环境污染及其生态效应.ppt

第三章 环境污染及其生态学效应,1 概述 1.1 环境污染 1.2 污染源 1.3 污染物与污染类型 1.4 水污染 2 有机污染及其生态学效应2.1 好氧有机物污染 2.2 合成有机物污染 2.3 石油污染 2.4 酚类污染 3 无机污染及其生态学效应3.1 重金属污染 3.2 非金属污染,1 概述 1.1 环境污染（Environmental Pollution）,当环境条件发生突变或在环境中引入生物难以忍受的物质时，生态系统本身不能取出这些影响，生态平衡被打破或扰乱的现象。 即：有害物质在环境中扩散、迁移、转化，使生态系统的结构与功能发生变化，并对人类及其他生物产生不利影响。 四大危机、三大问题。 环境污染问题，由来已久。 二十世纪五十年代，工业化、城市化，公害事件。,1.2 污染源（Pollution Source） 是造成环境污染的污染物发生源，亦即污染物质的来源。 泛指：产生污染物质的区域、场所 具体来说：特定的设备、装置 1 工业交通污染源 废气、废水、废渣、余热、噪声、振动、泄漏、辐射等 2 农业污染源 农药、化肥、地膜、病原微生物、水土流失等 3 生活污染源 废气、废水、废渣、日用化学品等 4 特殊污染源 核工业、医疗卫生业等 5 二次污染 大气飘移、水的流动 6 自然污染源 火山、火灾、风化、滑坡与泥石流等,1.3 污染物与污染类型 污染物（Pollutant）：造成环境污染的所有物质的总称。 1 按污染环境性质 大气污染 Atmosphere Pollution or Air Pollution 土壤污染 Soil Pollution 水体污染 Aquatic Pollution 2 按污染物来源 自然污染物 自然环境本身造成的 人为污染物 生产性、生活性 3 按污染物性质 化学污染、物理污染、生物污染,4 按污染物形态 气体、液体、固体 5 按污染物理化性质变化 一次污染、二次污染 6 按污染物的性质，从生态系统着眼 非降解性污染物（Non-degradable Pollutants）：在自然界不能降解或降解缓慢的污染物质。 包括重金属盐类、石油化工产品、塑料橡胶制品、部分农药等。 生物降解性污染物（ Bio-degradable Pollutants）：生态系统自身能够分解的污染物质。 包括食品工业废水、生活污水、生活垃圾等,1.4 水污染 水污染（Aquatic Pollution）：污染物质进入水体使水质变坏、恶化，并使水的用途受到不良影响的现象。 结果：改变了水的化学组成、物理性质 使水生生物种类组成、种群数量发生明显变化 1.4.1 水资源（Water Resources）,图1.1 海洋水、内陆水比例,图1.2 内陆水分布,据测算，全球总水量约为 13.86108 km3，淡水资源总量仅有0.35108 km3，但加上浅层地下水，人类可开发利用的淡水资源仅有 0.1065108 km3。 我国水资源总量约为 0.027108 km3，居世界第六位； 但是人均占有量仅及世界的 1/4，居世界第八十八位。 再从河流总径流量看： 全球总径流量 4.7104 km3 人均占有 7800 m3 我国 2700 2250 占世界的 2/35 2/7 我国是世界上 13 个贫水国之一。 仅农业每年就缺水 300108 m3，受旱农田 1300-2000104 ha； 300 多个城市缺水，缺水量达 58108 m3 。,1.4.2 水污染概况 国际水污染的典型案例莱茵河 全长 1320 km，流经瑞士、法国、德国、荷兰 上游，瑞士境内，能见度 3 m ； 到达德、荷边境，能见度仅 50 cm 。 混入各种有机化合物 30 余种，水生生物几近灭绝。 美国，河流总长 42104 km ，被污染 12104 km 密西西比河，杀虫剂、氧化物、酚、砷、汞等应有尽有-“毒河” 伊利湖，接纳污水 740104 t/d “死湖”,我国水体污染问题日益严重。 1985年，排放污水 342108 t，工业废水 265108 t，处理率 2% 2000年 415 194 82% 2002年 440 207 武汉市 2002年 7 3.5 27.2% 由于大量污水未经处理或仅经过简单处理就直接排放，导致全国 1/3 以上河流受污，90% 以上城市水域严重污染。 全国有监测的 1200 多条河流，850 条受污，5322 km 鱼虾绝迹； 27 条主要河流，15 条严重污染； 长江接纳的污水更是达到其流量（31060 m3/s）的 1.2%。,2 有机污染及其生态学效应,2.1 好氧有机物污染物 生物尸体、污水或有机垃圾中的营养物质 有机肥料；过肥 水体富营养化（Eutrophication）：水流缓慢或更新期长的地表水，由于接纳了大量的氮、磷等营养物质及淤积作用的影响，水体容积减小、氧气条件恶化、生源物质数量增多，从而水质由瘦变肥，生物总量增加，但许多典型清水种类从生物区系中消失生物多样性下降，并最终导致鱼类及其它水生生物的大量死亡。,2.2 合成有机污染物 主要有两大类：有机农药、多氯联苯 2.2.1 有机农药 化学农药的使用，挽回了大量的粮食： 全球粮食总产量的 15%； 我国 7% 左右，棉花 18% 但是，寂静的春天（Rachel Carson）正在向全球蔓延 有机磷农药：易降解，一般不会形成污染 有机氯农药：难降解，极易富集。 二十世纪 30 40 年代广泛应用 八十年代中前期开始禁产、禁用,农药的生态效应： 1 对食物链的影响 去除食物链的某一环节，使前一环节生物大量繁殖，从而引发生态系统的一系列变化。 六六六、1605 防治水稻螟虫 杀死蜘蛛 飞虱爆发 鱼藤酮杀死鱼类 2 6 周内水生昆虫大量增加 2 对生物种群的影响 使用毒死蜱控制蚊子 浮游甲壳动物减少、浮游植物“开花” 敌草隆的降解产物抑制亚硝化细菌 氟禾灵抑制大豆根瘤菌的形成 施用西玛津 4.5 9 kg/ha 除草，土壤中无脊椎动物数目可减少33 50%；施用农药较多，蚯蚓死亡率可高达 90%。,2.2.2 多氯联苯（PCB） 由 Cl- 取代苯环上的 H+ 形成联苯，自然界不存在： 1 不燃烧，绝缘、绝热性能好 2 与塑料的混合性能良好 3 结构稳定、难降解，耐酸、耐碱、耐腐蚀、耐风化 4 微溶于水，易溶于脂肪、烃类溶剂 因此，广泛应用于绝缘油、热介质、特殊润滑油、可塑剂、涂料及复写纸等的制造中。 在生产、加工、使用、存储、废弃物燃烧过程中会挥发并积蓄在空气、水和土壤中。 据估计，海洋、土壤和大气中存在的总量高达 2530 万 t。,多氯联苯的生态效应： 1 对水生生物的作用 含氯 42% 的氯代联苯，10-25 ug/L，影响硅藻 RNA 的合成 对牡蛎，0.001 mg/L 抑制 19% 0.01 41% 0.1 100% 2 对人体健康的影响 最早的 PCB 中毒事件是 1968 年的日本米糠油事件。 对其中的 13 个孕妇的观察，活产 11 胎、死产 2 胎。 活产的 11 胎中，全部皮肤颜色异常、眼分泌物增加、个体小。,2.3 石油污染 “四油三途径”：原油、汽油、煤油、柴油 生产、运输、使用 石油及其制成品对生物来说，大多有毒，但主要是饱和烃类和芳香烃类。 小分子饱和烃：沸点低、毒性大。甲烷：-161，乙烷：-88 大分子饱和烃：沸点高、部分有毒性 稠环芳香烃：毒性大，致癌。萘、蒽、菲。备受关注 毒性顺序：烷烃 环烷烃和烯烃 芳香烃 己烷 己烯 环己烷环 己烯苯 苯 二甲基苯 三甲基苯 形成油膜、致畸、异味,2.4 酚类污染 地表水“五毒之首”：酚、氰、汞、砷、铬。 低沸点的挥发性酚：单元酚苯酚、间甲酚、银甲酚、对甲酚、二甲酚等 低沸点的非挥发性酚：多元酚苯二酚、联苯三酚等 工业废水中含苯酚较多，含量变化较大，在 180000 mg/L之间，因此，测定指标常用挥发性酚。 对植物，由于解毒作用，毒性较小，适量无害有益，刺激生长； 过量则破坏膜的透性、可食部分有异味等 对动物，0.1 0.2 mg/L 时，鱼肉有异味； 性腺吸收比肌肉快； 20 mg/L 时，胚胎致畸率 30% 左右,3 无机污染物,分为两大类：重金属和非金属 3.1 重金属 重金属的范围很广，一般认为比重大于 5（约 45 种）或 4（约60 种）或者原子序数大于 20 即是重金属。 包括锌、铜、钴、镍、锡、铝、铁等常见元素，是微量元素。 引起污染的主要是指汞、镉、铬、砷、铅等剧毒元素。 其特点是：稳定性、累积性； 不易降解，易发生形态转化。 作用机理： 与 NH2、-NH、-SH 等亲核基团（提供电子）发生作用。,3.1.1 汞（Hg） 3.1.1.1 存在形式 单质汞：Hg+、Hg2+ 无机汞化合物：Hg2Cl2、HgCl2、HgO、HgCl3- 高 pH 时，为 Hg(OH)+、Hg(OH)2、Hg(OH)3- 有机汞化合物：CH3Hg+、(CH3)2Hg、C6H5Hg+ 3.1.1.2 转化 络合反应：,X能提供电子对的原子或基团（如：Cl-、OH-）,甲基化：,或者,3.1.1.3 汞的循环特点 1 只有 Hg2+ 才能甲基化，需要微生物参与，是生物化学反应。,2 pH值对甲基化过程有重要影响，最佳为 4.5，较高的pH值有利于二甲基汞的形成，不同条件下可相互转化。 3 甲基汞易溶于水；pH值较低时，甲基汞的积累比二甲基汞要快 6000 倍。 4 二甲基汞具有挥发性，挥发到空气中后，受紫外线辐射，分解为单质汞和甲基，甲基则生成甲烷或乙烷。 5 汞和甲基汞的生物浓缩系数为 500010000 倍。 日本水俣病。,3.1.2 镉（Cd） 镉为相对稀有的金属，在自然界不单独存在，总是与铅锌矿、铅铜锌矿共存。 3.1.2.1 存在形式 Cd2+、Cd(OH)+、Cd(OH)3-、CdCl+、Cd(OH)2Cl- 与汞类似，大部分被腐殖质吸附，沉积在底泥或悬浮物中。 3.1.2.2 转化,在海洋中，由于 Cl- 竞争力比 OH- 强，所以主要形成 CdCl20 和CdCl3-。 日本富山骨痛病（痛痛病）。,3.1.3 铬（Cr） 3.1.3.1 存在形式与含量 微量元素，广泛存在。常见为 Cr3+、Cr6+，常见化合物有： Cr2O3、CrO3、CrCl3、Na2CrO4、K2CrO4、NaCr2O7、KCr2O7 海水：日本海 0.040.07 英格兰 0.130.25 ug/L 美国 15 条河流 110 ug/L 爱尔兰 0.46 低层大气：0.32 mug/m3，平均为 1 mug/m3 土壤：较高，变动大，约为 53000 mg/kg，平均为 100 mg/kg,3.1.3.2 转化,3.1.3.3 生态效应 1 生理作用 Cr3+，微量元素，成年人摄入量为 510 ug/day。 人体缺铬时，易诱发糖尿病、高血糖症胰岛素转化效率低； 可能诱发冠心病死者主动脉检不出铬 2 铬中毒 通常 Cr6+ 有剧毒， Cr3+ 毒性低，相差约 100 倍。 重铬酸盐对人的致死剂量为 3 g. 空气：2.54 ug/m3，有感觉；1024 ug/m3 ，强烈刺激。 水：1 mg/L，Cr6+ 污染的井水，有一家人饮用三年，无反应； 2.53.5 mg/L，发现有一定影响。,3.1.4 砷（类金属，As） 3.1.4.1 存在形式与含量 大多以化合物，即砷酸盐获亚砷酸盐的形式存在：H3AsO4、H2AsO4-、HAsO42- 及 H3AsO3、H2AsO3- 等。 含量：大气 城市平均 0.7 ng/m3，原油最高可达 140 mg/m3 水 海水 23 ug/L，淡水 1 ug/L 左右 温泉较高，日本平均 0.3 mg/L，最高 5.1 mg/L 土壤 全球平均 5 mg/L 前苏联 3.6 mg/L（110） 美国 7.5 mg/L（120） 日本 24 mg/L（851）,3.1.4.2 转化 水体中砷的转化，依赖于 pH值、Eh。 D.O. 饱和时， H3AsO4、H2AsO4-、HAsO42-及AsO43- 比较稳定； 中等状态时，H3AsO3、H2AsO3-、HAsO32- 比较稳定。 砷与铁之间有很强的亲和力。 砷酸、亚砷酸都能被氧化铁吸附而沉淀。 环境中 Eh 的下降、pH 值的升高，可显著提高砷的水溶性。 在低 pH 条件下，HAsS2 为主要的硫化物存在形式； 在低 Eh 条件下，以 AsH3 的形式存在。,3.1.4.3 生态效应 1 富集作用 海洋生物比淡水生物富集能力强 水生植物比水生动物富集能力强 海洋：动物 964100 淡水：动物 330 植物 5071000 植物 120000 2 砷中毒 As3+ 对 -SH 的亲和力比 As5+ 要高约 60 倍 1956年日本“森永奶粉事件”：遍及 27 个都道府县 中毒 12131 人，死亡 130 人 3 致癌、致畸、致突变,3.1.5 铅（Pb） 3.1.5.1 存在形式与分布 自然界的铅可广泛地与各种无机、有机酸结合形成铅盐。 仅有 Pb(C2H3O2)2、Pb(ClO3)2、Pb(NO2)2、PbCl2 等几种易溶于水，其它各种铅盐都难溶或不溶于水。 大气：远离人类活动地区 0.00010.001 ug/m3 美国、日本大城市 5 ug/m3 水：全球地面水平均 0.5 ug/L，地下水 160 ug/L 土壤：远离人类活动地区 525 mg/L，全球平均 1520 mg/L 冶炼厂附近可达 1000 mg/L 矿区附近严重污染区可达 5000 mg/L,3.1.5.2 迁移转化 在水体中，铅的含量主要受 CO32-、SO42-、OH-、Cl- 等含量的影响，即溶解作用与络合作用的影响。 在自净作用过程中，主要是悬浮物和底泥的吸附作用。 在土壤中，存在着阳离子交换复合体的吸附作用、植物体的吸收作用。 pH 值的降低，使固态的铅盐转化为溶解态； 土壤的负电性、Pb 及阳离子交换复合体的离子势对吸附作用影响较大。 在微生物作用下，可甲基化生成四甲基铅。 3.1.5.3 生态效应 造血、神经、肾脏；致癌、致畸、致突变。,3.2 非金属 包括氰化物、硫化物、碳氧化合物、氮氧化合物、氮和磷、氟化物等等非金属元素及其化合物。 3.2.1 氰化物（CN-） 3.2.1.1 存在形式及来源 最常见的是单氰化物中的 NaCN、KCN、HCN，剧毒。 来源：Zn 型电镀液（NaCN） 含量 80120 g/L Cu 型 1218 Ag 型 4060 其废水中含量为：2070 mg/L，经常为：3035 mg/L； 焦炉、高炉冷却水与废水； 选矿和化工废水等等。,3.2.1.2 迁移转化,在水体自净过程中，前者占 90% 的净化量，后者仅占 10%。 络合作用 用铁矾（FeSO4）处理含氰废水，生成亚铁 氰化物； 电镀废水中多以氰合锌络离子、氰合铜络离子存在。 氰合锌络离子不太稳定，易生成氢氰酸； 氰合铜络离子比较稳定，难以分解。,3.2.1.3 生态效应 1 对人的毒性 在血液中，与铁结合，中断还原反应； 在神经系统，中枢受损，呼吸中枢最敏感。 慢性中毒吸入性中毒 2 对鱼的毒性 CN- 的致死剂量为 0.30.5 mg/L 单氰、无机氰毒性大 3 对农作物的影响 不明显，食用后，可能不好,3.2.2 硫化物（S2-） 常见硫化物主要是：FeS、CuS、SO2、H2S等。 在水体中，在低 pH 条件下，金属硫化物离解，生成 H2S； 在大气中， SO2 通过氧化作用形成酸雨。 氟：过剩斑釉齿、氟骨病，不足龋齿 碳氧化合物：CO 中毒、CO2 与温室效应 氮氧化合物：臭氧层破坏（包括氟氯甲烷、四氯化碳等）； 酸雨,复习思考题： 1 污染与公害 2 水体富营养化 3 污染的生态效应,