污染生态学

第一章绪论

1、污染生态学的定义

污染生态学是以生态学(ecology)的理论为基础，采用生物学、化学、数学分析等手段，研究污染条件下生物与环境之间的相互关系。

2、污染生态学的研究内容和任务

它研究的主要内容涉及以下几个方面：

▲生物受污染后的受害程度，确定生物接受污染的阈值(threshold)，建立环境监测、生物指示、评价；

▲研究生物对污染物的吸收，污染物在生物体内的转移、积累、富集和降解规律(absorption***)；

▲采取生物净化污染的有效措施(bioremediation)；

3、污染生态学的研究方法

4、当前污染生态学学科前沿

目前,污染生态学研究表现出全方位、多视角的综合研究特征：

复合污染生态,根际微环境研究独具特色；

向宏观和微观两极分化，；

污染物在生物体内行为特征，生态风险与生态毒理研究受到普遍关注；

污染生态系统的生物修复与污染生态工程，开始在实验室小试及中试水平上得到试验应用。新材料、新化合物的污染生态效应得到密切关注

与食品安全、生物安全和生态安全的联系更紧密

污染条件下生物的适应与进化。

我国污染生态学的优先研究领域

第二章污染物在环境中的迁移转化

1、污染物的定义，性质，如何分类

污染物：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。

污染物的性质：（1）在特定环境中达到一定的数量和浓度，并且持续一段时间

（2）在环境中发生转化，具有易变性

污染物的分类：

1. 按来源分：自然来源污染物（火山喷发、山林火灾、海啸等）

人为来源污染物（工业污染物、农业污染物、生活污染物）

2. 按受污染的环境要素分：大气污染物、水体污染物、土壤污染物

3. 按污染物形态分：气体污染物、液体污染物、固体污染物

4.按污染物的性质分：化学污染物、物理污染物、生物污染物

5.按污染物的物理、化学性状变化：原发性污染物、继发性污染物

此外，强调某些污染物对人体的有害作用，还可划分出致畸物、致突变物和致癌物等。

根据污染物浓度、出现频率和毒性可将污染物分为一般污染物和优先控制污染物。

2、POPs，PTS，EEDs，PBTs几个概念的联系与区别

持久性有机污染物（persistent organic pollutants, POPs)：指一类具有半挥发性、难降解、高脂溶性等理化性质，可进行远距离甚至全球尺度的迁移扩散，并通过食物链在生物体内浓缩积累，对人体和生态环境产生毒性影响的有机污染物。如DDT、PCB等。主要特点：持久性、生物累积性和长距离运输和生物毒性。

首批列入《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》受控名单的12中POPs为有机氯杀虫剂（DDT，氯丹，灭蚁灵，艾氏剂，狄氏剂，异狄氏剂，七氯，毒杀芬），工业化学品六氯苯和多氯联苯，以及工业生产，燃烧过程产生的二噁英，呋喃。

持久性有毒物（persistent toxicity substances，PTS）：包括POPs和重金属两大类。

环境内分泌干扰物（environmental endocrine disruptors, EEDs），又叫环境激素，指那些由于人类活动而释放到环境中，且能干扰生物体正常激素功能，引起内分泌紊乱，使生殖机能失常的化学物质，也称为环境荷尔蒙，外因性内分泌干扰物质。包括二噁英，DDT，PCBs，汞，镉，苯乙烯等。

持久性生物累积性有毒污染物（persistent bioaccumulative and toxic chemicals，PBTs）：特别强调了物质的生物累积性。

挥发性有机物（volatile organic compounds，VOCs)：室温易挥发的化合物。

优先污染物（Priority Pollutants）：由于有毒物质品种繁多，不可能对每一种污染物都制定控制标准，因而在众多污染物中筛选出潜在危险大的作为优先研究和控制对象。

1988年我国初步提出水中优先控制污染物有14类：挥发性卤代烃，苯系物，氯代苯类，多氯联苯，酚类，硝基苯类，苯胺类，多环芳烃类，酞酸酯类，农药，丙烯醛，亚硝胺类，氰化物，重金属及其化合物。

3、污染物的迁移，迁移的方式？

污染物的迁移(Transport)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、消失过程。

1. 机械迁移mechanical migration

（1）气的机械迁移作用(wind)：污染物在大气中的扩散作用和被气流搬运。

（2）水的机械迁移作用(water)：污染物在水体中的扩散作用和被水流搬运。

（3）重力的机械迁移作用(gravity)：污染物和它的搬运载体在重力作用下的迁移运动。

2. 物理—化学迁移physicochemical transport

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。(dissolving-precipitation, oxidation - reduction, hydrolysis, the complexing and chelation and adsorption - desorption effect)

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。

3. 生物迁移biogenic migration

生物迁移是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，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）的放大积累作用是生物迁移的一种重要表现形式。

4、污染物的转化，转化的方式？

污染物在环境中的转化（Transformation）污染物在环境中通过物理的、化学的或生物的作用改变形态(phase transition)或转变成另一种物质的过程(the conversion of a substrate to a product)。

污染物的转化与迁移不同，迁移只是空间位置的相对移动。不过环境污染物的迁移和转化往往是伴随进行的。

各种污染物转化的过程取决于它们的物理化学性质和所处的环境条件。

大多数情况下，污染物的化学转化是主要的、大量的。

环境污染物转化的形式(different forms of pollution transformation)

污染物的物理转化可通过蒸发、渗透、凝聚、吸附以及放射性元素的蜕变等一种或几种过程来实现(physical transformation)。

化学转化在环境中比物理转化更为普遍。污染物的化学转化以光化学氧化、氧化还原和络合水解等作用最为常见(chemical conversion, photochemical degradation, oxidation - reduction, complex-hydrolysis)。

生物转化是污染物通过生物的吸收和代谢作用而发生的变化。污染物在有关酶系统的催化作用下，可以通过各种生物化学反应过程改变它的化学结构和理化性质(biotransformation )。

第三章生物对污染物吸收和迁移

1．简述植物对水溶态污染物的吸收过程

植物对水溶态污染物的吸收（主要是根）

根尖是根部吸收环境化学物质的主要部位，其中根毛部是根部吸收最活跃的区域。

根部对土壤溶液中离子的吸收过程可分为以下几个步骤：

（1）离子吸附到根细胞表面质体流途径，扩散途径

而对于某些离子，如重金属，在土壤中的扩散能力有限，移动速度Zn离子100d移动的平均距离为0.72mm，Mn离子100d移动的平均距离为7.2mm，因此只有靠近根部的重金属才能通过扩散作用到达根的表面。质体流途径是主要途径。

根部细胞在吸收离子的过程中，同时进行着离子的吸附和解吸附。总有一部分离子被其他离子所置换，吸附的吸附具有的交换性质，也称为交换吸附。

（2）离子通过外部空间进入皮层内部

共质体途径：在植物组织中，细胞以胞间连丝互相连接而成为一个整体，这就是共质体。水和无机盐离子在互相连通的共质体中，顺离子的浓度梯度穿过胞间连丝向根的中部运输。这一途径即是共质体途径。水液从共质体途径可直达内皮层之外。内皮层细胞与皮层的薄壁细胞间没有胞间连丝。因而，水液在这里必须穿过细胞膜，才能进入中柱。

质外体途径：土壤中的水液渗浸到根毛及根表皮细胞的细胞壁，在相邻细胞的细胞壁和细胞间隙中（而不是细胞质中）运行的途径即是质外体途径。

（3）离子通过内部空间进入木质部

在这个过程中是一个逆浓度梯度主动进入细胞、不能扩散的内部区域，必须经过跨膜过程。

流动输送和脂质层受控扩散

媒介输送和能动载体输送

（4）离子进入导管

离子从导管周围的薄壁细胞向导管转运的机理还不能十分确定，有两种可能的方式：一是被动性地随水分流动而进入，二是导管周围薄壁细胞对离子的选择性转运。

2．污染物在植物体内的迁移方式

环境化学物质在植物体内远距离运输主要是由为维管系统完成，其运输包括向上的木质部导管和向下的韧皮部筛管。

3．动物体对污染物的主要吸收途径

呼吸系统—气态污染物：气体、蒸汽、气溶胶（粉尘、Bap）

影响因素：浓度差、分子大小，溶解度，通气量

消化系统：胃、小肠（有机汞）

影响因素：胃肠蠕动、污染物的颗粒大小、溶解度

皮肤吸收：角质层-真皮-毛细血管-全身循环汗腺、皮脂腺、毛囊（某些有机磷农药）影响因素：物质本身结构、表皮完整性

4．简述影响植物吸收、迁移污染物的因素

（1）环境因素（温度、湿度、气压、季节和昼夜节律、pH、Eh、CEC、土壤性质、污染物间的不同效应）

（2）毒物的理化性质（溶解度、挥发度、分散度、存在形态等）

（3）个体因素（种属、品系和个体差异、年龄和发育、性别与激素、遗传因素、健康状况和营养）

5．简述复合污染时污染物联合作用的类型

1.相加作用（addition）

M=M1+M2

2. 协同作用（synergism）

M>M1+M2

3. 颉抗作用（antagonist）

M

4. 独立作用（independent joint action）

M=M1+M2(1-M1)

具体为：水体含盐量的增加，促使重金属离子的释放。锌能颉抗凤眼莲对镉的吸收6．在实际生产中如何减少植物对重金属污染物的吸收？

7．比较植物、动物和微生物在吸收迁移污染物在途径和机理上的异同

8．生物富集、生物放大和生物积累定义，联合和区别

生物累积、生物浓缩和生物放大三个概念，既有联系，又有区别。

生物累积, bio-accumulation, 指同一生物个体在其整个代谢活跃期中的不同阶段，机体内来自环境的元素或难分解化合物的浓缩系数不断增加的现象。

生物浓缩, bio-concentration, 指生物机体通过对环境中元素或难分解化合物的浓缩，使这种物质在生物体内的浓度超过环境中浓度的现象；

生物放大, bio-maganification, 指在同一食物链上，高位营养级生物机体内来自环境的元素或难分解化合物的浓缩系数比低位营养级生物增加的现象。

生物富集主要决定于生物本身的特性，特别是生物体内存在的，能与污染物相结合的活性物质的多寡。生物体内凡是能和污染物形成稳定结合的物质都能增加生物富集量。生物体内能与污染物结合的物质：蛋白质和氨基酸、糖类物质、脂类、核酸和有机酸

9．生物为什么能富集污染物

10．影响生物富集的因素

生物学（种）的特性

污染物的性质

污染物的浓度和作用时间

环境特点

11．超积累植物的定义及其主要特征

超积累植物是指那些能够超量积累重金属的植物，也有称之为超累积植物或超富集体（“hyperaccumulator”或“hyperaccumulatorplant”）。

一般具有以下几个重要特征：

(1)体内某一金属元素浓度大于一定的临界值。

(2)植物吸收的重金属大部分分布在地上部分，即有较高的地上部或根浓度比率。

(3)在重金属污染的土壤上这类植物能良好地生长，一般不会发生毒害现象。

12．筛选超积累植物的方法

采样分析法

盆栽模拟法

微量分析法

野外试纸初步诊断法

第四章污染物的毒害作用及机制

1、污染物对植物的影响

2、污染物对动物的影响

1．对动物组织器官和内脏的破坏

2．对生长发育的影响

3．对呼吸作用的影响

4．对营养元素代谢的影响

5. 对神经系统的影响

3、环境污染对人群健康影响的复杂性

1．污染物可通过多种环境介质（水、空气、食物等）、多种渠道进入人体；

2．受环境污染影响的人群的反应个体差异大，包括老、幼、病、弱甚至胎儿及具有遗传易感性的敏感人群；

3．人群常处于低水平、长时间暴露情况，探索敏感而特异的反应指标较难；

4．环境污染物在环境中可通过物理、化学和生物作用而发生转化、降解而产生新的污染物；

5．不同污染物常联合作用于人体，可能产生与原有污染物不同的危害作用。

4、污染物对人体健康的影响（痛痛病，水俣病）

根据污染物对人群和动物作用产生效应的时间来分，将污染对人群健康的危害分为急性危害、慢性危害和远期危害。

1．急性危害（acute damage）指大量污染物在短时间进入环境，使得接触污染物的人群在较短时间内出现不良反映，产生急性中毒乃至死亡等。

2．慢性危害（chronic damage）指的是污染物以低剂量、长时间持续作用于人群，使人体不断受害并积累导致的健康受损现象。

3．远期危害（long-termed damage）指的是污染引起跨代的健康损害。

镉对人健康的影响

人体对镉的吸收，受镉化合物以及膳食中的蛋白质、维生素D、钙、锌含量的影响。当缺乏蛋白质和缺钙时对镉的吸收率提高。

■镉进入人体后，大多数与低分子硫蛋白结合，形成金属硫蛋白，主要积累于肝脏，其次是肾脏。

■镉对体内巯基酶有强抑制作用。

■镉中毒主要损伤肾脏、骨骼和消化系统、肾重吸收功能障碍、骨钙流失。

汞对人健康的影响

■有机汞在人的消化道吸收率很高，甲基汞的吸收入率达90%以上，分布于全身各器官，其中肝、肾、脑的含量最高。

■甲基汞中毒主要表现于神经系统的损伤症状：运动失调、语言与听力障碍、视野缩小、感觉障碍等，严重者可发生瘫痪、肢体变形、吞咽困难，甚至死亡。

■汞是蓄积性很强的毒物，在人体的生物半衰期为70天；在脑内的储留时间更长，半衰期达180~250天。体内的汞可通过尿、粪、和毛发排出。

5.污染物对微生物的毒害作用表现在哪些方面？

1．对微生物数量和种类的影响

2．对土壤酶活性的影响

3．对硝化和反硝化作用的影响

4．对土壤呼吸作用的影响

6.重金属对生物毒性的分子机理？

一是有毒金属进攻生物大分子活性点位，取代活性点位上有益金属，破坏生物大分子正常的生理和代谢功能，造成生物的病变。

二是有毒金属键结合到生物大分子的去活性位置上，降低或消除生物大分子原有的生物活性，同样使生物发生病变。

7.金属有哪些特性对生物产生的毒害起重要作用？

1、对金属而言，离子态要比络合态毒性大，特别是形成金属硫蛋白以后，金属就失去毒性。

2、毒物的价态也能影响化学物质的毒性。

3、金属的毒性还和其它很多因素有关。在一般情况下，有机络合物的毒性下降，但脂溶性有机络合物和有机金属化合物的毒性却明显增加。

4、金属离子的毒性和离子的价数有关。

8. 化学元素之间存在拮抗关系的机制？了解元素之间协同关系的意义？

(一)两元素之间由于直接发生化学反应而产生拮抗

1、两种元素能生成难解离的稳定化合物，它们之间便可能存在着生物的拮抗作用

例如，As、Hg、Cd、Ag及Sb等对Se的拮抗，其机制可能是重金属与Se生成As2Se3、HgSe、CdSe等难解离的化合物，从而导致Se的生物活性消失。

2、两种元素能生成稳定络合物的，它们之间便可能存在生物拮抗作用

例：氰化物对多种金属元素的拮抗，表现为对多种金属酶的抑制。这可能是因为CN-离子能与多种离子形成稳定络合物，从而破坏金属酶的结构，致使这些金属元素的生物活性丧失。

3、两种元素可发生氧化还原反应的，它们之间有可能存在生物作用

例如Cr6+在红细胞中还原成Cr3+时,使血红素中的Fe2+氧化成Fe3+，破坏血红蛋白的正常生理功能，从而表现出的Cr6+——Fe2+拮抗作用。

(二)破坏金属酶的辅基或金属蛋白的蛋白质活性基因而产生拮抗

某元素作用于金属酶的辅基或金属蛋白的蛋白质活性基团，使酶或蛋白质受到破坏，从而实现对酶或蛋白质中有益金属元素的间接拮抗作用。这有三种情况：

1、干扰离子与生物体中的有机质(如酶的辅基)更稳定的结合，从而使机体中某些元素被置换出来。(Cd对Zn的拮抗，Cd与巯基的结合稳定性高于Zn)

2、由于干扰离子的氧化还原作用，使辅基中的双硫键还原、裂解：CN-+R-S-S-R→2R-2SCN；由于酶辅基中二硫键的裂解而使酶遭到破坏，则酶的金属元素也将酶的破坏而失去活性。

3、重金属(Hg、Ag、Pb等)作用于金属酶中蛋白质的巯基或羧基，使蛋白质变性，使金属酶失去活性，表现为重金属离子对金属酶中的有益元素的生物拮抗。

(三)使金属酶反应体系受阻而产生拮抗

由于某一元素的作用，使金属酶反应体系中的一环受阻，从而产生对另一元素的间接拮抗。如Cu对Mo的拮抗，他们在细胞里的相互关系如下图。

(四)相似原子结构的元素有机络合中互相取代而造成的拮抗

在生物体中相似原子结构的元素在有机络合中相互取代而造成的拮抗作用如W—Mo，Cd—Ca，V—Mn，Ni—Cu，Mn—Mg等如下表。

通过下表可以看出每对拮抗元素生成络合物的配位数、离子半径、离子体积以及半径比率等值都非常接近，这就构成了它们之间相互取代的基本条件，所不同的只是它们的晶

格能和电离势差别较大，而正是这两个常数的差别，决定了元素间生物拮抗能力的大小。晶格能和电势能数值大，元素生成的络合物就稳定，就不易被晶格能、电离势小的元素所取代；反之亦然。

另外从原子结构理论出发，也可以预言元素之间可能存在拮抗关系。

具有重要的理论意义和实用价值，在环境评价工作中更有重要意义。目前环境评价基本都是单元素评价，没有考虑到元素之间的各种关系，这就很难说明问题的实质。

有利于了解污染物对生物的毒害作用及解毒机制。

有利于提供更好的污染物阻控和修复措施建议。

第五章生物对污染物的解毒作用

1、生物对污染的解毒通过那些途径实现？

生物的解毒作用：生物对各种污染物具有一定的解毒能力（detoxification）。

1. 通过形态学、生理生化、生态学机制将污染物阻挡于体外；（避性）

2. 通过结合钝化、代谢解毒、分室作用等过程将污染物在体内富集，解毒。（抗性）

结合钝化

代谢解毒

遗传解毒

代谢排出

2、简述植物解毒的机理，如何利用植物的解毒解决污染问题。

一、植物对污染物的结合钝化

1. 细胞壁的结合钝化作用

2. 细胞膜的结合钝化作用

3. 细胞质和液泡的结合钝化作用

二、植物对污染物的代谢解毒

氧化、还原、水解

三、植物对污染物的遗传解毒控制

抗除草剂植物，其叶绿体基因PsbA基因的核酸序列发生改变，从而除草剂作用位点改变，形成抗药性。

四、植物对污染物及其代谢产物的排出作用

生物对污染物不进行任何转化，排出体外；

污染物进入体内后很快与体内物质结合后排出体外；

污染物经氧化、还原、水解后直接排除体外；

污染物经过体内氧化、还原、水解后再与其他物质结合后排出体外。

活的植物对金属、类金属的排出通过根系分泌作用，而气态污染物可以通过叶面呼吸，对于农药等有机轭合物可以通过叶片或其他器官的衰老脱落而排出体外。

3、简述微生物解毒的机理，如何利用微生物的解毒作用解决环境污染问题

一、微生物对污染物的结合钝化

沉淀作用，胞外络合作用，细胞壁结合，细胞质结合。

二、微生物对污染物的代谢解毒

还原作用、氧化作用、甲基化等

三、微生物对污染物的遗传解毒控制

解毒质粒，降解性质粒，污染物外排质粒，抗性质粒等

四、微生物对污染物的代谢排出控制

菌体死亡，污染物外排质粒等

4、基因工程的局限：

质粒不相容。

种间壁垒。

质粒不稳定性。

质粒存在于宿主菌，增加负担，干扰宿主代谢，影响生长繁殖。