污染生态学复习资料

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、发育和繁殖变化的物质。

这类物质有自然排放的，也有人类活动产生的。

（作用对象包括人在内的所有生物）环境科学研究的主要是人类生产和生活排放的污染物。

污染物的性质(一) 必须在特定的环境中达到一定的数量或浓度，并且持续一定的时间。

（微弱的x射线能使水蚤的生命延长1-2倍；低剂量的DDT能延长雄性大鼠的生命；硒是阻氧化剂；铬能减缓动脉硬化过程，能协助胰岛素改善糖和脂肪的代谢。

）
(二) 易变性（发生复杂的物理、化学或生物的反应生成其他危害更大、或无害或毒性减轻物质。

毒性变大：硝酸盐—亚硝酸盐，汞转变成甲基汞或亚甲基汞；毒性降低：农药等；发生加和、协同、拮抗等作用使毒性增大或降低。

）
第二节
最高允许浓度（maximum allow concentration)生物在整个生长发育周期内，或者是对污染物最敏感的时期内，该污染物对生物的生命活动能力和生产力没有发生明显影响的浓度，称为最高允许浓度。

食品卫生标准：铅<0.3mg/kg;饮用水质标准：铅<0.1mg/L;大气中标准：铅<0.0017mg/m3。

致死浓度(Lethal concentration)当污染物浓度继续上升到某一定浓度，生物开始死亡，这时的浓度称为致死浓度．也称致死阈值。

用LC50代表毒害致死50%的个体的阈值。

甲基汞的周致死浓度：0.2 mg/人（按0.0033 mg/kg）；异氰酸甲酯(LC50) 6.1ppm (6小时，大鼠、吸入)
在动物急性毒性试验中，使受试动物半数死亡的毒物浓度，用LC50表示。

使受试动物半数死亡的毒物剂量，则称为半数致死量，用LD50表示。

第三节植物对污染物的吸收与迁移
植物对水溶态污染物的吸收途径--------主要是植物的根，其次是叶面。

1．水溶态污染物到达植物根(或叶)表面
植物根部吸收：一条是质体流途径，即污染物随蒸腾拉力，在植物吸收水分时与水一起到达植物根部；另一条是扩散途径，即通过扩散到达根表面。

扩散一般遵循Fick的第二法则：
植物叶片吸收（如农药）：气孔吸收与角质层吸收
2．水溶态污染物进入细胞的过程。

吸收重金属：细胞壁的吸附、非共质体沉积、透过细胞质膜在细胞内积累。

大豆约70％的铅沉积在细胞质部分，只有10％左右结合到细胞壁及其他细胞器。

2 水溶态污染物进入细胞的过程
（1）进入植物细胞第一障碍——细胞壁
溶液中吸收的铅沉积在根表面，
以非共质体方式扩散进入根冠细胞层。

在根的成熟区域，在皮层细胞壁和表皮细胞壁都可发现铅的沉积。

当铅浓度较低和吸收的开始阶段，铅被细胞壁吸附，与细胞壁上带有负电荷的“道南”牢固结合。

当这种结合达到平衡后，才有粗颗粒的铅沿细胞壁的水分自由空间沉积、迁移。

当外界铅浓度相当大时，也有部分细颗粒铅透过细胞壁、穿过质膜进入细胞质中。

（2）第二屏障——细胞膜——污染物通过植物细胞膜进入细胞的过程，目前认为有两种方式：被动扩散：物质顺着本身的浓度梯度或细胞膜的电化学势流动；
主动传递过程：这种传递需要能量。

第四节动物对污染物的吸收与迁移
动物机体对污染物质的吸收途径----------一般是通过呼吸道、消化管、皮肤等途径。

经呼吸道吸收肺；消化管（胃和小肠）是动物吸收污染物的主要部位，通常主要是小肠粘膜微绒毛（增加吸收面积约600倍）；皮肤吸收污染物：以扩散的方式通过表皮的角质层。

以扩散的方式通过真皮
污染物在动物机体内的迁移与排出
迁移：经血液传到肝、脾、肾、甲状腺等脏器。

排出：主要以粪和尿形式，此外还有乳汁、呼气、毛发等，但机制尚不甚清楚。

1 、肾脏——随尿液经肾脏排出体外
2 、经肝脏随同胆汁排泄——污染物在肝脏中先经过生物转化，生物转化过程中形成的一部分代谢产物，可被肝细胞直接排入胆汁，再混入粪便排出体外。

3、经肺随同呼出气排泄——受溶解度、呼吸速度和流经肺部的血液速度的影响
4、其它排泄途径——汗液、唾液和乳汁
第五节微生物对污染物的吸收
微生物细胞吸收污染物的机制------污染物连接到微生物细胞壁上有三种机制离子交换反应、沉淀作用、络合作用
第六节影响植物吸收、迁移污染物的因素
六、污染物间的不同效应
（一)相加作用(addition)——多种化学物质的混合物，其联合作用时所产生的毒性为各单个物质产生毒性的总和。

(二)协同作用(synergism)——多种化学物质联合作用的毒性，大于各单个物质毒性的总和。

如稻瘟净与马拉硫磷。

(三)拮抗作用(antagnism)——两种或两种以上化学物质同时作用于生物体，其结果每一种化学物质对生物体作用的毒性反而减弱，其联合作用的毒性小于单个化学物质毒性的总和。

(四)独立作用(independent joint action)——各单一化学物质对机体作用的途径、方式及其机制均不相同，联合作用于某机体时，在机体内的作用互不影响。

但常出现在一种有毒物质作用后使机体的抵抗力下降，而使另一种毒物再作用时毒性明显增强
第二章生物富集
1、生物富集：生物个体或处于同一营养级的许多生物种群，从周围环境中吸收并积累某种元素或难分解的化合物，导致生物体内该物质的浓度超过环境中浓度的现象，又称生物浓缩。

（生物与环境）
2.、富集系数或浓缩系数——生物体内污染物的浓度与其生存环境中该污染物浓度的比值。

3.、生物积累——指同一生物个体在生长发育的不同阶段生物富集系数不断增加的现象（一个生物个体在不同生长时期）
4.、生物放大——是指食物链中不同层次的生物可以逐级浓缩外源性物质的作用，结果使在级别越高的生物中浓度越高。

具备两个条件：难以生物降解；亲脂性
食物链的结构和长度和生物放大密切相关
金属硫蛋白(metallothionein)是生物有机体在某些金属的诱导下合成的一类脱辅基硫蛋白。

特性为：①是低分子量（6000～10000D）的蛋白质；
②含有高达30%半胱氨酸，对重金属具有很高的结合量和结合力；
③S-S不能与芳香族氨基酸结合；④镉硫蛋白在250nm处吸收最强；
⑤属热稳定性蛋白质；
⑥局限于细胞质中；
⑦作为细胞内蛋白质存在，不存在于一般体液中。

超量积累的植物：有些植物能超量吸收和积累重金属，Brook称这种植物为重金属超量积累的植物。

这类植物的三个主要特征：
1、体内某一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，即有较高的地上部/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，一般不会发生重金属毒害现象。

第三章污染物的毒害作用及机制
对动物和人体健康的影响
（一）对动物的影响
1 污染物对动物的组织器官和内脏的破坏作用
重金属元素能严重影响和破坏鱼类的呼吸器官，导致呼吸功能减弱。

降低血液中呼吸色素的浓度，使红细胞减少。

污染物对动物内脏的破坏作用极明显。

动物肝变大，肾衰竭，蛋白尿，心动过速，脏器受损而致死
2 生长发育的干扰
营养不良，个体偏小，体重偏轻，后代数量减少，种群衰退。

某些污染物还能使动物骨骼变形。

铅、镉使鱼脊椎弯曲。

有机氯农药对鱼类、水鸟、哺乳动物的繁殖有严重的影响。

3、衰老
生物长寿程度与自身DNA损伤修复能力有关，修复能力强寿命长。

DNA修复是一系列酶促反应过程，污染物作用下，酶促受到干扰，修复作用失调，增大DNA 损伤，影响生物寿命。

（二）对人体健康的影响
1. 对人群健康影响的复杂性
①环境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、长时间暴露状况，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、生物作用而发生转化、降解而形成新的污染物；
⑤不同污染物常常联合作用于人体，可能产生与原有污染物不同的危害作用。

2. 对人群健康损害的方式
①污染物在食物链中延伸和放大，并转移到人体内不断积累出现中毒。

②直接引起慢性疾病。

③人体免疫力下降，对不良环境的抵抗力下降，对生物感染的敏感性增加，一般的健康状况逐步下降，人群的患病率和死亡率增加，儿童生长发育受到影响。

3. 对人体健康的影响
（1）化学物质对人群健康的影响目前登记在册800万种左右，全球投入生产和使用的常用化学物质约有77万种。

在已评价的834种化学物中（包括生物毒素），确定为人类致癌物的有75种，可疑致癌物758种。

已发现的人类致畸物约有30种，神经毒物则多达1000余种以上，不少环境化合物（如有机氯、二噁英等）最近还被发现具有激素样作用。

1无机污染物对人体的影响
汞作用机理：
甲基汞能抑制神经细胞膜表面的钠离子、钾离子和ATP酶活性，导致膜去极化，影响神经细胞之间的神经传递；还能使髓神经纤维出现鞘层脱节和分离，影响神经电信息传递的进程和速度。

氟：造成斑釉齿、骨质硬化症和软化症、甲状腺肿瘤。

2有机化合物进入机体后的毒害机制有两方面：其一，毒性来自本身的化学结构；其二，毒性与代谢有关（慢性毒性）
慢性毒性产生不稳定中间代谢产物。

可与蛋白质、核酸结合形成不可逆的化合物。

其一导致蛋白质变性；
其二破坏正常传递遗传信息，引起细胞突变、死亡，组织出现肿瘤。

生物活性点位：是生物大分子中具有生物活性的基团和物质。

在生物体内有羧肽酶、碱性磷酸酶、碳酸酐酶、细胞色素C、血红蛋白以及铁氧还原蛋白等。

重金属对生物毒性效应的分子机制
1、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，破坏了生物大分子正常的生理和代谢功能，造成生物的病变；
对核酸的影响：
（1）金属对DNA双螺旋结构有稳定作用-------浓度低时，DNA两条链作用还不太稳定，只有互补的碱基才能发生配对作用，使两条链牢固地结合在一起；
浓度较高时，除了互补的碱基能配对外，非互补的碱基也能配对，从而导致碱基的配对错误，使遗传密码的传递发生错误，使生物体产生病变。

（2）金属离子能使核酸解聚，结合磷酸酯基上的金属离子可从RNA和多核酸的磷酸二酯链上夺取电子，从而使得成键不稳定和易水解，生物大分子可降解成小的碎片，使生物机体发生病变。

如Co、Mn、Ni、Cu及Zn等有降解作用。

2、有毒金属键结合到生物大分子的去活性位置上，降低或消除了生物大分子(如酶)原有的生物活性，同样使生物发生病变。

低浓度时．酶的活性较高，因为低浓度时金属离子结合到酶的活性位置上，对酶的活性有促进作用；
低浓度时．酶的活性较高，因为低浓度时金属离子结合到酶的活性位置上，对酶的活性有促进作用；
生物对污染物的抗性及生物监测
生物对各种不良环境具有一定的适应性和抵抗力，称为生物的耐性或抗性。

动物对污染物的排泄作用
(一) 肾排泄—小分子毒物
排泄污染物的机制包括肾小球滤过、肾小管的被动扩散和肾小管的主动分泌。

二）肝胆排泄—大分子毒物
肝胆系统是很多污染物结合物的主要排泄途径。

污染物及其代谢产物从肝主动分泌到胆道，然后随胆汁排到肠道，最后随粪便排到体外。

三）呼吸道排泄
在动物体内未分解转化的气态污染物及挥发性液态污染物均可以经过呼吸道排出。

如SO2、CO、二甲苯等。

四）其他途径排泄
有些污染物及其代谢产物还可以经肠道、皮肤毛孔、口腔、指甲毛发等器官或组织随粪便、汗液、唾液和乳汁等排出体外。

微生物对污染物的代谢解毒
代谢解毒途径：降解和转化
生物降解：复杂有机化合物在微生物作用下转变成结果较简单化合物或被完全分解的过程终极降解：将有机物彻底分解至释放出无机产物二氧化碳和水。

生物转化：通过微生物代谢导致有机或无机化合物的分子结构发生某种改变、生成新化合物的过程。

氨在亚硝化细菌作用下氧化为亚硝酸
硝基苯被微生物还原成苯胺
微生物对有机污染的代谢解毒
有机污染物的分解途径：光、化学和生物
可生物降解性：化合物被生物降解的可能性及其难易程度。

3种类型：
可生物降解物质—单糖蛋白质淀粉
难生物降解物质—纤维素农药烃类
不可生物降解物质—高分子合成有机物，如高分子合成有机物，如塑料，尼龙等
1.降解途径
（1）矿化作用（终极降解）
有机污染物在一种或多种微生物的作用下彻底分解为水、二氧化碳和简单化合物的过程。

如：氯苯硝基苯多氯联苯
方式：氧化、还原、水解、脱水、脱氨基、脱羧基、脱卤和裂解等
2）共代谢作用
难降解的有机化合物不能直接作为碳源或能源物质被微生物利用，当环境中存在其他可利用的碳源或能源时，难降解有机化合物才能被利用。

如：假单胞菌在一氯乙酸存在时可以使三氯乙酸脱氯
以下几种情况发生共代谢
靠降解其他有机物提供能源：直肠梭菌
靠其他微生物协同作用：链霉菌和节杆菌共同降解农药二嗪农
先经别的物质诱导：铜绿假单胞菌降解链烷烃羟基化
质粒的定义
质粒是一种独立于细菌染色体外、共价闭环的双链环状DNA分子长1-200kb。

质粒一般不携带重要基因，是一种辅助性遗传单位。

质粒的分类
（1）按功能分
解毒质粒、载体质粒
2）存在问题
①种的壁垒；②不相容性；③不稳定性；④干扰宿主代谢能力
生物对长期污染的生态效应与适应进化
前适应性:不少生物由于先天性组织器官的结构形式和生理代谢特征，对干旱、高温、寒害等环境逆境具有一定的抵抗性能，而这些适应性对于适应污染具有一定的作用，我们把生物在没有接受污染以前具有的性状特征在污染环境中也是适应的现象，称为前适应。

表型的可塑性、发育的自稳态机制以及遗传多样性是生物应答环境不可知性和环境异质性的策略。

可塑性和自稳态被认为是植物对短期的、不可预知的环境变化的一种适应性反应。

生态代价、生理代价、进化代价三者的相互关系
生态代价指对污染适应的生物，在进入正常环境中，它的竞争力降低；同时，还可能伴随有对温度、水分、病虫害的抵抗能力下降。

生理代价指对污染适应的植物，在某些生理性能上低于正常植物。

进化代价进化代价反映的是对污染适应很好的植物在其他环境中进化发展的灵活度降低，以致于可能失去适应其他环境的可能性。

以上三种代价随从不同角度提出，但实际上他们是相互联系的。

生理代价是生态代价的个体背景，或更深层次的原因；进化代价是生态代价和生理代价长期付出的可能结果，还可能与污染条件下生物的遗传多样性丧失太多有关。

生物监测利用生物分子、细胞、组织、器官、个体、种群和群落等各层次对环境污染程度所产生的反应来阐明环境状况，从生物学的角度为环境质量的监测和评价提供依据。

水体中的发光菌可以作为分析重金属离子毒性的理想指示生物。

发光细菌在正常的生理条件下能发出400 nm 的蓝绿色可见光。

根据发光的变化可以检测重金属离子等有毒物质对发光细胞呼吸、生长、新陈代谢等生理过程的干扰或破坏程度。

发光细菌法
生物发光法是结合生命有机体的生物物理和生物化学过程，检测的是处于环境中的生物，提供的是一个综合的整体指标，因此比传统的检验方法更迅速，直接反映环境污染对生物的影响。

机理：发光细菌是一类能自发发光的细菌，是生物自身的正常生理代谢过程.其发光机制是由于菌体内有一种荧光素酶，通过酶催化不饱和脂肪酸反应，而向外界辐射蓝绿色的荧光，发光光谱范围在435～630nm，有单一最大发射峰(λmax=475nm).
当发光细菌与水样毒性组分接触时，可影响或干扰细菌的新陈代谢，使细菌的发光强度下降或熄灭。

在一定毒物浓度范围内，有毒物质浓度与发光强度呈负相关线性关系，因而可使用生物发光光度计测定水样的相对发光强度来监测有毒物质的浓度。

优点：易培养、增殖速度快、发光易受外界环境的影响且反应迅速、灵敏等
国内种类：明亮发光杆菌、费氏弧菌、青海弧菌。

分布：主要分布于海洋环境中。

除异短杆菌和青海弧菌属于淡水发光细菌。

微核测定法：利用植物雄蕊发育过程中, 花粉母细胞减数分裂时四分体时期出现的微核百分率.
微核：植物细胞分裂时染色体要进行复制,在复制时如果受到外界诱变因子的作用, 就会产生一些游离染色体片段, 形成包膜, 变成大小不等的小球体, 这就是微核.
微核：外源性诱变剂或物理诱变因素可以诱导生活细胞内染色体发生断裂、影响纺锤丝和中心粒的正常功能，造成有些染色体及其断片在细胞分裂后期滞后，不能够正常分配并整合到细胞的细胞核上而形成的。

微核率与污染物有较好的剂量-效应关系，且灵敏度高，可靠性强。

材料：紫露草四分体和蚕豆根尖微核--大气、水体和土壤污染监测
蚕豆根尖：监测水溶性或非水溶性污染物质，适合于监测环境污染物对遗传物质DNA的损伤。

动物微核：大鼠、小鼠骨髓细胞核人的外周血淋巴细胞。

微核测定法：利用植物雄蕊发育过程中, 花粉母细胞减数分裂时四分体时期出现的微核百分率.
微核：植物细胞分裂时染色体要进行复制,在复制时如果受到外界诱变因子的作用, 就会产生一些游离染色体片段, 形成包膜, 变成大小不等的小球体, 这就是微核.
数目和结构的变化。

结构畸变包括：染色体单体断裂、双着丝点染色体、染色体碎化和染色单体互换等。

非预定DNA合成技术
UDS作为一种筛检化学物质致突变性的遗传毒理学实验方法巳广泛应用于医学、卫生学、环境科学实践。

污水生物系统法
方法将受有机物污染的河流按其污染程度和自净过程划分为几个互相连续的污染带，每一带生存着各自独特的生物(指示生物)
根据河流的污染程度，通常将其划分为四个污染带，即多污带，α-中污带、β-中污
带和寡污带。

富营养化（eutrophication）它是指水体中营养物质过多，特别是氮、磷过多而导致水生植物（浮游藻类等）大量繁殖，影响水体与大气正常的氧气交换，加之死亡藻类的分解消耗大量的氧气，造成水体溶解氧迅速下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡，加速水体衰老的进程。

破坏水体生态系统。

氧化塘（oxidation ponds）又称稳定塘或生物塘。

它是利用库塘等水生生态系统对污水的净化作用，进行污水处理和利用的生物工程措施。

氧化塘作用的基本原理是生物降解。

当废水进入塘后，可沉淀的固体沉至塘底，其中有机物进行厌氧分解．产生的沼气（CH4）逸出水面，二氧化碳、氨等溶解于永中。

溶解或悬浮干水中的有机物经微生物作用进行有氧分解，同时释放的氨和二氧化碳溶解于水中，供水中藻类营养和繁殖。

藻类进行光合柞用放出的氧气供微生物分解有机物。

污水灌溉（sewage irrigation）一般是指使用经过一定处理的城市污水灌溉农田、森林和草地。

城市污水通常是指含有大量生活污水和商业污水以及少量工业废水的混合污水，也有全部用工业废水（主要指农产品加工废水）进行灌溉的。

污水灌溉可分为：
纯污水灌溉（全年用污水灌溉》、
清污混灌（清水、污水棍合使用或轮流灌溉）
间歇污水灌溉（只在冬季或作物生长期迸行污水灌溉）
污水土地处理是在人工调控下利用土壤—微生物—植物组成的生态系统使污水中的污染物净化的处理方法。

在污染物得以净化的同时，水中的营养物质和水分也得以循环利用。

因此，土地处理是使污水资源化、无害化和稳定化的处理利用系统。

污水土地处理是在污水农田灌溉的基础上发展起来的，二者不同：
土地处理技术有五种类型：
慢速灌溉、
快速渗漏、
坡面径流
湿地系统。

温室效应（Greenhouse effect），
定义为：从太阳辐射出来的光线原本波长较小，越过大气层时可以穿透具有与玻璃一样效应的二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、臭氧、氟氯碳化物等气体而抵达地球表面；然而，抵达地球表面的阳光经地表反射后波长较长，会被二氧化碳等气体阻挡，不容易散失于大气外，以致地球上的温度逐年增高。

「酸雨」，顾名思义，雨是酸的。

其正确的名称应为「酸性沉降」，它可分为「湿沉降」与「干沉降」两大类，前者指的是所有气状污染物或粒状污染物，随着雨、雪、雾或雹等降水型态而落到地面者，后者则是指在不下雨的日子，从空中降下来的落尘所带的酸性物质而言。

土壤污染特性
（1）土壤污染的隐蔽性
（2）土壤污染的持久性
（3）土壤污染的间接有害性
生物防治是治理大气污染的一种有效持久的方祛。

很多植物能够吸收空气中的有毒有害物质，井将这些物质在体内进行分解，转化为无毒物质
1.重金属污染土壤的治理措施
土壤中重金属的显著化学行为是不移动性、累积性，具有不可逆性的特点。

因此，
对受重金属污染土壤的治理要根据污染程度的轻重进行改良。

从降低重金属的活性，减小它的生物有效性入手，加强土、水管理。

（1）通过农田的水分调控，调节水田土壤Eh值来控制土壤重金属的毒性
（2）施用石灰、有机物质等改良剂
重金属的毒性与土壤pH关系密切。

（3）客土、换土法
对于严重污染土壤采用客土或换土是一种切实有效的方法。

但此法的代价较高，对大面积治理难以推广。

（4）生物修复
对污染严重的土壤，尤其是那些矿山土壤的治理，在复垦前，采用超积累植物的生物修复技术是一个可取的方法。

三、有机物（农药）污染土壤的防治
对于有机物、农药污染的土壤，除合理施用农药、采用病虫害综合防治，改进农药剂型等以预防为主的系列技术措施外，对污染土壤的治理应从加速土壤中农药的降解入手。

其中采取以下措施：
（1）增施有机肥料，提高土壤对农药的吸附量，减轻农药对土壤的污染。

（2）调控土壤pH和Eh,加速农药的降解。

三、防止土壤污染，可采取以下措施：
（１）加强对于工业废气、废水、废渣等的治理和综合利用，防止向土壤任意排放含各种污染物质的废物；
（２）合理施用农药和化肥，积极发展高效、低毒、低残留的农药；
（３）对粪便、垃圾和生活污水进行无害化处理；
（４）慎重推广污水灌溉，对灌溉农田的污水要严格进行监测和控制，最好使用处理后的污水灌田。