cu2+ 、Hg2+ 、Pb2+ 和Zn2+ 等, 能够被PCs 络合从而去除其毒害。v进入植物或动物的As3+和As5+可以被甲基化成毒性较小的单甲基砷酸和二甲基次砷酸(Nissen&BEenson,1982;

19、Peoples,1983)。砷也可以被转 化 为 砷 糖 、 三 甲 基 胺 基 砷 或 磷 脂(Cooney&Benson,1980;Edmonds&Francesconi,1981).v以亚硒酸盐(SeO32-)形式进入植物体的硒能被还原成硒代半胱氨酸，如果硒化的氨基酸被合成为蛋白，就会造成蛋白质功能紊乱，这是硒的毒性机制之一。而耐硒植物可以制造大量非蛋白质氨基酸(硒甲基硒代半胱氨酸和硒化胱硫醚),暗示高速合成这些氨基酸是植物解硒毒的一种方法(Brown&Shrift,1982)几类主要有机污染物几类主要有机污染物, 清除这些污染物的植物种类和清除机制清除这些污染物

20、的植物种类和清除机制vDDT 及其主要降解产物污染土及其主要降解产物污染土壤的植物修复壤的植物修复v安凤春莫汉宏郑明辉张兵v(中国科学院生态环境研究中心, 北京, 100085)v环境化学， 2003 .Vol. 22 , No. 1:19-25v小结v(1) 草在不同污染浓度的土壤中修复能力的差异, 可能是土壤中土著微生物的活性受污染物抑制或激发差异的结果。v(2) 草在不同土壤中修复能力的差异与土壤中pH 值及有机质含量的差异无相关性, 而可能与不同土壤中所存微生物的差异有关。v(3) 选择能使根际区产生强烈生物降解作用的草品种, 是利用草作为污染土壤修复的关键。第四节 污染物对陆地生态系

21、统的生态效应v1.基本概念基本概念v2.污染物对植物的影响污染物对植物的影响v3.植物对环境污染的响应与反馈机制植物对环境污染的响应与反馈机制v4.污染物对动物的影响污染物对动物的影响v5.污染物对微生物的影响污染物对微生物的影响v1.基本概念1)剂量-反应关系2)急性毒性、慢性毒性和蓄积性毒性3)半致死剂量(LD50)和半致死浓度(LC50)4)三致作用:致癌、致畸和致突变第四节 污染物对陆地生态系统的生态效应v1.基本概念基本概念v2.污染物对植物的影响污染物对植物的影响v3. 植物对环境污染的响应与反馈机制植物对环境污染的响应与反馈机制v4.污染物对动物的影响污染物对动物的影响v5.污染

22、物对微生物的影响污染物对微生物的影响v2.污染物对植物的影响1)对植物酶系统的影响2)对植物细胞和细胞器的影响3)对植物器官和组织的影响4)对个体的影响5)对植物群落的影响v酸沉降对森林植物的影响v1) 伤害叶片v叶片是植物与大气环境进行气体交换的主要场所，是大气污染物最先进入植物体的门户。因此，植物的伤害症状最早出现在叶片上。v干、湿沉降都会改变植物叶片表面蜡被层和角质层的物理、化学特性。这些结构对叶片除了起到保护作用外，还可以调节植物的许多生物化学反应。对树叶表皮的破坏，加速了叶片的老化，使叶片失去活力，变得枯焉甚至掉落、死亡。vGary K. Hogan等用不同pH值的模拟酸雨对suga

23、r maple(Acer saccharum L.)处理12周后发现，pH值3.0是叶片表面出现坏死斑点的阈值。同样的结果出现在yellow birch (Betula alleghaniensis)，和许多落叶树种上。v我国贵州、四川的调查资料也表明，降水pH 4.5以下的林区,树木叶子普遍受害,主要表现在叶子变短，黄叶占总叶的百分比率明显增加。与降水pH4.5以上的末受害林区相比，马尾松针叶的长、宽分别下降了17%20% 和14%39% ； 杉木降低了15%20%和7%23% 。黄叶百分率前者增加了10%25%；后者增加了8%23%。v酸沉降时加入森林的低水平的N和S通过施肥效应( f e

24、 r t i l i z a t i o n e f f e c t ) 促进生长(Bridgman,1994)。但是，它也可以加快营养物质从土壤中滤出，加快矿物的风化，Ca、M g 、 K 和 N a 在 酸 化 土 壤 中 滤 出 增 加(Smith,1981)，它们的滤出导致植物营养缺乏；另一方面，Al从土壤中的活化导致对植物的毒性伤害。被酸雨腐蚀的森林被酸雨腐蚀的森林v2) 伤害根系v根系作为植物水分代谢和矿质营养的重要器官，是土壤资源的直接利用者和产量贡献者，它的生长发育直接影响到地上部茎叶的生长和生物量的高低，并与植物的抗逆性以及森林生态系统的持续发展有关。根系也是一个重要的碳素库

25、，其呼吸作用是生态系统中重要的反馈途径之一。v周国逸等,研究酸雨对马尾松和华山松幼苗的影响，发现在pH值低和Al3+浓度高的土壤淋洗培养液处理下，植物的根呈褐色，根的外表变钝，根尖部位的生长点出现胶状物质，根尖膨胀，逐渐向球状过渡，在根的基部还出现带斑点的红色，黄色环带。v3) 光合速率变化v在一定的范围内，酸沉降可以促进植物光合速率的增加。而超过一定限度时，光合速率开始下降。当然这种变化也因品种以及实验条件的不同会有较大的差别。如美国五叶针(Pinus strobes L.)随着模拟酸雨的pH值从5.6下降到3.0时，一直表现出光合速率的显著增加。而青冈的净光合速率随着模拟酸雨的pH值下降一

26、直呈下降的趋势。v4) 呼吸作用增加v在酸雨胁迫状态下，植物的呼吸作用提高的现象比较普遍。单运蜂(1992)发现在pH值为2.0的模拟酸雨下，马尾松、杉木和火力楠幼树叶子的暗呼吸速率显著增大，分别增大55.2%，34.8%和110.9%。呼吸作用增加使植物消耗增多，植物的物质和能量的积累相对减少。这可能是酸雨抑制植物生长的一个重要的方面。v5) 对细胞膜功能的损伤v细胞质膜结构和功能的完整性是植物正常生理生化活动的基细胞质膜结构和功能的完整性是植物正常生理生化活动的基础。础。在酸雨胁迫下，加剧了细胞质膜内元素向外流失，影响在酸雨胁迫下，加剧了细胞质膜内元素向外流失，影响了膜的结构和功能。了膜的

27、结构和功能。其中其中Ca2+和和K+对于维持细胞膜正常的渗对于维持细胞膜正常的渗透压和膜结构和功能的完整性尤为重要。植物汁叶的透压和膜结构和功能的完整性尤为重要。植物汁叶的pH值值下降是植物细胞膜被破坏最直接的反映。如邓仕坚等，研究下降是植物细胞膜被破坏最直接的反映。如邓仕坚等，研究模拟酸雨对抗性树种火力楠模拟酸雨对抗性树种火力楠(Michelia macclurei)、中等敏、中等敏感树种马尾松感树种马尾松(Pinus massoniana) 和杉木和杉木(Cunningha mia- lanceolata)及敏感树种檫木及敏感树种檫木(Sassa frastsumu)、水杉、水杉(Meta

28、sequoia glyptost roboides)叶片汁液叶片汁液pH值的影响结值的影响结果发现，以果发现，以pH值值2.0、3.0和和4.5的模拟酸雨连喷的模拟酸雨连喷6 d，火力楠，火力楠pH值分别下降值分别下降0.05、0.05和和0.03，马尾松、杉木，马尾松、杉木pH值分别值分别下降下降0.15、0.12、0.09和和0.1、0.09、0.02。檫木、水杉。檫木、水杉pH值分别下降值分别下降0.17、0.11、0.07和和0.2、0.15、0.1。v对细胞膜伤害机理：对细胞膜伤害机理：SO2经气孔进入叶组织，经气孔进入叶组织，与水结合形成与水结合形成SO32-或或H SO32- ，

29、在进一步氧化，在进一步氧化过程中会产生自由基，引起膜质过氧化，从过程中会产生自由基，引起膜质过氧化，从而伤害膜系统。其次，污染物影响细胞膜的而伤害膜系统。其次，污染物影响细胞膜的离子通透性。离子通透性。v6) 对酶活性的影响对酶活性的影响v酸沉降对不同类型酶的影响各不相同。酸沉降对不同类型酶的影响各不相同。就植物防御就植物防御过氧化损害的系统过氧化损害的系统(Antioxidant defense)如超氧化如超氧化物歧化酶（物歧化酶（SOD），过氧化氢酶（），过氧化氢酶（CAT）、精氨酸）、精氨酸脱羧酶和抗坏血酸过氧化酶等来说，酸雨的胁迫作脱羧酶和抗坏血酸过氧化酶等来说，酸雨的胁迫作用引起这些酶活性升高。植物通过这些酶清除体内用引起这些酶活性升高。植物通过这些酶清除体内过多的活性氧，保持植物的正常生长。过多的活性氧，保持植物的正常生长。Velikova等等在模拟酸雨对在