环境污染物在生态系统中的行为.ppt

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：环境污染概述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浓缩、积累和放大,一、环境污染概述,1.什么是环境污染（EnvironmentalPollution）？通常，环境污染主要指人类活动所引起的环境质量下降，从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自然突变或异常。2.环境污染的分类,3.环境效应环境污染所导致的环境变化环境生物效应：各种环境因素变化而导致生态系统变异的结果。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、光化学烟雾等。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、温室效应等。,自然来源（NaturalSource）:自然界向环境排放，如：活动的火山或矿床；,人为来源（ArtificialSource）:来自人类活动，影响范围广、危害大，如工业三废,4.污染源（PollutionSource）：造成环境污染的污染物发生源称之为污染源。,工业污染源农业污染源交通运输污染源生活污染源,按照人类社会活动功能划分,人为污染源：,炼油厂、造纸厂、各种金属冶炼厂、化肥、玻璃等厂烟雾、废水、废渣等,5.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。优先污染物（PriorityPollutant）：指在众多的污染物中筛选出的潜在危险性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。,小结,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,二、污染物在环境中的迁移与转化(一)污染物在环境中的迁移,1.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。2.污染物进入环境的途径包括：（1）人类活动过程中无意排放（2）工业三废（3）人类活动过程中故意应用注：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。,3.污染物在环境中的迁移方式,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、吸附解吸作用、水解作用、氧化还原作用、络合螯合作用（2）化学分解、光化学分解、生物化学分解生物迁移生物通过食物链对重金属的放大积累作用是典型表现例：水俣事件氯乙烯、醋酸乙烯等生产厂废水（汞）污染湖、海水鱼虾吸收汞甲基汞人类、动物食用污染鱼虾脑神经和末梢神经病症,4.影响迁移的因素（了解）：,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）,1.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：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2.几种重要的形态分类离子态（活性大，毒性强，易于迁移特点）代换态（物理化学作用下发生的同离子代换）胶体（气溶胶、水溶胶、固溶胶）有机结合态（生物吸收而积累的污染物）难溶态,3.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。,P32-34,污染物在水生生态系统中的分布,例：汞形态的分布,（三）污染物在环境中的转化（TransformationofPollutant）,1.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。转化的形式有三种：物理转化、化学转化、生物转化转化的结果（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)。,1）大气中的转化,2.转化途径,光化学烟雾实例,光化学烟雾形成过程,2）水体中的转化水体中的转化主要通过下列途径：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。配合作用无机配位体：OH、Cl、CO32-、HCO3等有机配位体：生物降解作用,3）土壤中的转化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。有机污染物进入土壤后，主要可能的途径：,被土壤颗粒吸收渗滤至地下水中随地表径流迁移至地表水中生物降解非生物降解挥发和随土壤颗粒进入大气被植物吸收进入食物链中富集或被降解影响因素：污染物自身的性质：亲水性、挥发性和稳定性土壤的组成和结构、土壤的温、湿度、酸碱性、透气性等土壤中微生物的状况,习题,1.解释概念环境污染，环境生物效应（举例说明），优先控制污染物，污染物形态，污染物迁移，污染物转化2.举例说明污染物在环境中的迁移方式和转化途径。,三、污染物在生物体内的生物转运和生物转化（一）生物转运,1.生物转运的概念（BiotransportorBiotransport）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。,2.污染物透过细胞膜的方式,被动转运,特殊转运,胞饮作用,3.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。,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。（3）皮肤吸收：如有机磷农药可透过完整皮肤引起中毒。,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；（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。4.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。5.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、汁液等排出体外。,（二）污染物在体内的生物转化,1.生物转化（Biotransformation）的概念生物转化:指外源化合物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。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。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。,2.生物转化的过程,过程I（相I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化学结构，形成某些活性基团如：OH、-SH、COOH、NH2或进一步使这些活性基团暴露。,过程II（相II反应）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应。,生物转化过程示意图,相I反应的主要类型：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相II反应的主要类型：结合反应：葡萄糖醛酸化、硫酸化、甲基化、乙酰化、甘氨酸结合,自学了解,小结,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。（物种差异和个体差异，性别、年龄、代谢酶的抑制、诱导等生理因素，生物体自身的营养状况）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。,四、环境污染物在生物体内的浓缩、积累和放大,（一)基本概念：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、生物学富集。生物浓缩系数KBCF（BioconcentrationFactor）KBCF某物质在生物体内的浓度/该物质在环境介质中的浓度生物积累（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。,P52,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。思考1：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题？思考2：生物浓缩、积累、放大三个概念的有何区别？有何意义？思考3：生物转运概念？污染物透过细胞膜的方式。,美国图尔湖和克拉马斯南部保护区内DDT对生物群落的污染,(二.)生物浓缩系数的测定,平衡浓缩系数：物质交换达到动态平衡时的浓缩系数。测定方法：优缺点实验室饲养法：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，更适合大个体生物影响因素生理因素：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,表：汞在水生物中的富集,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。,思考1：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题？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、具有亲脂性。思考2：三个概念的有何区别？有何意义？生物浓缩：C体内C环境生物积累：t（生长期），KBCF生物放大：营养级，KBCF,