污染生态学

第一节污染生态学的产生

 为了研究污染条件下生物受害的原因与防治措施，人们开始研究污染物在环境及生态系统中迁移转化规律，研究生物受害机制、净化机制，研究污染物沿食物链富集规律和人体受害原因，研究生物抗性形成原因和生物防治污染的工程措施等。

 在上述基础上，逐渐形成了一门新的分支学科—污染生态学。

第二节 污染生态的研究内容

➢ 生态学（Ecology）是研究生物与其环境之间相互关系的科学。 “Ecology”

来自希腊文“Oikos”(住所,栖息地)和“Logos”(学问，研究)，亦即生态学在创建之初就表达为研究生物有机体与其栖息场所之间相互关系的科学。

上述生态学的定义是德国生物学家赫克尔（Haeckel,1866）首次提出的。这是生态学至今最为全面的定义。但是首先使用“Ecology”一词学者是亨利.索瑞（Henry Thoreau,1858)

生态学是以生物个体、种群、群落和生态系统甚至是生物圈（Biosphere）作为它的研究对象。

生态系统的基本功能

 1 物质生产

包括初级生产和次级生产

相对应的是初级生产力和次级生产力

 2 物质循环

 3 能量流动

4 信息传递

 污染生态学（pollution ecology）

是研究生物与受污染的环境之间相互作用机理和规律的科学。也就是研究研究污染的生态系统的科学。

以生态系统理论为基础，用生物学、化学、数学分析等方法研究在污染条件下生物与环境之间的相互关系规律（王焕校，2002）。

 研究对象

是对生物种群、生物群落和生态系统的结构和功能造成严重影响的环境污染问题。

污染生态学是以生态系统理论为基础，用生物学、化学、数学分析等方法研究在污染条件下生物与环境之间的相互关系规律，以污染物在生物体内的生物过程为主线索、生物与污染环境之间相互关系为主要研究内容、生物抗性形成和生物防治为研究重点的边缘交叉学科。

污染生态学的主要研究内容1

 ①污染物在生物体内的积累、富集、放大、协同和拮抗等作用，以及污染物在生态系统中迁移、转化、积累及其规律。

 ②污染物对生态系统结构与功能的影响，建立各类生态系统模型，评价和预测污染状况和趋势，制定环境生态规划。

 ③环境污染的生物净化，包括绿色植物对大气污染物的吸收、吸附、滞尘以及杀菌作用，土壤植物系统的净化功能，植物根系和土壤微生物的降解、转化作用，以及生物对水体污染的净化作用。

 ④受污染环境质量的生物监测、生态监测和生物学评价等。

 ⑤将上述有关知识应用于环境污染的控制与治理。

主要研究领域：（一）污染生态过程

：（二）污染生态化学

三）污染生态修复与污染生态工程

第一章 污染物在生物体内的迁移规律

第一节 污染物的概念、性质及分类

一 、污染物的概念

 污染物是进入环境后使环境的正常组成发生直接或间接有害于生物生长、发育和繁殖的变化的物质。

 污染物有自然排放的、也有人类活动产生的。 环境科学研究的主要是人类生产和生活排放的污染物。

二、 污染物的性质

 （一） 一种物质成为污染，必须在特定的环境中达到一定的数量或浓度，并且持续一定的时间。

 （二）污染物会在环境中发生转化，即具有易变性

第二节 有关生物对污染物吸收、迁移的几个基本概念

一、 安全浓度

 生物与某种污染物长期接触，仍未发现受害症状，这种不会产生受害症状的浓度称为安全浓度（safe concentration）

二、 最高允许浓度

 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能力和生产没有发生明显影响的浓度，称为最高允许浓度（maximum allow concentration）

三、 效应浓度

 超过最高允许浓度，生物开始出现受害症状，接触时间越长，受害越重。这种使生物开始出现受害症状的浓度称为效应浓度（effective concentration）

 EC50、 EC70 、EC90 分别表示该浓度下有50%、70%、90%的个体出现特殊效应，即开始出现受害症状。

 四、 致死浓度

 当污染物浓度继续上升到某一浓度，生物开始死亡，这时的浓度称为致死浓度（lethal concentration），也称致死阈值。

 LC50、 LC70 、LC90 、 LC100分别表示该浓度下毒害致死50%、70%、90%、100%的个体的阈值。

污染物在环境中的迁移与转化

 迁移的定义：

迁移（transport）是指污染物在环境中发生空间位置和范围的相对移动过程

迁移的基本方式有三种：

 机械迁移

 物理－化学迁移

生物迁移

1 机械迁移

 根据机械搬运营力又可分为：

①水的机械迁移作用，即污染物在水体中的扩散作用和被水流搬运；

②气的机械迁移作用，即污染物在大气中的扩散和被气流搬运；

③重力的机械迁移作用。

2 物理－化学迁移

对无机污染物而言，是以简单的离子、络离子或可溶性分子的形式在环境中通过一系列物理化学作用，如溶解－沉淀作用、氧化－还原作用、水解作用、络合和螯合作用、吸附－解吸作用等所实现的迁移。对有机污染物而言，除上述作用外，还有通过化学分解、光化学分解和生物化学分解等作用所实现的迁移。

物理－化学迁移又可分为：①水迁移作用，即发生在水体中的物理－化学迁移作用；②气迁移作用，即发生在大气中的物理－化学迁移作用。

物理－化学迁移是污染物在环境中迁移的最重要的形式。这种迁移的结果决定了污染物在环境中的存在形式、富集状况和潜在危害程度。

3 生物迁移

污染物通过生物体的吸收、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，与各生物种属的生理、生化和遗传、变异等作用有关。某些生物体对环境污染物有选择吸取和积累作用（见生物积累），某些生物体对环境污染物有降解能力。

生物通过食物链对某些污染物（如重金属和稳定的有毒有机物）的放大积累作用（见生物放大）是生物迁移的一种重要表现形式。

迁移的制约因素

污染物在环境中的迁移受到两方面因素的制约:一方面是污染物自身的物理化学性质,另一方面是外界环境的物理化学条件和区域自然地理条件。

 内部因素 与迁移作用有关的污染物的物理化学性质主要是指组成该物质的元素所具有的组成化合物的能力、形成不同电价离子的能力、水解能力、形成络合物的能力和被胶体吸附的能力等。

 外部因素 影响污染物迁移的外部因素主要是环境的酸碱条件、氧化还原条件、胶体的种类和数量、络合配位体的数量和性质等。

污染物在环境中的转化

 污染物的转化是指污染物在环境中经过物理、化学或生物的作用改变其存在形态或转变为另外的不同物质的过程。污染物的转化必然伴随着它的迁移。污染物的转化可分为物理转化、化学转化和生物化学转化。物理转化包括污染物的相变、渗透、吸附、放射性衰

变等。

 污染物物理转化的结果是其存在物理形态发生变化或其微观结构发生变化。

 化学转化则以光化学反应、氧化还原反应及水解反应和络合反应最为常见。

 在大气介质中主要发生的是光化学反应和催化反应为主。

 多数的有机污染物在土壤中可以发生降解或形态转化。

 污染物在水中发生的化学转化形式多样。

 生物化学转化就是代谢反应。

 污染物通过相应酶系统的催化作用发生的转化称为生物转化。污染物的生物化学转化是有机污染物转化为简单有机物和无机物的最重要的过程之一。有时能得到对环境影响较小的物质或容易降解的物质，有时毒性会增大

 第三节 植物对污染物的吸收与迁移

一、 植物对污染物的吸收

 （一）植物对气态污染物的粘附和吸收

 气孔是叶片吸收污染物的主要部位。种类： 大气污染物：SO2、NOx、O3、F、飘尘与降尘

 过程： 1、黏附和吸收

2、气孔、皮孔进入。

二）植物对水溶态污染物的吸收

植物吸收污染物的主要器官是根。

 根主要吸收土壤溶液中矿物质及土壤胶体表面的可交换态重金属。此外，根部还能分泌出柠檬酸、苹果酸、葡萄糖酸等有机酸，溶解土壤中难溶性矿物质（包括重金属）以供吸收。

水溶态污染物到达植物根部的途径

污染物到达根表主要有2个途径：

1. 质流（mass flow):污染物随蒸腾拉力，在植物吸收水分时与水一起到达植物根部；这是污染物到达根部的主要途径。

2. 扩散：重金属的扩散一般遵循Fick定律。扩散作用很慢，只有靠近根部的重金属才能通过扩散作用到达根表。

到达根表的污染物不一定被吸收。吸收的污染物种类和数量取决于污染物、土壤与植物特性。

水溶态污染物进入细胞的过程：

1）细胞壁的吸附、非共质体沉积

 细胞壁是污染物进入细胞的第一道屏障。在细胞壁中的果胶质成分为结合污染物提供了大量的交换位点。

• 从溶液中吸收的Pb首先沉积在根表面，然后以非共质体方式扩散（非代谢性扩散）进入根冠细胞层。在根的成熟区域，在皮层细胞壁和表皮细胞壁都可发现Pb的沉积Pb首先被细胞壁吸附，与细胞壁上带有负电荷的“道南”牢固结合，达到平衡后，才有粗颗粒的Pb沿细胞壁的水分自由空间沉积、迁移。

2）穿过细胞膜，共质体迁移

 有的金属穿过细胞膜进入共质体，同过共质体迁移，

 当环境Pb浓度相当大时，也有部分细颗粒Pb透过细胞壁，穿过细胞膜进入细胞质。

污染物透过细胞膜的过程有被动转运和主动转运

• Pb主要以非共质体通道在玉米根内迁移

• Cd主要以共质体通道在玉米根内迁移

镉 (Cd)容易穿过细胞壁和细胞膜，进入细胞内。

大豆等植物中镉的亚细胞分布，大约70％的镉沉积

在细胞质部分，只有8％—10％结合到细胞壁及其他细胞器中 。

镉的可溶性成分所占比例最大，约为45％—69％， 铅则以沉积于细胞壁成分占绝大比例，可达77％一79％，可溶性成分仅占0．2％一3．8％

2 水溶态污染物进入细胞的过程

 穿过细胞壁

细胞壁中有大量的果胶质成分能结合污染物；

 通过细胞膜，目前认为有两种方式；

 1 被动的扩散，物质顺着本身的浓度梯度或细胞膜的电化学势流动；

2 物质的主动传递过程。

吸 收

污染物可通过各种途径透过生物机体的生物膜进人体液的过程称为吸收（uptake）

高等生物与低等生物之间，动物与植物之间在解剖及生理特征上相差很大，其吸收途径和方式也有很大差别。然而，不同生物的生物膜的基本结构是一致的，污染物的跨膜转运过程也大致相同。

Park 把细胞膜透过机制分为如下几类：

 1流动输送 水溶性和难脂溶性化合物的粒子直径在8.4nm以上就不能通过膜；

 2 脂质层受控扩散乳液中的脂溶性化合物通过与膜接触溶解在细胞膜中，借助扩散作用进入细胞内。

 3 媒介输送和能动载体输送 称为转运蛋白的物质充当载体进行输送。不需要能量的为主动运输；需要能量的为被动运输。

一）、被动转运

1、简单扩散（Passive transport)：

定义：生物膜两侧的化学物分子从浓度高的一侧向浓度低的一侧（即顺浓度梯度）扩散。

 影响因素：

➢ 浓度梯度；

➢ 脂溶性脂水分配系数；

➢ 化学物质的解离度和溶液pH：

2、滤过(Filtration)

定义：物质透过生物膜上的亲水性孔道的过程。

 驱动力：流体静压或渗透压；

 转运物质：分子直径<膜孔的物质

 影响因素：

➢ 膜孔大小:一般0.4nm；

➢ M<100-200的化合物可通过0.4nm孔

（二）特殊转运、

对于某些非脂溶性的、分子量较大的、不能通过被动转运方式转运的环境化学物质。

1、主动转运(active transport)

定义：化学物伴随能量的消耗,利用载体由低浓度处向高浓度转运以透过生物膜的过程

 驱动力：代谢能量

 特点：

➢ 需要有载体；

➢ 化学物质可逆浓度梯度转运；

➢ 载体具有一定选择性；

➢ 载体有一定容量；

➢ 相似结构底物可发生竞争性抑制

➢ 2、易化扩散(Facilitated diffusion)

➢ 定义：非脂溶性化学物，利用载体由高浓度处向低浓度处移动的过程，称为易化扩散，又称帮助扩散或载体扩散。

➢ 特点：

➢ 需要载体；

➢ 不消耗代谢能量。

➢ 具有一定的主动性和选择性，但因只能从高浓度处向低浓度处转运，故又属于扩散性质。

 二、污染物在植物体内的迁移

1 从根表面吸收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。

一般认为穿过根表面的无机离子到达内皮层的可能有两种途径：

 第一条为非共质体通道，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；

 道。

第二条是共质体通道，即通过细胞内原生质流动和通过细胞之间的细胞质通

污染物在植物体内的迁移

 第一阶段：将污染物吸附到根部细胞表面。

 第二阶段：污染物通过自由空间和内部空间进入木质部。

 第三阶段：污染物从导管周围的薄壁细胞进人导管。

 第三阶段：污染物沿导管向上部运输

叶片吸收的物质沿着韧皮部向下运输。 也有部分物质从韧皮部横向运输到木质部。

三、 植物的排泄

植物不像动物那样有专门的排泄系统，物质的排泄常常是以分泌的形式进行的。

同时，植物从环境中吸收大量外来物质经体内运输，会织器官。当这些外来物质的含量超过一定的限度，分布到某些组就会对该组织器官产生毒性作用，进而使其生长发育异常甚至死亡。如果这些组织器官是可再生的，植物体可以以离弃那些含有大量外来物质的组织器官，重新长出新器官的方式排出这些外来物质。

第四节 动物对污染物的吸收与迁移

一、污染物通过动物细胞膜的方式

 1 被动运输 简单扩散和滤过作用

 2 特殊转运 可以分为载体转运、主动运输、吞噬和胞饮作用。

 某些固态物质与细胞膜上某种蛋白质有特殊亲和力，当其与细胞膜接触后，可以改变这部分膜的表面张力，引起细胞膜外包活内凹，将固态物质包围进入细胞，这种方式称为吞噬作用；

 如吞食细胞外的微滴和胶体物质（即液态物质，特别是蛋白质）也可以通过这种方式进入细胞称为胞饮作用．

二、动物机体对污染物的吸收

 污染物的吸收（Absorption of Pollutant）：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。

 动物对污染物的吸收，一般是通过呼吸道、消化管、皮肤等途径。

（一） 经呼吸道吸收

1 、吸收特点：

 吸收的物质直接进入体循环并分布全身。

 吸收速度快。

2、对气态物质的吸收及影响因素

主要通过简单扩散方式吸收。

影响因素：

 分压差大吸收速度快；

 血/气分配系数：当肺泡和血液中气态物浓度达到平衡时，血液与肺泡空气中的浓度比。

系数高吸收速度快；

 溶解度和分子量：

脂溶性物质：脂/水分配系数；

非脂溶性物质：分子量大小。

 肺通气量和血流量：

脂溶性高的气体：通气量 吸收量 ；

脂溶性较小的气体：血流量 吸收量

3、对颗粒物的吸收：

 主要受颗粒大小的影响。

 进入呼吸道颗粒物的归宿：

➢ >10m，大部分沉积在上呼吸道；

➢ 5-10 m，大部分阻留在气管和支气管；

➢ 1-5 m，可到达呼吸道深部，部分到达肺泡；

➢ < 1m，在肺泡内沉积。

（二） 经消化道吸收

消化道是吸收污染物的主要场所。污染物主要由小肠吸收

1、消化道吸收特点：

 通过口腔粘膜吸收极少；

 胃内弱有机酸类物质易吸收；

 小肠：主要吸收部位

➢ 扩散吸收为主。吸收面积大，吸收有机碱类物质多。

➢ 滤过吸收M<100-200的物质；

吞噬和胞饮：肠胃道上皮细胞

2、影响消化道吸收的因素

① 消化道的多种酶类和菌丛：

② 肠胃道内容物种类数量、排空时间及蠕动状态：

化学物的溶解度和分散度

（三） 经皮肤吸收

皮肤通透性较弱屏障；

亲脂性高的化合物皮肤吸收全身性中毒

表皮；毛囊、汗腺及皮脂腺

表皮吸收主要方式：简单扩散。

三 污染物在动物体内的迁移和排出

直接粪便排出体外

污染物进入血液，输送到肝，肝脏解毒，胆汁排出，粪便排出体外

血液中污染物经过肾脏，部分污染物进入尿液排出。

其他的途径。

（一） 经肾随尿液排出

（二） 经肝脏排出

（三） 经呼吸道排出

其它途径排出 乳汁：有机碱、亲脂性有毒物

唾液、汗液、头发等

第五节 微生物对污染物的吸收

 一、微生物细胞吸收污染的机制

污染物连接到微生物细胞壁上有三种作用机制：

离子交换反应；

沉淀作用；

络合作用。

 二、影响微生物吸收污染物的因素

培养液的pH、培养时间、污染物的浓度、培养的温度都能影响微生物对污染物的吸收

第六节 影响植物吸收、迁移污染物的因素

影响因素主要有：

植物种的生物学、生态学特性；

污染物的种类、形态；

外界的环境条件

等。

一、 植物种的生物学、生态学特性

（一）不同植物种对污染物的吸收、积累的影响，

超富集植物具有大的利用价值。

二）不同的生态型

（三）不同部位（同一植物

四）不同的生育期（同一植物）

二、污染物的种类及其形态差异

 重金属的种类、价态

 植物对不同种类农药的吸收能力不同

三pH

四、氧化还原电位

五、土壤阳离子交换量

六、污染物间的不同效应

 1、相加作用

相加作用是指多种化学污染物混合所产生的生物学作用强度等于各化学污染分别产生的作用强度的总和.

作用公式：M=M1+M2

 2、协同作用

协同作用是指两种或两种以上化学污染物同时或数分钟内先后与机体接触,其对机体产生的生物学作用强度远远超过它们分别单独与机体接触所产生的生物学作用的总和.

作用公式：M>M1+M2

 3、颉抗作用

颉抗作用是两种或两种以上的化学污染物同时或数分钟内先后输入机体,其中一种化学污染物可干扰另一化学污染物原有的生物学作用,使其减弱,或两种化学物相互干扰,使混合物的生物作用或毒性作用的强度低于两种化学污染物任何一种单独输入机体的强度.

作用公式：M 4、独立作用

独立作用是指多种化学污染物各自对机体产生毒副作用的机理不同,互不影响.

七、土壤的性质影响

1、影响离子存在的状态

2、不同土壤对离子的吸附不同

3、金属离子形成有机鳌合物后，植物对它们的吸收主要取决于所形成整合物的溶解性