第一章 生物对污染物的吸收和迁移

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三、动物对污染物的吸收和迁移
（一）动物对污染物的吸收 ■动物对污染物的吸收一般是通过呼吸道、消 化道、皮肤等途径。 ▲经呼吸道吸收 ▲经消化道吸收（主要途径） ▲经皮肤及其他途径的吸收（表皮和真皮）
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（二）动物对污染物的迁移
■污染物在动物体内远距离运输的主要途径是循环 系统，其通道由血管和淋巴管构成。 ■经消化管吸收的外源化学物首先进入肝门静脉， 再被输送到肝脏进行生物转化；经呼吸道吸收的 外源化学物运输特点是它们不先经肝脏解毒，而 是经肺循环直接进入循环系统而分布于全身组织 细胞。由皮肤吸收的外源化学物进入毛细血管网 和淋巴管网，亦不先进入肝脏解毒。
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挥发性有机物（Volatile Organic Compounds, VOCs）
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一些能污染环境和危害健康的VOCs
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持久性有毒物（Persistant Toxicity Substances, PTS）
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毒物（toxicant）
■毒物（toxicant）是指对有机体产生有害作用（毒 作用）的化学物质（P198）。 ■毒物是指在一定条件下，较小剂量就能对机体产生 损害作用或使机体出现异常反应的外源化学物 （李建政等，2006）。 ■能对人畜鱼禽或其他生物体显示体内毒性的那些环 境污染物又可称为环境毒物（何燧源，2002）。 环境毒物可分为化学性的、生物性的和物理性的 三类。
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根毛及其放大图
根毛
根毛 土壤颗粒 土壤水分
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步骤之一：将离子吸附到根细胞表面
■水溶态的污染物到达根表面，主要有两个 途径：一条是质体流途径（mass flow）， 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，即通过扩散而到达根表面。 ■在土壤中，重金属的扩散一般遵循Fick的 第二法则，它的平均扩散距离为：√x2 = √2DT，式中D是扩散系数(cm2/s)，t是时间 (s)。
■革兰氏阴性菌的细胞壁中，两层膜之间只有很薄的
一层肽聚糖结构，因此，一般说来它们固定污染 物的量比较低。 46
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革兰氏染色操作步骤
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（二）生物体对污染物的迁移
■污染物吸附到细胞表面后，由于细胞的能量 转移系统在物质转运过程中不能区分电荷相 同的代谢必需物和污染物，所以可通过摄取 必要的营养元素主动吸收重金属离子。 ■在金黄色葡萄球菌中，Cd2+是通过Mn2+吸收 系统进入胞内，而Zn2+通过Mg2+吸收系统。
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POPs的主要环境特点
■持久性； ■生物累积性；
■长距离运输； ■生物毒性。
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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种POPs
■有意生产——有机氯杀虫剂：滴滴涕、氯丹、灭 蚁灵、艾氏剂、狄氏剂、异狄氏剂、七氯、毒杀
酚；
■有意生产——工业化学品：六氯苯和多氯联苯；
■无意排放——工业生产过程或燃烧生产的副产品：
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H2O 木质部
质外体运输 质外体运输 共质体运输
内皮层
表皮 皮层 H2O H2O H2 O H2O 根毛
H2O
H2 O
H2O
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步骤之三：离子通过内部空间进入木质部
■除外部空间外，根部还有一个逆浓度梯度主 动进入细胞的、不能扩散的内部区域，称 为内部空间。 ■当离子被吸附在细胞膜表层后，经主动转运、 被动转运和膜动转运等方式进入细胞内。 ■离子也可以经过胞间连丝从一个细胞转运到 另一个细胞，由表皮运至木质部。
二恶英（多氯二苯并-p-二恶英）、呋喃（多氯二 苯并呋喃）
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环境激素（Environmental Endocrine Disruptors, EEDs ）
■环境激素，是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”。 ■环境激素包括二恶英（TCDD）、二氯二 苯氯乙烷（DDT）、多氯联苯（PCBs）、 石棉、汞、镉及其化合物、苯乙烯、聚碳 酸脂塑料等有害物质。
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持久性有机污染物
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。
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步骤之一：将离子吸附到根细胞表面
■土壤中重金属离子的扩散系数为：Zn2+ ： 3×10-10cm2/s；Mn2+ ：3×10-8cm2/s。如用 上述公式求算100天内Zn2+ 和Mn2+ 移动的 平均距离，则Zn2+：x=7.2×102cm=0.72mm；Mn2+：x=7.2×10-1cm =7.2mm。 ■结果证明两种重金属移动速度(扩散)是很慢 的，只是靠近根部的重金属才能通过扩散 作用到达根表面。可见，污染物主要通过 质体流途径到达根表面。
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步骤之四：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选择性地 转运。
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（一） 植物对污染物的吸收
2. 地上部分的吸收 ■植物地上部分的营养体包括叶、枝条和茎干，对 外源化学物吸收的主要器官是叶片，而茎干部和 枝条有较厚的外皮层保护，可以有效地阻止环境 化学物的吸收。 ■环境化学物可以通过气孔进入叶内，也可以从角 质层透入。植物叶片表面覆盖着的角质层是由多 糖和角质（脂类化合物）组成的保护层，无结构， 不易透水，但是角质层有裂缝，呈细微的孔道， 可让溶液通过。
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步骤之一：将离子吸附到根细胞表面
■根部细胞在吸收离子的过程中，同时进行着离子
的吸附与解吸附。这时，总有一部分离子被其他
离子所置换。由于细胞的吸附具有交换性质，因
此也称交换吸附。 ■质膜表层有阴阳离子，其中，主要是H+、HCO3-， 这些离子主要是由于呼吸放出的CO2和H2O生成 的H2CO3所离解出来的。
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接触交换
根 根
H+
土粒
K+
K+
H+
土粒
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植物根部通过土壤溶液和土粒 进行离子交换
H2O 根ห้องสมุดไป่ตู้
CO2
H+ + HCO3 K+ HCO3 -
K 土粒
K+
+
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步骤之二：离子通过自由空间（外部空间）
进入皮层内部
■根部有一个与外界溶液保持扩散平衡、自 由出入的外部区域，称为自由空间或外部 空间。包括根部的细胞壁、胞间层和细胞 间隙等部分。 ■离子和水分就是通过自由空间迅速地由根 表面到达皮层内部。 ■植物的细胞壁是污染物进入植物细胞的第 一道屏障，在细胞壁中的果胶质成分为结 合污染物提供了大量的交换位点。
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气孔结构和开关
机理
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用硝酸铅涂叶片各部位铅增加量(%)
（王焕校等，1985） 莴苣 对照 500mg/l 2 000mg/l 3 000mg/l 土 100 12.1 9.5 2.6 根 100 12.6 34.2 102 肉质茎 (可食部分) 100 59.5 826.5 939.4 叶片 100 2 814 13 663 17 664 42
二、植物对污染物的吸收与迁移 三、动物对污染物的吸收与迁移 四、微生物对污染物的吸收与迁移 五、影响植物吸收、迁移污染物的因素
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一、基本概念
■污染物、毒物与毒性
■剂量
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污染物（pollutant）
■ 《辞海》：进入环境后能直接或间接危害人类的 物质，如火山灰、二氧化硫、汞等； ■ 《中国大百科全书· 环境科学卷》：进入环境后使 环境的正常组成发生直接或间接有害于人类的变 化的物质。 ■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（王焕 校等，2000）。这类物质有自然排放的，也有人 类活动产生的。环境科学研究的主要是人类生产 和生活排放的污染物。
致死浓度分绝对致死浓度、半数致死浓度和 最小致死浓度等（指一次染毒后引起受试动物个 别死亡的浓度）。
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二、植物对污染物的吸收与迁移
（一）植物对污染物的吸收
（二）植物对污染物的迁移
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（一）植物对污染物的吸收
■植物对化学物的吸收是一个复杂的生理过
程，它一方面与吸水有关系，另一方面又
有它的独立性，同时对不同离子的吸收还
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污染物的性质
■一种物质成为污染物，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。 ■污染物会在环境中发生转化，即具有易 变性。
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优先污染物（Priority pollutant）
■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，因而提出在众多污 染物中筛选出潜在危险大的作为优先研究 和控制对象，称之为优先污染物。 ■ 1988年我国初步提出水中优先控制污染物 黑名单，共14类68种。14类分别是：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、 酞酸脂类、农药、丙烯醛、亚硝胺类、氰 化物、重金属及其化合物。
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毒性（ toxicity）
■毒性是指一种物质对生物体易感部位产生 有害作用的性质和能力。 ■毒性分级：在我国，常见的是将毒物分为 剧毒、高毒、中等毒、低毒和微毒这五级。
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二、剂量
■一般指给予机体的或机体接触的外源化学物 数量。毒理学常用的剂量概念如下： ▲安全浓度(safe concentration)
有选择性。
■植物吸收污染物的主要器官是根，但叶片 也能吸收污染物。
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（一） 植物对污染物的吸收
1.根部的吸收 ■根尖是植物根部吸收环境化学物的主要部 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以分 为几个步骤： ▲将离子吸附到根细胞表面； ▲离子通过自由空间（外部空间）进入皮层 内部 ； ▲离子通过内部空间进入木质部； ▲离子进入导管 。
污染生态学
Pollution ecology
第一章：生物对污染物的吸收与迁移
（Chapter 1： Rules of pollutant uptake and translocation in living organisms ）
主讲：环境科学与工程学院 王宏镔 2014年9月22日
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内容提要
一、基本概念
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物质的跨膜转运
■被动转运（简单扩散、易化扩散） ■主动转运 ■膜动转运（胞吞和胞吐）：转运过程中细 胞膜结构发生变化。此种转运过程具有特 异性，生物膜也呈现主动选择性并消耗一 定的能量。 胞吞作用是将细胞表面的颗粒物转运入细 胞内的过程；胞吐作用是将颗粒由细胞内 运出的过程。
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膜动转运
（二）植物对污染物的迁移
■环境化学物在植物体内远距离运输的主要是 由维管系统完成，其运输通道包括向上的木 质部导管和向下的韧皮部筛管。 ■在植物根部外皮层和内皮层之间有一特殊结 构，称为凯氏带（casparians strip），可以 控制被根系吸收的外源污染物的运输。凯氏 带是内皮层细胞在侧壁和横壁上的部分加厚 并木质化和栓质化形成的。
■最小有作用浓度（minimal effect level）：能使生 物体开始出现毒性反应的最低剂量。 ■效应浓度（effective concentration）：在某一期限 内导致某一特殊反应的毒物浓度。
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概念解释
致死浓度（lethal concentration）：一次染毒后引起 受试动物死亡的浓度。
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四、微生物对污染物的吸收和迁移
（一）微生物对污染物的吸收
■革兰氏阳性菌的细胞壁有一层很厚的、网状的肽聚
糖结构，在细胞壁表面存在的磷壁酸质和糖醛酸 磷壁酸质连接到网状的肽聚糖上。磷壁酸质的磷 酸二酯和糖醛酸磷壁酸质的羧基使细胞壁带负电 荷，具有离子交换的性质，能与溶液中带正电荷 的离子进行交换反应。
▲最大无作用浓度（maximal no effect level）
▲最小有作用浓度（minimal effect level）
▲效应浓度（effective concentration）
▲致死浓度(lethal concentration)
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概念解释
■安全浓度（safe concentration）：生物与某种污 染物长期接触，仍未发现受害症状，这种不会产 生受害症状的浓度称之为安全浓度。 ■最大无作用浓度（maximal no effect level）：未 能观察到任何损害作用的最高剂量。