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第二章污染生态过程本章将讨论以下内容：1.污染物在环境中的迁移与转化2.污染物在生物体内的生物转运和生物转化3.污染物在生物体内的富集环境污染概述第一节环境污染环境污染（EnvironmentalPollution）是指有害物质或因子进入环境，并在环境中扩散、迁移、转化，使生态系统结构与功能发生变化，对人类以及其他生物的生存和发展产生不利影响的现象。生物污染化学污染物理污染按污染物性质废气污染废水污染固体废弃物污染噪声污染辐射污染按污染物形态环境污染物分类环境效应——环境污染所导致的环境变化环境生物效应：指各种环境因素变化而导致生态系统变异的结果。如恐龙的灭绝、水利工程、森林砍伐；急性与慢性效应环境化学效应：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、土壤酸化等。环境物理效应：物理作用引起的环境效果。如热岛效应、温室效应、颗粒物的污染、噪声污染等。污染源（PollutionSource）造成环境污染的污染物发生源称为污染源。它通常指向环境排放有害物质或对环境产生有害物质的场所、设备和装置。污染物的自然来源（NaturalSource）:自然界向环境排放，如：活动的火山或矿床。交通工业农业污染物的人为来源（Artificialrousce）:来自人类活动，影响范围广、危害大，如工业三废污染源示意图污染物（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当某种物质成为污染物时，必须在特定的环境中达到一定数量或浓度，并且持续一定的时间。一次污染物和二次污染物：一次污染物又称原生污染物。由污染源直接或间接排入环境的污染物。如排入洁净大气和水体内的化学毒物、病毒等。是环境污染的主要来源。二次污染物是指排入环境中的一次污染物在物理、化学因素或生物的作用下发生变化，或与环境中的其他物质发生反应所形成的物理、化学性状与一次污染物不同的新污染物。又称继发性污染物。如一次污染物SO2在空气中氧化成硫酸盐气溶胶，汽车排气中的氮氧化物、碳氢化合物在日光照射下发生光化学反应生成的臭氧、过氧乙酰硝酸酯、甲醛和酮类等二次污染物。第二节污染物在环境中的迁移与转化一、污染物在环境中的迁移迁移：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。污染物进入环境的途径包括：（1）人类活动过程中无意排放如火灾（2）工业三废（3）人类活动过程中故意应用（pesticide）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。如PCBs（多氯联苯），CFCs（氯氟烃类）运输到南极污染物在环境中的三种迁移方式机械迁移（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、络合－螯合作用、吸附－解吸作用、氧化－还原作用、水解作用（2）化学分解、光化学分解、生物化学分解生物迁移通过生物的吸收、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。例：生物通过食物链对重金属的放大积累作用影响迁移的因素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－还原条件胶体和络合配位体的种类、数量自然地理条件二、污染物的形态和分布（FormandDistributionofPollutant）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（环境污染化学研究范畴）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γ型六六六，PAHs结构（多环芳烃）络合态，络合态铜和游离态铜污染物的分布污染物的分布主要是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。例：汞形态的分布图1-2和图1-3表明了污染物在水生生态系统和陆生生态系统各组分间的分布。三、污染物在环境中的转化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。转化的形式物理转化：蒸发、渗透、吸附化学转化：氧化还原、水解、光化学—最为普遍、常见生物转化：生物的吸收和代谢作用转化的结果：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有机磷农药中的对硫磷和马拉硫磷，可因水解作用使其酰胺键和脂键断裂而失去毒性；芳香环发生二聚化反应，生成更为复杂的多环芳烃物质，使毒性增强。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(一次污染物和二次污染物)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)。例二：酸雨（AcidRain）大气中的转化NO2（微量）NO2+UV→NO2NO2→NO+OO+O2→O3O3+NO→NO2+O2O3O3+HC→↓醛类及其它氧化物醛类复杂的有机化合物刺激眼睛NO汽车排气HCNO2太阳紫外光紫外光HC+O2+NO2+UV↓O3+甲醛+PAN+氧化产物O3PAN甲醛、丙稀醛等伤害植物伤害植物刺激眼睛刺激眼睛氧化产物聚合与核长大气溶胶光雾**图1-3光化学烟雾形成过程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DO、Fe3+、Mn4+、S2－、有机化合物等，对污染物的转化起重要作用。Cr3+Cr6+;As3+As5+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。水体中的转化氧垂曲线（OxygenSagCurve）氧垂曲线的定义在河流受到有机物污染时，由于有机物的氧化分解作用，水体的DO发生变化。从污染源到河流下游一定距离内，可绘制一条DO逐渐变化的曲线，称之为氧垂曲线。根据有机物在水体中分解变化和DO的变化，可把受污河流分成几段:清洁区：未受污染分解区:耗氧分解腐败区：厌氧分解恢复区：分解完成，DO上升L（km）饱和DO线DO（mg/L）0DOmin图5－8氧垂曲线示意图氧垂曲线排入河水中的有机物经微生物降解，一方面消耗水中的DO；另一方面，空气中的氧通过河流水面不断地溶入水中，会使DO逐步增加直至得到恢复，故耗氧与复氧是同时进行的。污染河水中DO、BOD的浓度变化如下图配合作用无机配位体：OH－、Cl－、CO32-、HCO3－等有机配位体：氨基酸、腐殖酸、清洁剂、洗涤剂、农药等水体中腐殖酸与汞的配合作用，减轻了汞对浮游生物的毒性，但是增加了汞在鲤鱼和鲫鱼体内的富集。生物降解作用（第五节）如汞的转化土壤由固、液、气三相构成，所以土壤状况比水、气中复杂。污染物在土壤中的转化及其行为取决于污染物和土壤的理化性质。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。土壤中的固、液、气三相的分布是控制污染物运动和微生物活动的重要因素。土壤的pH、温度、湿度、通气状况和微生物种群等是污染物转化的条件。土壤中的转化四、污染物的生物地球化学循环生物地球化学循环的概念指生物的合成作用和矿化作用所引起的污染物周而复始的循环运动过程。注：合成作用指生物（主要是绿色植物）将吸收的环境化学物质转变为生物体本身的有机物质的过程。矿化作用指生物通过代谢作用（包括微生物的分解作用）将生物体的有机物质转化为无机物质或简单的有机物。循环过程：生物小循环循环机理：污染物的生物地球化学循环在这个循环过程中同时伴随有污染物的迁移、转化、分散、富集的过程，从而使得污染物的形态、化学组成和性质也发生变化如多种酚类污染物被微生物分解成为水和二氧化碳，供植物体生长需要。同时植物生长过程中又可以合成酚。多种氟的污染物可以被植物的根系和叶片吸收、积累。动物可以通过呼吸、饮水、摄食吸收环境中的氟，动物体内的氟一部分通过代谢作用排出体外，大部分随残体被微生物分解回到环境中。第三节污染物在生物体内的转运和转化一、生物转运生物转运（Bio-transport）的概念生物转运：生物通过生物膜对污染物进行吸收、分布和排泄从而使污染物在生物体内发生位移过程。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）组成环境污染物的毒性往往与生物膜结构直接有关；有些环境中的专一受体就是生物膜上的某些特殊蛋白质：如有机磷农药的专一受体就是乙酰胆碱酯酶。细胞质膜结构图亲水基疏水基生物膜的骨架是磷脂类双分子层，蛋白质分子以不同的方式镶嵌其中。细胞膜的表面还有糖类分子，形成糖脂、糖蛋白;共同特征，即镶嵌性、蛋白质极性、流动性、相变性和更新态。污染物透过细胞膜的方式（与污染物性质、结构及膜结构有关）方式特点浓度梯度有无载体是否耗能其它特点被动转运简单扩散高浓度低浓度（顺）无否脂溶性有机化合物的主要转运方式滤过过程通过膜上的亲水性孔道；分子直径小的水溶性化合物的主要方式特殊转运主动转运低浓度高浓度（逆）有耗能水溶性大分子化合物的主要方式；污染物的体内排出，如肾、肝等易化扩散高浓度低浓度（顺）有否也是污染物的体内排出的一种方式胞饮作用胞饮作用内吞物质为液体吞噬作用内吞物质为固体物质污染物的吸收（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或体液的过程。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，遍布毛细血管，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。脂溶性物质较易吸收。主要部位如胃和小肠。（3）皮肤吸收—到血液：如有机磷农药可透过完整皮肤引起中毒。CCl4通过皮肤吸收引起肝损害。穿透相（脂溶性污染物）与吸收相（真皮进入乳头层毛细血管，水溶性以吸收），一般污染物油水分配系数接近1的化合物易吸收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（有主动吸收和被动吸收两种方式）；（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；SO2，NOx，O3（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生育期吸收镉总量（g∙盆－1）相对%（成熟期为100%）分蘖期2360.1抽穗、开花期57091.1灌浆期201794.2成熟期2715100投镉量（mg∙kg-1）土壤pH4.55.27.4叶片干重含镉量（mg∙kg-1）0.01.61.80.80.58.45.23.01.014103.71.5183.94.62.0167.25.3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。一部分可以和血浆蛋白质(主要是白蛋白)结合，而不易透过生物膜；另一部分呈游离状态脂肪组织或骨组织中蓄积和沉积：90％铅有（骨骼）；DDT和六六六等（脂肪组织）当出现饥饿时，又会出现二次污染机体屏障：体内还存在一些能阻止或简化外来污染物有血液向组织器官分布的屏障，如血脑屏障和胎盘屏障等污染物的体内分布指进入