3环境污染及其生态效应

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（EnvironmentalPollution）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（PollutionSource）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AtmospherePollutionorAirPollution土壤污染SoilPollution水体污染AquaticPollution2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-degradablePollutants）：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-degradablePollutants）：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（AquaticPollution）：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（WaterResources）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13.86×108km3，淡水资源总量仅有0.35×108km3，但加上浅层地下水，人类可开发利用的淡水资源仅有0.1065×108km3。我国水资源总量约为0.027×108km3，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4.7×104km3人均占有7800m3我国27002250占世界的2/352/7我国是世界上13个贫水国之一。仅农业每年就缺水300×108m3，受旱农田1300-2000×104ha；300多个城市缺水，缺水量达58×108m3。1.4.2水污染概况国际水污染的典型案例——莱茵河全长1320km，流经瑞士、法国、德国、荷兰上游，瑞士境内，能见度3m；到达德、荷边境，能见度仅50cm。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42×104km，被污染12×104km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740×104t/d——“死湖”我国水体污染问题日益严重。1985年，排放污水342×108t，工业废水265×108t，处理率2%2000年41519482%2002年440207武汉市2002年73.527.2%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，5322km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（31060m3/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》（RachelCarson）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4.5~9kg/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25—30万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，10-25ug/L，影响硅藻RNA的合成对牡蛎，0.001mg/L抑制19%0.0141%0.1100%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1—80000mg/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，0.1~0.2mg/L时，鱼肉有异味；性腺吸收比肌肉快；20mg/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：RHgXRHg++XX——能提供电子对的原子或基团（如：Cl-、OH-）甲基化：厌气菌CH3Hg+(CH3)2Hg或者HgX2Hg2++2X-厌气菌CH3Hg+(CH3)2HgHg2++R-CH33.1.1.3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。甲基化Hg2+Hg+2pH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5000—10000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Cd(OH)20pH≥9时pH＜9时Cd2++OH-Cd(OH)+pH≥8时pH＜8时在海洋中，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）。Cd2++S2-CdSCd2++S2-低Eh高Eh3.1.3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0.04~0.07英格兰0.13~0.25ug/L美国15条河流1~10ug/L爱尔兰0.46低层大气：0.3~2mug/m3，平均为1mug/m3土壤：较高，变动大，约为5~3000mg/kg，平均为100mg/kg3.1.3.2转化4Cr(OH)2++3O2+2H2O4CrO42-+12H+碱性条件下，氧化酸性条件下，还原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5~10ug/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3g.空气：＜2.5~4ug/m3，有感觉；＝10~24ug/m3，强烈刺激。水：1mg/L，Cr6+污染的井水，有一家人饮用三年，无反应；＝2.5~3.5mg/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0.7ng/m3，原油最高可达140mg/m3水海水2~3ug/L，淡水1ug/L左右温泉较高，日本平均0.3mg/L，最高5.1mg/L土壤全球平均5mg/L前苏联3.6mg/L（1~10）美国7.5mg/L（1~20）日本24mg/L（8~51）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9~64100淡水：动物3~30植物50~71000植物1~200002砷中毒As3+对-SH的亲和力比As5+要高约60倍1956年日本