环境生物学课件及教案第一章

第一篇环境污染的生物效应第一章环境污染物在生态系统中的行为本章将讨论以下内容：心污染物在环境中的迁移与转化心污染物在生物体内的生物转运和生物转化心污染物在生物体内的浓缩、积累和放大心生物对污染物在环境中行为的影响1环境污染物在生态系统中的行为心什么是环境污染（EnvironmentalPollution）？•通常，环境污染主要指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。而自然过程引起的同类现象称为。按污染物性质生物污染化学污染物理污染按污染物形态废气污染废水污染固体废弃物污染辐射污染环境效应——环境污染所导致的环境变化心环境生物效应：指各种环境因素变化而导致生态系统变异的结果。心环境化学效应：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、光化学烟心环境物理效应：物理作用引起的环境效果。如热污染、噪声污染等。心交通运输污染源污染物的（Natural放，如：活动的火山或矿床；响范围广、危害大，如工业三废•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。心生产性污染物和生活污染物心一次污染物和二次污染物：•二次污染物是指进人大气的一次污染物之间相互作用或一次污染物与正常大气组分发生化学反应，以及在太阳辐射线的参与下引起光化学反应而产生的新的污染物，它常比一次污染物对环境和人体的危害更为严重。心优先污染物（PriorityPollutant）：•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：有毒有机化学污染物、生物难降解性物质、具有生物积累性、三致性的污染物环境污染的特点：心污染物浓度低、情况复杂心污染容易、治理难1.2污染物在环境中的迁移与转化1.2.1污染物在环境中的迁移.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。心污染物进入环境的途径包括：.（1）人类活动过程中无意排放.（3）人类活动过程中故意应用.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（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★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：.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。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1.2.2污染物的形态和分布（Formand•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•有机结合态污染物的分布定义：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：汞形态的分布1.2.3污染物在环境中的转化（TransformationofPollutant）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。物理转化：化学转化生物转化两种可能：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心大气中的转化：以光化学氧化、催化氧化反应为主心例一：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)。心例二：酸雨（AcidRain）图1－2光化学烟雾实例NO2O3+NONO2O3+NO→NO2+O2O3+HC→↓醛类及其它氧化物紫外光NO太阳汽车排气紫外光 HC 氧化产物聚合与核长大气溶胶光雾O3NO2（微量）刺激眼睛刺激眼睛醛类醛类OO3复杂的有机化合物复杂的有机化合物NONO2HC+O2+NO2+UV↓ 刺激眼睛伤害植物伤害植物刺激眼睛刺激眼睛伤害植物图1－4酸沉降形成示意图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。水体中的转化主要通过下列途径：•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。•有机配位体：•土壤是环境中微生物最活跃的场所，故生物降解起重要作氧垂曲线（OxygenSagCurve）•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。心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1.2.4污染物的生物地球化学循环心生物地球化学循环的概念指生物的和所引起的污染物周而复始的循环运动过程。注：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。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。1.3污染物在生物体内的生物转运和生物转化心生物转运（Bio－transportorBiotransport）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•一般细胞膜由蛋白质分子和脂质分子（主要是磷脂类）组成污染物透过细胞膜的方式浓度梯度有无载体是否耗能其它特点简单扩散无否脂溶性有机化合物的主要转运方式滤过过程通过膜上的亲水性孔道主动转运低浓度高有水溶性大分子化合物有否胞饮作用吞噬作用内吞物质为固体物质表1－1污染物透过细胞膜的方式污染物的吸收（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的过程。心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.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.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。（3）皮肤吸收：如有机磷农药可透过完整皮肤引起中毒。（1）根部吸收以及随后随蒸腾流而输送到植物各部分；（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；（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.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。.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。.排泄的主要途径是通过肾脏进入尿液和通过肝脏的胆汁进入粪便，有的环境污染物还可随同呼出的气体、汁液等排出体3.2污染物在体内的生物转化心生物转化（Biotransformation）的概念•生物转化指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。（Xenobiotic.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：指生物机体正常的生理活动产生的物质。注3：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，包括蛋白质和核注4：生物转化的主要场所是肝脏，其它有肺、胃、肠、皮肤等。生物转化的过程•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外源性化合物过程I（相I反应）毒害作用一级代谢物排出体外毒害作用一级代谢物过程II（相II反应）结合产物（二级代谢物）图1－5生物转化过程示意图氧化反应：微粒体混合功能氧化酶参与的反应，例如脂肪族羟化非微粒体反应还原反应：微粒体还原非微粒体还原水解反应微生物对生物外源性物质的转化作用心微生物对生物外源性物质的转化主要有以下几种形脱卤（主要是脱氯），如DDT的脱氯还原，将生物外源性物质上的取代基，特别是硝基，进行还原；水合反应，如对有机氰的水合反应，形成无毒的含氮有机化合物图DDT的微生物转化TNT的微生物转化影响生物转化的因素.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.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。.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心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还原或水解反应，此后又可继续进行不同类型的结合反应。心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微生物所降解的化合物。.增毒作用（活化）：使其毒性增加1.4环境污染物在生物体内的浓缩、积累和放大基本概念：心生物浓缩（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、生物学富心生物浓缩系数KBCF（BioconcentrationFactor）•KBCF＝物质在生物体内的浓度/物质在环境介质中的浓度心生物积累（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，又称生物学积累。心生物放大（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。心思考：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•这正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、具有亲脂心思考：三个概念的有何区别？有何意义？生物积累：t（生长期KBCF生物积累：t（生长期KBCF生物放大：营养级，KBCF生物浓缩系数的测定心平衡浓缩系数：物质交换达到动态平衡时的浓缩系实验室饲养法：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理因素：如生物的生长、发育、大小、年龄环境因素：如污染物的浓度、化学形态、环境温度、pH值、光照条件及季节生物类型浓缩系数食肉娃鱼1-210000-200000.1-0.31000-3000低等动物生物浓缩机理和浓缩模型VTCTK2CT图1－6生物体某一组织生物浓缩的机理模型dcTdtV(cBi-cBo)-VTdcTdtBi-cBo)(1-eK2t)cTBi-cBo)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。影响生物浓缩的因素心污染物浓度和作用时间1.5生物对污染物在环境中行为的影响1.5.1生物污染（BiologicalPollution）心环境中的病原微生物（PathogenicMicroorganism）例如：沙门氏菌、霍乱弧菌、肠道病毒等•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。心微生物代谢产物产生的污染•硝酸和亚硝酸•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。？？•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pH<3.5时，铁细菌即氧化亚铁硫杆菌可催化铁的氧化，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。•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。•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1.5.2金属的生物转化.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。.微生物对金属的毒性转化，主要是和。.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、碘化汞外几乎均可溶解.有机汞：汞易和有机基团形成化合物，通常是以共价键连接在碳原子上形成有机汞。.难溶的汞——生物吸收困难，毒性很小.易溶的汞——容易吸收，毒性很强（其中甲基汞的毒性最强）.毒性体现：生物的神经系统受到伤害，神经麻痹以致引起死.实例：日本的水俣湾甲基汞中毒事件就是典型的汞污染事件。这类汞中毒一般都不是通过直接饮用水被汞