环境毒理学讲义

1、其次章污染物在生物体内的迁移教学引入（可选）：生物体对污染物汲取、迁移是讨论污染物在生物体内富集，毒害 以及生物体解毒、抗性作用的基础，是污染物对生物体产生生理、生 态、遗传，分子毒性效应的第一步。本章节主要把握污染物的基本概 念，性质，分类以及生物对污染物的汲取、迁移规律，最终知道影响 植物汲取、迁移污染物的几个重要因素。教学内容与教学设计：其次章污染物在生物体内的迁移污染物的概念，性质及分类污染物的概念辞海的定义：进入环境后能直接或间接危害人类的物质。它 转变了环境的原有组成，直接或间接的有害于人类。如：重金属，火 山灰等。这类物质有自然排放的，也有人类活动造成的。污染物的性质1）污染物必

2、需在特定的环境中到达肯定的数量或浓度，并且持 续肯定的时间。污染物本身是生产活动中的有用物质，甚至是稀有物 质，有的是任何生物的必需的养分元素，少量或极微量的有些对人体 还是有益的，但是假设这些物质的排放量过大，超过了环境的承受负载, 便会产生毒害作用。例：硒（Se）、铭（Cr）、氮（N）、磷（P）。2）污染物在环境中发生转化，即具有易变性。污染物进入环境 后并非一成不变，他们会发生物理的，化学或生物的反响生成其它物动物体对污染物的汲取1）经呼吸道汲取：肺细胞的通透性很大，汲取大大颗粒沉积在 肺里，使肺泡的功能破坏，止匕外，气体分子可进入血液。例如，低流 量条件下，二氧化硫的进入量几乎100%

3、,而臭氧仅为72%。2）经消化道汲取消化道是动物汲取污染物的主要途径，肠道 黏膜是汲取污染物的主要部位之一。肠道汲取量因污染物的化学形态 不同差异很大。例，甲级汞，95%,乙基汞就小得多，无机态的汞汲 取率在20%以下。镉在呼吸道汲取为14-10%,消化道汲取5-10%。3）经皮肤汲取污染物在动物体内的迁移与排出镉大约有1/2-1/3蓄积在肝和肾中，离子态的汞主要积累在肾中。微生物对污染物的汲取微生物是分布广，种类多，繁殖快，生存力量强的一大类生物， 试验说明微生物对污染物有着很强的汲取与分解力量。在环境污染的 治理过程中以筛选出一批优良的微生物品种。微生物汲取污染物的机理污染物结合到微生物细

4、胞壁上有3种作用机制：离子交换反响， 沉淀作用和络合作用。252影响微生物汲取的因素培育液的温度，培育时间，pH值，污染物的浓度都能影响到微 生物汲取污染物。影响植物汲取，迁移污染物的因素影响植物汲取，迁移污染物的因素很多，主要打算于植物种的生物学，生态学特性，污染物的种类，形态以及外界环境等特点。植物种的生物学，生态学特性不同植物中对污染物的汲取，积累两差异很大。例，厥类植物汲 取量特殊多，体内各含量可到达1200mg/kg,双子叶植物汲取镉量也 相当高，单子叶植物汲取镉量很少。Peterson(1971)讨论说明，生长在 含硒土壤上的黄芭灰分中硒的含量15000mg/kg,而半生的牧草却小

5、于 0.01mg/kgo生态型之间的差异也很明显，把生长在冶炼厂的hisbiscus的种 和生长在非污染区的种同时栽种在含铅的土壤上，结果前者比后者的 吸铅量要少得多。这是由于污染区的生态型在生理，生化和遗传上发 生相应的变化，形成了与环境相适应的生态型。止匕外，植物的不同部位，不同生长时期对污染物的汲取亦不相同。 污染物的种类极其形态差异同一元素的不同价态汲取系数差异很大，例，CN+,汲取系数 0.032, Cr6+,0.056,同样浓度的 CdS,CdSO%Cdl2,CdC12浇灌水稻，糙米 的积累比率为1： 1.9： 3.7： 3.9,缘由是化合物的解离常数不同。Cr微量摄取元素Hg中量

6、摄取元素As 强度积累元素Cd 强度积累元素pH 值自然界土壤中的大多数重金属都是以难容态存在，他的可溶性受土壤的pH值掌握，例，p20,，C0ZnCd806040205.06.5805.06.58 0pH7水体对沉积物中Cd,Zn化学检定性的影响 (JeromI3980)图1 - 8 土康对镉吸附量与pH关系O 7085733氧化还原电位-150 -50 50 150 250 350 450Eh/mV图1 - 10 氧化还原电位对镉结合形态转化的影响(Jerontl, I 980)土壤的阳离子交换量土壤的有机质污染物间的不同的效应在现实环境中，单种污染物对生物体孤立作用的状况是比拟少见 的，

7、在大多数状况下是多种污染物对生物体产生的复合污染。目前， 复合污染生态学已经引起惯犯的重视，但这方面的讨论由于干扰因素 多，存在着肯定的困难。复合污染的四种类型：相加作用协同作用拮抗作用独立作用质，生成的新物质可能危害更大，但也可能降解，转化成低毒或毒性 减轻。例：亚硝酸盐的生成。农药的降解。相互作用:相加、协同和 拮抗。污染物的分类1)按来源：自然来源和人为来源；2)按污染物影响环境的要素，分大气，水体和土壤污染物；3)按污染物的形态，可分为气态，液态和固态；4)按污染物的性质，分为物理，化学和生物的污染物；5)按污染物在环境中物理，化学性状的变化，可分为一次和二 次污染物；止匕外，按污染物

8、对人体(或动物)的影响又分为致畸物，致癌物 等。有关生物对污染物的汲取、迁移的几个基本概念污染物对生物的毒害作用有一个数量的相关性。所以数量的概念 对污染物的汲取，迁移过程很重要。现在介绍几个有关的概念。1)平安浓度(safe concentration):生物与某种污染物长期接触， 仍未觉察受害病症，这种不会产生受害病症的浓度称为平安浓度。2)最高浓度(maximum allow concentration)：生物在整个生长发 育周期内，或者是对污染物最敏感的时期内，该污染物对生物的生命 活动力量和生产力没有发生明显影响的浓度，称为最高浓度。例：碑(As)铅(Pb) 汞(Hg) 铭(Cr)

9、镉(Cd)粮食 0.20.30.020.30.2 mg/kg蔬菜0.20.30.010.30.2饮用水0.040.10.0010.050.01大气0.0030.00170.0033)效应浓度(effective concentration)：超过了最高允许浓度，生 物开头消失受害病症，接触毒物时间长，受害越重。这种生物开头消 失受害病症的浓度称为效应浓度。可以用E50, E70, E90分别代表 在该浓度下有50%, 70%, 90%的个体消失特殊效应，即开头有受害 病症。4)致死浓度(lethal concentration):当污染浓度连续提升到某一 浓度，生物开头死亡，这时的浓度称为致死

10、浓度，也称致死阈值。可 以用L50, L70, L90分别代表在该浓度下有50%, 70%, 90%的个体 的致死阈值。如一周内甲级汞0.2mg/人，镉人。植物对污染物的汲取与迁移植物对污染物的汲取1)植物对气态污染物的汲取：随大气污染的加剧，大气中充满 着有害气体，如：二氧化硫，氧化氮，光化学烟雾，飘尘，降尘等。植物能黏附和汲取气态污染物。植物粘附污染物的数量主要打算 于植物的外表积的大小和粗糙程度。如，云杉，侧柏等分泌油脂粘液, 杨梅，木槿，榆树等页面粗糙，外表极大，具有较强的吸附粉尘的力 量，大叶黄杨叶面硬挺，风吹不易抖动，也能吸附粉尘。据讨论，几 种针阔叶树种截获粉尘的数量:山毛棒5.

11、9%。橡树7.15%,白桦10.59%, 刺槐 17.58%。松 2.32%。云杉 5.42%。氟化物是一种积累性的大气污染物，它可以通过气孔和皮孔进入 植物体。二氧化硫进入气孔，被叶肉细胞汲取，使气孔的开闭机能瘫 痪。光化学烟雾主要成分之一的臭氧都可以通过气孔进入植物体，损 害叶片的栅栏组织。2）植物对水溶态污染物的汲取a.水溶态污染物到达植物根的（或叶）外表：水溶态污染物到达 根表，有两个途径：质流和集中，在土壤中，重金属的集中一般遵循 Fick的其次法那么，它的平均集中距离为：S1/2=（2DT） 1/2,依据计 算，100天的金属的集中距离，Zn:0.72mm,Mn:7.2mm,可见重

12、金属的 集中速度是很慢的，只有靠近根部的重金属才能通过集中作用到达根 的外表，其余的重金属要通过质流到达根的外表。到达根外表的污染 物不肯定被植物根汲取，植物汲取土壤中的污染物的种类和数量打算 于土壤特性，污染物的种类和数量外，还打算于植物的特性。环境中的有机污染物占肯定的比重，特殊是近年来农药在农业上 的大量使用，生活污水中包含了洗涤剂等有机排放物，所以有机物的 植物汲取，迁移就成为了很多讨论者的关注对象。农药主要被喷洒在植物叶片上，叶片对农药的汲取主要为角质层 和气孔汲取。为了提高药效，经常用外表活性剂来增加附着力量。 例：草柑瞬在蚕豆叶片上的气孔汲取（刘支前等，1998）：外表活性剂汲取

13、率草柑瞬0.3 （0.5）+0.5%MON08180.7(0.3)+0.5%TritionX-451.2(0.7)+0.5%silwetL-7785.4(3.5)同时又觉察草柑腾的汲取程度与外表活性剂的种类，植物种类， 光照强度和水分状况等亲密相关。小麦再添加+0.5%silwetL-77时气 孔的汲取已缺乏20%。b.水溶态污染物进入细胞的过程：植物的细胞壁是污染物进入植物细胞的第一屏障，在细胞壁中的 果胶质成分为结合污染物供应了大量的位点，Wierzibika (1987年) 指出：从溶液中汲取的铅首先沉积在根的外表，然后以非共质体方式 集中进入冠层细胞。在根的成熟区域，在皮层细胞壁和表皮

14、细胞壁都 可以看到铅的沉积。彭明等(1989),从玉米的试验的电镜照片(手 工画图)也看到了这种现象，这说明植物最初对铅的快速汲取主要靠 细胞内自由空间的非代谢集中运动，与细胞壁上带有负电荷的道南 相坚固结合一吸附作用。当这种结合到达平衡时才有粗颗粒的铅沿细 胞壁的水分自由空间沉积，迁移。同时也看到了，当铅的浓度过大时, 也有铅透过细胞壁，穿过质膜进入细胞中。这说明白质膜，细胞壁是 前进入细胞内部的障碍，这也是细胞对重金属的一种排斥机制。除了细胞壁的吸附，非共质体的沉积的方式汲取重金属外，重金 属可以透过质膜在细胞内积累已被很多试验所证明。Weigel(1979)和 Fujita(1985)的

15、试验说明，大豆等植物中隔的亚细胞分布，大约70% 的镉沉积在细胞质局部，只有8-10%结合到细胞壁及其他细胞其中， 杨居荣等(1993)讨论了镉、铅在植物细胞内的分布，也得到了类似 的结果。镉以可溶性成分说占比例最大，约为45-69%,而铅那么以沉 积于细胞壁成分占绝大比例，可达77-79%,可溶性成分仅占0.2-3.8%。表黄瓜，球月菜个细胞组分Cd,Pb的分配率细胞壁等残渣细胞核线粒体核蛋白可溶性ug/gFW%Cd黄瓜茎，叶 515. 7464.4356. 16. 76. 345.8根285. 2535.637.64.83.90. 153.6菠菜茎,叶0. 790.923.92.522.2

16、69.4根85. 4399. 122.9219.62. 245.2Pb黄瓜茎，叶2748.87710.97. 70. 73.8根284291.287. 37. 14.40.60. 7菠菜茎,叶194.43.677.914.44. 30. 82. 5根5217.396.499. 94.55.80.60.2细胞膜调整着物质进出细胞的过程，他与细胞壁一起构成了细胞 的防卫体系。污染物通过植物细胞末进入细胞的过程，目前认为有两 种方式，即被动的集中和主动的传递过程。生物膜是非极性的类脂双 层膜，Park把细胞膜透过机理归纳为以下几个主要方面：流淌运输 (8.4nm),脂质层受控集中，媒介输送和能动载体

17、输送。张笑一等(1997)认为，在有机体对阳离子的汲取中，一些重金 属离子可以通过电荷相同，电子构形相像，离子半径相近的必需金属 离子的汲取途径进入有机体内。对于一些能快速形成金属有机化合物 的重金属，由于对细胞膜的亲和性比二价离子更简洁通过细胞膜，有 机体对这类化合物的选择性就更低。例外，SH-, S2-等都可以与重金 属形成配位例子，这也是重金属进入有机体的重要渠道。植物细胞能对环境胁迫进行适应性的调解，而从肯定范围和程度 上阻挡有害物质进入细胞(罗立信，1998)。但假如污染物毒性强使 脂膜中不饱和脂肪酸氧化分解，产生更多的自由基时，细胞膜的透性 就大大提高了。有机农药经过气孔和角质层进

18、入植物体后，有些农药时可以降解 的。杨培素等(1998)在北京和沈阳两地讨论了烟喀黄隆在玉米和土壤 中的残留和消解动态，结果如表。烟喀黄隆在玉米植株中的消解动态很多讨论结果说明，假设按常规施用，经植物汲取的农药能被降解,年份 距施药时间 植株中的残留量 消解率 回归方程 半衰期地点d07. 77199515. 6527. 251. 624匕京32. 1472. 4350. 6491. 7570. 4694. 0509. 80199518. 5013. 171. 84沈阳33. 9459. 8850. 3896. 1370. 1998. 1在植物体内积累作用不大。但是这必需说明的是有些农药在生物

19、降解 方面是很难降解的。污染物在植物体内的迁移从根外表汲取的污染物能横穿根的中柱，被送入导管。进入导管 后随蒸腾拉力向地上部移动。一般认为穿过根外表的无机离子到达内 皮曾有两种通路：第一位非共质体通道，即无机离子和水在根内横向 迁移，到达内皮层是通过细胞壁和细胞间隙等质外空间，其次为共质 体通道，即通过细胞内原生质流淌和通过细胞之间相联接的细胞质通 道。彭鸣等(1989)用电镜与X射线显微分析的结果证明不同的重金属在玉米根内的横向迁移方式不同。各主要是以共质体方式在玉米根内横向迁移，铅主要以非共质体方式在玉米根内移动。不同Pb, Cd处理玉米5d后X射线显微分析结果在玉米根的中柱内部，镉的积累

20、分布也不同于铅：在导管中较多处理浓度(mg/L)根组织相对含量(%)PbCd对照00100皮层24. 57. 02中柱11. 4315. 03导管4. 088. 12木质部薄壁组织6. 831. 82叶0. 86500皮层31. 514. 24中柱13. 4913. 92导管11. 9312. 58木质部薄壁组织31. 887. 692. 281000皮层53. 4612. 64中柱40. 616. 04导管39. 7914. 5木质部薄壁组织39. 799. 75叶2. 8而木质部薄壁组织中较少。由于各市通过共质体的方式进入中柱，而 中柱积累的速率就较快，因而能在中柱与导管之间形成集中提督，沿 着这个梯度，镉不断进入导管。这也可能是镉比铅更简洁迁移的缘由 之一。污染物可以从根部向地上部运输，通过叶片汲取的污染物也可从 地上不幸给部运输。不同的污染物在植物体内的迁移，分布规律存在 着差异。根汲取的部位不同，向地上部移动的速率也有差异。如小麦 根尖l-4cm区域汲取的离子醉意向地上部