水污染生态学

关于水污染生态学2目前，中国大部分城市和地区水环境质量继续恶化：我国现有污水的年排放量已达365亿吨，城市污水处理率仅7%，80%以上未经处理的污水排入各种水体，引起水环境不同程度的污染。全国1/3以上的河段受到污染，90%以上的城市水域污染严重。50%的重点城镇水源地达不到国家饮用水卫生标准。全国有监测的1200多条河流已有850条受到污染，集中在辽河、海河、淮河、长江中下游以及珠江三角洲等工业发达地区。湖泊富营养化严重。第2页,共48页，2024年2月25日，星期天3第一节水生生态系统中主要污染物质及其来源第二节污染物在水生生态系统中的迁移与积累第三节污染物在水生生态系统中的转化与降解第四节污染物对水生生态系统的影响主要内容第3页,共48页，2024年2月25日，星期天4胁迫(stress)：是生态学家从工程学中借来的一个词汇，用来表达各种不利生态因子所引起的生物体生理生化变化以及种群、群落、生态系统层次上的生态变化，这种变化又称之为胁迫效应。在水生态方面，胁迫分为天然和人为两种类型。

天然胁迫指正常的环境因子变化，如温度、光周期、光强、流速、营养、溶解氧等因子的变化导致水生生物在结构与功能上的变化。

人为胁迫指由于人为原因，如有毒化学物、热、营养物的富集等对水生生物所产生的影响。1.1胁迫与污染

1.水生生态系统中主要污染物质及其来源第4页,共48页，2024年2月25日，星期天5水污染：指由于人为的原因使水质发生改变，导致水的任何有益的用途受到现实的或潜在的损害的过程，即进入水体的外来物的含量超过了水体的本底含量和自净能力，对水生生物及人体健康的不利影响和人类经济活动因素。研究水生生态系统（水体）污染主要研究水污染，同时也研究底质（底泥）和水生生物体污染。1.1胁迫与污染

1.水生生态系统中主要污染物质及其来源第5页,共48页，2024年2月25日，星期天6污水水质指标来反映水体被污染的程度：①悬浮物，是污水中呈固体状的不溶解物质，是水体污染基本指标之一。②有机污染物浓度：生物化学需氧量BOD，化学需氧量COD，总有机碳TOC和总需氧量TOD。③pH值，生活污水的pH值为7.2-7.6；工业污水的pH值就较复杂，变化较大。pH值对污水处理及综合利用，对水中生物的生长繁殖，对排水管道等都有很大影响。1.2水污染的指标第6页,共48页，2024年2月25日，星期天71.2水污染的指标④污水的细菌污染指标：毫升水中细菌的总数和大肠菌数，水中含有大肠菌，表明已被污染。⑤污水中有毒物质指标：我国已制定过“地面水中有毒物质的最高容许浓度”的标准，列出了40种有毒物质。主要包括重金属、有毒有机物及部分营养盐等。第7页,共48页，2024年2月25日，星期天8内源：指有害物质来源于系统内部，即由系统内部产生或储存的有害物质，被释放出来引起水体污染。外源：指来自系统以外污染源，外源通常又分为两种形式；①点源：主要指工业污染源和生活污染源；P162②面源：农村污水和灌溉水是水污染的主要面源。1.3主要污染来源第8页,共48页，2024年2月25日，星期天91、需氧污染物：生活污水和某些工业废水中所含碳水化合物、蛋白质、脂肪和木质素等有机化合物在微生物作用下最终分解为简单的无机物质，这些有机物在分解过程中需要消耗大量的氧，影响水质，故称为需氧污染物。

1.4水体中的主要污染物及来源和分布对水体有较大影响的污染物共有十种：第9页,共48页，2024年2月25日，星期天10鹅公岩桥下生活污水直排长江工业污水第10页,共48页，2024年2月25日，星期天112、植物营养物：植物营养物主要是指氮、磷、钾、硫及其化合物。过多的营养物质进入天然水体，将恶化水体质量，影响水生生态系统的结构、功能以及渔业的发展和危害人体健康，导致水体富营养化。1.4水体中的主要污染物及来源和分布第11页,共48页，2024年2月25日，星期天12农业用水第12页,共48页，2024年2月25日，星期天133、重金属：重金属是一类典型的环境污染物，主要包括汞、镉、铅、铬、类金属砷、锌、铜、镍、锡、铊等生物毒性显著及含量过高时具有生物毒性的元素。最主要的特性是在水体中不能被微生物降解，只能发生形态的转化，以及分散和富集的过程，统称为金属迁移。其物理化学过程包括：（1）沉淀作用：重金属生成氧化物、磷化物、碳酸盐等而沉淀（2）吸附作用（3）氧化/还原作用（4）络合作用第13页,共48页，2024年2月25日，星期天14湘江重金属污染第14页,共48页，2024年2月25日，星期天154、农药：农药的使用对防治农作物病虫害、提高农业产量、解决粮食供应问题起到非常重要的作用。类似化肥使用，大部分农药仍通过降水与径流进入水体。农药污染第15页,共48页，2024年2月25日，星期天165、石油：石油也是构成水体污染的代表性物质。6、酚类化合物：水体中酚类的来源主要是冶金、煤气、炼焦、石油化工、塑料等工业部门排放的含酚废水。江苏省盐城市水厂受酚类化合物污染第16页,共48页，2024年2月25日，星期天177、氰化物：水体中氰化物主要来自化学、电镀、煤气、炼焦等工业行业排放的废水，剧毒物质。8、酸碱及一般无机盐类：酸性废水三方面来源：①矿山排水，是酸性废水的主要来源，由硫化矿物的氧化作用。②冶金和金属加工酸洗废水③酸雨，由雨水淋洗含二氧化硫气体后形成碱性废水主要来自于碱法造纸、人造纤维、制碱、制革等工业废水。酸、碱性废水彼此中和，可产生各种盐类，酸碱污染必然伴随着无机盐类污染。第17页,共48页，2024年2月25日，星期天18含硫废气导致的“酸雨”第18页,共48页，2024年2月25日，星期天199、放射性物质：主要来源有三个途径：①放射性同位素在化学、冶金、医学、农业等部门的应用，随污水和地表径流造成水体污染。②核电站，为解决能源问题。③核武器的试验，主要是大气中放射性尘埃的沉降和地表径流。核电站第19页,共48页，2024年2月25日，星期天2010、微型病原生物及致癌物：

病原微生物主要来自生活污水、医院废水、制革、屠宰、洗毛等工业废水以及畜牧污水。

微型病原生物有三类：①病菌——可以引起疾病的细菌，如大肠杆菌、痢疾杆菌等；②病毒——如麻症、流行性感冒、传染性肝炎病毒等；③寄生虫——如虐原虫、血吸虫、蛔虫等。

致癌物，如炼焦废水的焦油含有多种致癌芳香烃；印染废水中有多种芳香胺类致癌物（联苯胺、2-萘胺）；植物营养物中的亚硝基化合物、有机氯化合物等制肝癌；重金属中铬、镍可致肺癌等。第20页,共48页，2024年2月25日，星期天21大致可分三个层次：①污染物在生物个体内的转移：各种生物对污染物的吸收、积累，在个体不同部位、组织或器官的转移，以及污染物被排出体外的过程。是污染物在生态系统中迁移和积累的基础，与生物的生理生化特性密切相关。②污染物在食物链上的转移：是污染生态学的关键问题③污染物在水体中的转移三个方面既有区别又有联系，污染物在生态系统中的迁移和积累既包括微观上从分子水平阐明吸收、积累机制方面的内容，又包括宏观上阐明污染物在水生生态系统中的格局和过程。2.污染物在水生生态系统中的迁移与积累第21页,共48页，2024年2月25日，星期天22各类生物对污染物的吸收方式和途径各有其特点。水生植物和微生物：水生微生物和浮游植物主要吸收水中的污染物，其对污染物的吸收，亦可分为主动吸收和被动吸收。水生动物对污染物的吸收：水生动物既可以直接从水中吸收各种污染物，又可以通过取食的途径摄取被污染的食物、悬浮物和沉积淤泥中的污染物。污染物主要经过动物的体表、鳃和肠道吸收污染物。2.1水生生物对污染物的吸收第22页,共48页，2024年2月25日，星期天23①较小的动物个体或处于食物链低营养级的生物，直接从水中吸收污染物一般是较为重要的途径；而个体较大的动物或处于食物链高营养级的动物，取食往往是吸收污染物的主要途径。②同一种动物，对不同污染物吸收的途径也不完全相同。③在急性污染的情况下，动物从水中吸收是比较重要的途径；而在慢性污染的情况下，取食的途径一般较为重要。④与食物的供应情况有关。当食物充足时，则从取食的途径吸收污染物更为重要。第23页,共48页，2024年2月25日，星期天24生物能吸收环境中的有毒物质，并能把这些有毒物质储存在体内，生物的这种储存毒物量随时间的推移而不断增加——生物富集。2.2迁移和积累1、生物富集机制生物富集主要决定于种的生物学特性、毒物的性质以及环境特点。生物学特性：生物富集主要决定于生物本身特性，特别是决定于生物体内存在着和毒物相结合的某类物质活性强弱和数量多少，生物体内凡是能和毒物形成稳定结合物的物质，都能增加生物富集量。污染物的特性：生物富集量的大小，还决定于污染物的性质，即决定于污染物的物质结构、元素价态、存在形态、溶解度以及环境因子的影响。第24页,共48页，2024年2月25日，星期天252、影响生物富集的因素①污染物浓度与富集：一般来说，水中污染物的浓度越高，生物体对污染物的积累量越多。②不同器官富集的差异：生物不同部位富集毒物量是不同的。③毒物性质与富集：毒物的性质也是决定植物体内分配差异的主要原因。④污染物浓度与富集系数：生物体内污染物含量与环境介质中污染物浓度呈极显著相关，但富集系数与环境中毒物浓度没有显著相关性。第25页,共48页，2024年2月25日，星期天26⑤环境因子与生物富集：温度、盐度和光照等环境物理因素，能明显地影响海洋生物对污染物质的吸收和积累。⑥生物因素：能影响生物个体对污染物质吸收的因素很多，如年龄、体重、不同发育阶段、性别等。⑦食物链与生物富集：食物链和食物网是生态系统的基本营养结构，也是污染物在生态系统迁移和转化的重要途径，而污染物能否沿着食物链积累，取决于污染物在环境中是否比较稳定的，能够被吸收的，不易被生物体在代谢过程中所分解的。第26页,共48页，2024年2月25日，星期天27污染物进入水生生态系统后，直接和间接地接触各类水生生物，产生生物降解和生物积累的过程。

生物降解是指生态系中的生物能对天然的和合成的有机物质进行破坏和矿化作用的过程，主要有三个方面：①污染物和生物体某些成分结合（络合、螯合），不再参加代谢活动，使污染物失去或减轻毒性；②污染物在酶的作用下通过氧化、还原、水解、脱卤、芳环羟基化和异构化过程，使毒物的毒性降低，甚至彻底失去毒性；③生物通过分泌、排泄，把毒物排出体外。3.污染物在水生生态系统中的转化与降解第27页,共48页，2024年2月25日，星期天28微生物对天然的和合成的有机化合物进行生化分解，通过矿化作用和转化作用形成无机物(碳水化合物、水、硝酸盐、磷酸盐、金属氧化物等)微生物在转化过程中能够把所有的(天然和人工的)有机物转变为基础化合物(氨基酸、嘌呤碱、嘧啶碱、细胞基础代谢循环中的基质等几十种物质)，并从中得到主要的能量，这种转化称为预制代谢反应。通过转化作用改变和简化了有机物质的结构，这就是微生物的降解作用。3.1微生物的降解作用第28页,共48页，2024年2月25日，星期天293.2水生生物的降解作用2008年7月19日上午，由共青团天津市委、市水产局和今晚经济周报联合举办的“保护母亲河”海河水生生物增殖放流仪式在海河岸边举行。此次放流活动向海河投放鲢鱼160万尾，鳙鱼140万尾，共计300万尾，对水域生态环境修复将起到积极的促进作用。

第29页,共48页，2024年2月25日，星期天30重金属的生物转化：重金属污染物进入生物体后，在有关酶系统的催化作用下，改变其原来的理化性质，被称为生物转化作用。①汞的生物甲基化：金属汞和二价离子汞等无机汞，在微生物和其他生物的作用下，转化成甲基汞和二甲基汞。3.3几种典型污染物的生物转化和降解第30页,共48页，2024年2月25日，星期天31②其他一些重金属的生物转化：As对人和动物的中枢神经系统、大多数高等和某些低等生物均有毒性，无机离子亚砷酸(Ⅲ)的毒性要比砷酸盐(Ⅴ)大，挥发性三甲基砷[(CH3)3As]也有毒性。

单(双)甲基砷化合物三甲基砷化物无机砷酸盐二甲基砷酸盐青霉素菌甲烷杆菌第31页,共48页，2024年2月25日，星期天32石油的生物降解：很多水生生物都能够一定程度的降解石油烃，如藻类、水生植物、水生动物等，但主要的降解生物仍是细菌、真菌等微生物。微生物对石油烃的降解是在一系列酶的作用下完成的。①物理特性：液态芳烃在水烃界面时能被细菌代谢，但在固态时很难被利用。②化学特性：通常将石油分为饱和烃类、芳烃类、含氮、硫和氧以及沥青烯。这些组分的变化往往影响其生物降解的速率。第32页,共48页，2024年2月25日，星期天33③温度：烃类的降解活动有相当宽的温度范围，从0℃以下直到70℃均能发现：温度能明显地影响烃类的降解速率。温度可以直接影响微生物的生长和繁殖，又可以影响石油的理化性质。④营养盐：大多数学者认为，N和P是石油生物降解的限制因子，Floodgate提出了“氮需要量”的概念。⑤氧：尽管在厌氧条件下微生物也能降解烃类，但比在好氧条件下慢得多。⑥盐度、压力、微量元素、有机氯农药第33页,共48页，2024年2月25日，星期天34有机氯农药的生物降解：①DDT的生物降解：已有研究结果表明，微生物、藻类、浮游生物、脊椎动物和人都能不同程度地对DDT进行代谢。②代谢产物：DDT的主要代谢机制，是还原去氯，通过去氯DDT转化成DDD，这个机制是1963年Kallman和Andrew、用酵母进行试验首先发现的，次年，Barker也用实验证明了。第34页,共48页，2024年2月25日，星期天35③水生生物对DDT的代谢：Patil于1972年从海水、水表层膜和沉积物中分离出100株微生物，经试验其中有35株微生物能够降解p'p-DDT，主要产物是p'p-DDD。此后，不断有实验发现一些藻类、浮游生物、水生无脊椎动物和鱼类能代谢DDT。④六六六的生物降解：六六六在环境中的稳定性比DDT差，较易分解。六六六在环境中被迅速地降解，主要由于微生物作用的结果。第35页,共48页，2024年2月25日，星期天36污染物进入水生生态系统以后，势必参与其生物地球化学循环，存在于水生生态系统的各个组分中，对生态系统各组分产生影响（即生态效应）。当生物体内污染物积累到一定数量后，就会出现受害症状，生理受阻、发育停滞，甚至死亡，直到系统结构、功能受损、崩溃。4.污染物对水生生态系统的影响第36页,共48页，2024年2月25日，星期天371.对水生植物生长发育的影响：不同浓度的重金属离子(Hg、Cd等)对水生植物根生长产生明显的影响。凤眼莲和荇菜试验结果表明，低浓度(<0.005mg/L)时能够促进其生长，而后随其浓度的增高，根的生长量减少，增长率降低，断根增加，这种抑制作用主要是根尖生长点的细胞分裂受到抑制，最终导致生物产量的降低。4.1对水生植物的影响第37页,共48页，2024年2月25日，星期天382.对水生植物生理生化过程的影响：①对细胞膜透性的影响：细胞膜透性是评价植物对污染物反应的基本方法之一，实验表明，细胞外渗液电导度和钾离子浓度，均与水体镉浓度呈非常显著的正相关关系。②对光合作用的影响：镉对绿藻光合作用的影响非常显著，镉污染可以影响叶绿素含量，也可以引起色素比率的改变。第38页,共48页，2024年2月25日，星期天39③对呼吸作用的影响：污染物对水生植物呼吸作用的影响非常明显。重金属对呼吸作用的影响与其对呼吸酶的干扰有关，低浓度镉对酶活性的刺激是呼吸增强的原因，镉刺激三羧酸循环以产生能量，但随镉浓度增加，酶活性受抑，呼吸作用下降。此外，污染物还能影响植物体内的化学组成成分。如镉影响高等水生植物可溶性糖的含量。第39页,共48页，2024年2月25日，星期天404.2对水生动物的影响污染物会直接影响生活在湖泊、江河中的水生动物。第40页,共48页，2024年2月25日，星期天41重金属能严重影响和破坏鱼类的呼吸器官，导致呼吸机能减弱。三种有机氯农药可使鲶鱼的红血球和血红蛋白下降；对水鸟及哺乳动物的繁殖有严重的影响。某些污染物还能诱发动物癌症，如二甲亚硝胺喂虹鳟。污染物对动物生理的改变必将影响动物的繁殖，因而严重影响种群的延续。如巴伦支海和波地尼亚湾海豹繁殖率极低，育龄雌海豹怀孕率只有27%，体内PCBs含量较高是主要原因。第41页,共48页，2024年2月25日，星期天421.水体富营养化的概念：指水体接纳过量的氮、磷等营养物质，使藻类以及其他水生生物异常繁殖，水体透明度和溶解氧变化，造成水质恶化，加速水体老化，从而使水生生态系统和水功能受到影响和破环，严重的甚至发生“水华”。4.3水体富营养化第42页,共48页，2024年2月25日，星期天432.富营养化的危害：①水质恶化：水体中蓝藻和绿藻大量繁殖，浮游植物个体数剧增；水体中悬浮物数量增加；产生有异味