环境生物学

第一篇 环境污染的生物效应
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 生物对污染物在环境中行为的影响
1 环境污染物在生态系统中的行为
1.1 环境污染概述
化学污染 物理污染
辐射污染
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。 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、 噪声污染等。
污染源（Pollution Source）

相II过程（反应）
•
外源性化合物
过程I （相I反应） 排出体外 一级代谢物 过程II （相II反应）
结合产物 （二级代谢物）
毒害作用
图1－5 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

外部因素
1.2.2 污染物的形态和分布 （Form and Distribution of Pollutant）

污染物的形态
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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 离子态 代换态 胶体 有机结合态 难溶态


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

污染物的体内分布
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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。 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。

污染物的排泄
• •
3.2 污染物在体内的生物转化

生物转化（Biotransformation）的概念
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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（Xenobiotic compounds） 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。 生物外源性物质是指那些人工合成的，具有不被现有降解酶系所 识别和作用的分子结构和化学键序列的化合物，简而言之，就是 不能被生物降解的化合物。如DDT、六六六、多氯联苯、染料、 塑料、合成橡胶等。 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。

影响迁移的因素：

内部因素
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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。
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

循环过程 循环机理
1.3 污染物在生物体内的生物转运和生物转化
1.3.1生物转运

生物转运（Bio－transport or Biotransport）的概念
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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

转化的形式
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

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（Photochemical Smog）
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

相II反应的主要类型：
微生物对生物外源性物质的转化作用

微生物对生物外源性物质的转化主要有以下几种形式：
脱卤（主要是脱氯），如DDT的脱氯 还原，将生物外源性物质上的取代基，特别是硝基，进行还原； 水合反应，如对有机氰的水合反应，形成无毒的含氮有机化合物 图DDT的微生物转化 TNT的微生物转化

生物转化的过程

相I过程（反应）
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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（－OH、－SH、 －COOH、－NH2）或进一步使这些活性基团暴露。 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)。
例二：酸雨（Acid Rain）
图1－2光化学烟雾实例
图1-3光化学烟雾形成过程
NO2（微量） 刺激眼睛 NO2 + UV → NO2 * NO* → NO + O 2 O + O 2 → O3 O3 + NO → NO2 + O2 O3 + HC → ↓ 醛类及其它氧化物 醛类
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指在众多的污染物中筛选出的潜在危险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
1.2 污染物在环境中的迁移与转化
吞噬作用 表1－1 污染物透过细胞膜的方式
内吞物质为液体
内吞物质为固体物质
污染物的吸收（Absorption of Pollutant）：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 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。 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。
工业污染源 农业污染源 交通运输污染源 生活污染源

图1-1 污染源示意图
污染物的自然来源（Natural Source ） : 自然界向环境排放， 如：活动的火山或矿床；
污染物的人为来源（Artificial Source ） : 来自人类活动，影 响范围广、危害大，如工业三废
农业
交通

细胞质膜结构图
污染物透过细胞膜的方式
特点 浓度梯度 方式 有无载体 是否耗能 其它特点
简单扩散
滤过过程 主动转运 易化扩散
高浓度低 浓度（顺）
无
否
脂溶性有机化合物的 主要转运方式
高浓度低 浓度（顺）
有 有
耗能 否
水溶性大分子化合物 的主要方式
胞饮作用

什么是环境污染（Environmental Pollution）？
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通常，环境污染主要指人类活动所引起的环境质量下降而有 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。 废气污染 生物污染 废水污染 按污染物形态 固体废弃物污染 噪声污染

环境污染的分类
按污染物性质
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
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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。 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。

污染物进入环境的途径包括：
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注：
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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、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 例：生物通过食物链对重金属的放大积累作用

几种重要的形态分类
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