第二章 污染物在环境中的行为

第二章环境污染物在生态系统中的行为本章将讨论以下内容：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富集环境污染概述1.1什么是环境污染？环境污染（EnvironmentalPollution）是指有害物质或因子进入环境，并在环境中扩散、迁移、转化，使生态系统结构与功能发生变化，对人类以及其他生物的生存和发展产生不利影响的现象。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系统变异的结果。如：恐龙的灭绝、水利工程、森林砍伐、急性与慢性效应。※环境化学效应：环境污染导致环境化学因素发生改变。如：酸雨、光化学烟雾、土壤酸化等。※环境物理效应：环境污染导致环境物理因素发生改变。如：热岛效应、温室效应、颗粒物的污染、噪声污染等。污染源（PollutionSource）造成环境污染的污染物发生源称为污染源。它通常指向环境排放有害物质或对环境产生有害物质的场所、设备和装置。污染物的自然来源（NaturalSource）: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（ArtificialSource）:来自人类活动，影响范围广、危害大，如工业三废污染源示意图工业污染源（点源、三废）农业污染源（面源、农用化学品）交通运输污染源（线源、水气污染、噪声）生活污染源（三废、固废）污染物（Pollutant）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当某种物质（有用的或必须的）成为污染物时，必须在特定的环境中达到一定数量或浓度，并且持续一定的时间。

一次污染物和二次污染物：一次污染物：由人类活动直接产生，自污染源直接排入环境后，其物理和化学性状未发生变化的污染物。※二次污染物：排入环境的一次污染物，由于自然界的物理、化学和生物因子的影响，其性质和状态发生变化而形成的新的污染物。如光化学烟雾、酸雨等环境污染的特点影响范围大作用时间长污染物浓度低、情况复杂污染容易、治理难第一节

污染物在环境中的迁移与转化

一、

污染物在环境中的迁移※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。污染物进入环境的途径包括：（1）人类活动过程中无意排放，如火灾（2）工业三废（3）人类活动过程中故意应用（pesticide）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。如PCBs，CFCs运输到南极※污染物在环境中的三种迁移方式机械迁移（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通过生物的吸收、代谢、生长、死亡等过程所实现的迁移，是一种非常复杂的迁移形式

例：生物通过食物链对重金属的放大积累作用※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－还原条件胶体的种类、数量络合配位体的数量、性质二、

污染物的形态和分布（FormandDistributionofPollutant）※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（环境污染化学研究范畴）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α型，γ型六六六，PAHs结构络合态几种重要的形态分类离子态：活性大、毒性强、易于迁移代换态：受质量法则制约，浓度高的离子可以将浓度低的离子代换出来。胶体：气溶胶（飘尘、烟气）、水溶胶、固溶胶有机结合态：生物吸收累积起来的污染物：农残、甲基汞难溶态：风化和生物分解释放出来污染物的分布※污染物的分布定义：主要是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：图1-2和图1-3表明了污染物在水生生态系统和陆生生态系统各组分间的分布。三、

污染物在环境中的转化※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、吸附化学转化：氧化还原、水解、光化学—最为普遍、常见生物转化：通过生物的吸收和代谢作用而发生的变化转化的结果：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（PhotochemicalSmog）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（AcidRain）大气中的转化图1－2光化学烟雾实例**图1-3光化学烟雾形成过程自然源、电厂以及内燃机等排放出的污染物在大气中发生化学反应产生导致酸沉降的化学物质。图1－4酸沉降形成示意图水体中的转化水体中主要的转化途径：氧化还原作用、配合作用、生物降解作用氧化－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。如重金属：Cr3+Cr6+;As3+As5+Cr3+大多数被底泥吸附，迁移能力弱；Cr6+在碱性水体中较为稳定，以溶解状态存在，迁移能力强。CH4、NH4+、H2S、Fe2+CO2、NO3-、SO42-、Fe(OH)3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。氧垂曲线（OxygenSagCurve）※氧垂曲线的定义在河流受到有机物污染时，由于有机物的氧化分解作用，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，DO接近饱和分解区:耗氧分解，DO下降腐败区：厌氧分解，DO接近零恢复区：分解完成，DO上升L（km）饱和DO线DO（mg/L）0DOmin图5－8氧垂曲线示意图排入河水中的有机物经微生物降解，一方面消耗水中的DO；另一方面，空气中的氧通过河流水面不断地溶入水中，会使DO逐步增加直至得到恢复，故耗氧与复氧是同时进行的。污染河水中DO、BOD的浓度变化如下图

配合作用无机配位体：OH－、Cl－、CO32-、HCO3－等水中Zn2+浓度0.861mg/l；生成Zn（OH）2,水中总锌量160mg/l有机配位体：腐殖酸与汞（软体动物、鱼类）清洁剂、洗涤剂、农药等生物降解作用（第五节）如汞的转化土壤中的转化土壤由固、液、气三相构成，所以土壤状况比水、气中复杂。污染物在土壤中的转化及其行为取决于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。土壤中的固、液、气三相的分布是控制污染物运动和微生物活动的重要因素。土壤的pH、温度、湿度、通气状况和微生物种群等是污染物转化的条件。四、

污染物的生物地球化学循环生物地球化学循环的概念指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。注：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。矿化作用指生物通过代谢作用（包括微生物的分解作用）将生物体的有机物质转化为无机物质或简单的有机物。第二节

污染物在生物体内的转运和转化一、生物转运生物转运（Bio-transport）的概念※生物转运：环境污染物经各种途径和方式同机体接触而被吸收、分布和排泄等过程的总称。这些过程一般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）组成环境污染物的毒性往往与生物膜结构直接有关；有些环境中的专一受体就是生物膜上的某些特殊蛋白质：如有机磷农药的专一受体就是乙酰胆碱酯酶。细胞质膜结构图亲水基疏水基生物膜的骨架是磷脂类双分子层，蛋白质分子以不同的方式镶嵌其中。细胞膜的表面还有糖类分子，形成糖脂、糖蛋白;共同特征，即镶嵌性、蛋白质极性、流动性、相变性和更新态。※污染物透过细胞膜的方式

（与污染物性质、结构及膜结构有关）方式

特点浓度梯度有无载体是否耗能其它特点被动转运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通过膜上的亲水性孔道；分子直径小的水溶性化合物的主要方式(0.4-4.0nm)

特殊转运主动转运低浓度高浓度（逆）有耗能水溶性大分子化合物的主要方式；污染物的体内排出，如肾、肝等易化扩散高浓度低浓度（顺）有否也是污染物的体内排出的一种方式胞饮作用胞饮作用内吞物质为液体吞噬作用内吞物质为固体物质※污染物的吸收（AbsorptionofPollutant）：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或体液的过程。※动物吸收的主要途径有：呼吸系统、消化管和皮肤（1）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。（2）消化管吸收特点：吸收对象主要为饮水和由大气、水、土壤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。脂溶性物质较易吸收。影响因素:pH值胃肠道内容物多少、排空时间、蠕动状况（3）皮肤吸收—到血液：如有机磷农药可透过完整皮肤引起中毒。CCl4通过皮肤吸收引起肝损害。主要经表皮脂质屏障，少量经毛囊、汗腺、皮脂腺穿透相（脂溶性污染物）与吸收相（真皮进入乳头层毛细血管，水溶性吸收），一般污染物油水分配系数接近1的化合物易吸收影响因素：脂/水分配系数易溶于脂、难溶于水，易挥发：吸收少，如苯易溶于脂、水，不易挥发：吸收多，如有机磷皮肤完整性植物吸收的主要途径：（1）根部吸收以及随后随蒸腾流而输送到植物各部分（有主动吸收和被动吸收两种方式）；（2）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；SO2，NOx，O3（3）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生育期吸收镉总量（

g∙盆－1）相对%（成熟期为100%）分蘖期2360.1抽穗、开花期57091.1灌浆期201794.2成熟期2715100投镉量（mg∙kg-1）土壤pH4.55.27.4叶片干重含镉量（mg∙kg-1）0.01.61.80.80.58.45.23.01.014103.71.5183.94.62.0167.25.3※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。血液中，一部分可以和血浆蛋白质(主要是白蛋白)结合，而不易透过生物膜；另一部分呈游离状态，可以到达一定的组织细胞

；动态平衡。

被吸收的环境污染物，有些可在脂肪组织或骨组织中蓄积和沉积。如铅有90％沉积在骨骼中；DDT和六六六等有机氯化合物则大量蓄积在脂肪组织中。

当出现饥饿时，又会出现二次污染。体内还存在一些能阻止或简化外来污染物由血液向组织器官分布的屏障：如血脑屏障和胎盘屏障等。初生动物的血脑屏障尚未完全建立，污染物对幼小动物危害大。※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的过程。排泄的主要途径：通过肾脏进入尿液（肾小球的滤过和肾小管的主动转运）通过肝脏的胆汁进入粪便（主动转运）有的环境污染物还可随同呼出的气体、汁液等排出体外有些还可通过乳汁排泄，对婴儿可能造成不良影响。植物的排泄方式比较简单：分泌与叶类植物脱叶二、

污染物在体内的生物转化※生物转化是指污染物在生物体内各种酶的催化作用下发生化学结构和性质的变化而转化为新的衍生物的过程。研究环境污染物生物转化是生态毒理学(Eco-toxicology)研究的重要组成部分它有助于阐明污染物对生物机体作用机理，对解释环境污染物的联合作用，判断或评价环境中外源性物质对机体的危害程度，环境质量标准的建立等，均具有十分重要的意义。注1：外源化合物（Xenobioticcompounds）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。生物外源性物质是指那些人工合成的，具有不被现有降解酶系所识别和作用的分子结构和化学键序列的化合物，简而言之，就是不能被生物降解的化合物。如DDT、六六六、多氯联苯、染料、塑料、合成橡胶等。注2：内源性化合物指生物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。排出体外外源性化合物一级代谢物

结合产物（二级代谢物）毒害作用过程I（相I反应）图1-5生物转化过程示意图过程II（相II反应）生物转化过程※生物体内的生物转化一般分为Ⅰ,Ⅱ两个连续过程※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暴露或形成极性基团，如：－OH、－SH、－COOH、－NH2等，水溶性增强，并成为适合于相Ⅱ反应的底物。※相Ⅱ过程（反应）在另外的酶系统催化下，具有一定极性的相I反应的产物或外源性化学物质与内源性辅因子(结合基团)进行化学结合的反应。形成的二级代谢物的极性（亲水性）一般增强，利于排出一级代谢物可以直接排出或对机体产生毒害。一些外源化合物本身有相应的活性基团，不经过相I过程直接与细胞内物质结合而完成生物转化相Ⅰ反应的主要类型：1)氧化反应：微粒体混合功能氧化酶参与的反应非微粒体反应:有些外源性化合物也可被位于线粒体部分的非微粒体氧化还原酶所催化2)还原反应3)水解反应

微粒体(microsomes)是细胞内膜系统的膜结构破裂后自己重新封闭起来的小囊泡(主要是内质网和高尔基体),这些小囊泡的直径大约100nm左右。混合功能氧化酶mixed-functionaloxidase

又称多功能氧化酶，它存在于人体和动物的肝脏、肺脏细胞的微粒体中。混合功能氧化酶系包括细胞色素P-450、NADPH－细胞色素P-450还原酶、细胞色素b-5、NADH－细胞色素b-5还原酶、芳烃羟化酶、环氧化物水化酶以及磷脂等。其中以细胞色素P-450最为重要,它与分子氧形成“活性氧”复合体，能氧化进入肝、肺的外源性化学物质。氧化反应酶系：

1、加单氧酶系:

此酶系存在于微粒体中，能催化烷烃、烯烃、芳烃和类固醇等多种物质进行氧化。

2、胺氧化酶系:此酶系存在于肝细胞线粒体中，可催化活性物质胺类的氧化脱氢，生成相应醛类。

3、醇脱氢酶系和醛脱氢酶系：分布于肝细胞微粒体和胞液中的醇脱氢酶（ADH）和醛脱氢酶（ALDH），均以NAD+为辅酶，可催化醇类氧化成醛，醛类氧化成酸。还原反应酶系

1、硝基还原酶

2、偶氮还原酶水解反应酶系

1、酯酶

2、酰胺酶

3、糖苷酶※相Ⅱ反应：结合反应一方面可使有毒化合物某些功能基团失活另一方面大多数化合物通过结合反应，水溶性增加，很快由肝脏排出，因此结合反应是一种解毒反应。结合反应的过程分为两个阶段：首先是形成一个活化的中间体，此过程一般需要ATP。继而由多种转移酶将活化的