污染生态学精.ppt

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1、污染生态学第1页，本讲稿共21页第一节第一节 生物富集的概念生物富集的概念生物富集（生物富集（bioenrichment）：）：生物个体或处于同一营养级的许多生物种群，从周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，又致生物体内该物质的浓度超过环境中浓度的现象，又称称生物浓缩（生物浓缩（bioconcentrationbioconcentration）生物富集常用富集系数或浓缩系数来表示：生物富集常用富集系数或浓缩系数来表示：富集系数生物体内污染物的浓度富集系

2、数生物体内污染物的浓度/生存环境中该污生存环境中该污染物浓度染物浓度还有两个概念：还有两个概念：第2页，本讲稿共21页生物积累（生物积累（bio-accumulation）n n生物积累是指生物体在生长发育过程中，直接通过环境和食物蓄积某些元素或难以分解的化合物的过程。n n生物积累使这些物质的蓄积随该生物体的生长发育而不断增多。早在1887年，人们就发现牡蛎能够不断地从海水中蓄积铜元素，以致使这些牡蛎的肉呈现绿色，叫做“牡蛎绿色病牡蛎绿色病”。二仁溪口二仁溪口附近的海域，原來是廢五金處理所放出的重金屬，以附近的海域，原來是廢五金處理所放出的重金屬，以5050萬倍的濃縮累積萬倍的濃縮累積在牡蠣

3、體中。在牡蠣體中。n n科学家们研究得最多的是生物体从环境中积累有毒重金属和难以分解的有机农药 第3页，本讲稿共21页生物放大生物放大(bio-magnification)n生物放大生物放大是指在同一个食物链上，高位营养级生物体内是指在同一个食物链上，高位营养级生物体内来自环境的某些元素或难以分解的化合物的浓度，高于来自环境的某些元素或难以分解的化合物的浓度，高于低位营养级生物的现象。低位营养级生物的现象。n生物放大一词是专指具有食物链关系的生物说的，如果生生物放大一词是专指具有食物链关系的生物说的，如果生物之间不存在食物链关系，则用生物浓缩或生物积累来解物之间不存在食物链关系，则用生物浓缩或

4、生物积累来解释。释。n直至直至2020世纪世纪7070年代初期，不少科学家在研究农药和重金年代初期，不少科学家在研究农药和重金属的浓度在食物链上逐级增大时，多将这种现象称为生属的浓度在食物链上逐级增大时，多将这种现象称为生物浓缩或生物积累。物浓缩或生物积累。n直到直到19731973年起，科学家们才开始用生物放大一词，并将年起，科学家们才开始用生物放大一词，并将生物富集作用、生物积累和生物放大三者的概念区分开生物富集作用、生物积累和生物放大三者的概念区分开来。研究生物放大，特别是研究各种食物链对哪些污染来。研究生物放大，特别是研究各种食物链对哪些污染物具有生物放大的潜力，对于确定环境中污染物的

5、安全物具有生物放大的潜力，对于确定环境中污染物的安全浓度等，具有重要的意义。浓度等，具有重要的意义。第4页，本讲稿共21页第二节第二节 生物富集机制生物富集机制影响生物富集的因素很多：生物种的特性、污染物的性质、污影响生物富集的因素很多：生物种的特性、污染物的性质、污染物的浓度和作用时间，以及环境特点是主要的、决定性因素。染物的浓度和作用时间，以及环境特点是主要的、决定性因素。一、生物学特性一、生物学特性（一（一)生物体内能与污染物结合的物质生物体内能与污染物结合的物质 生物体内存在的、能与污染物相结合的活性物质的活性强生物体内存在的、能与污染物相结合的活性物质的活性强弱和数量多寡都影响生物的

6、富集。生物体内凡是能和污染物弱和数量多寡都影响生物的富集。生物体内凡是能和污染物形成稳定结合物的物质，都能增加生物富集量。这些组分都形成稳定结合物的物质，都能增加生物富集量。这些组分都能和污染物特别是重金属相结合而形成稳定的结合物，在家能和污染物特别是重金属相结合而形成稳定的结合物，在家富集，也可消除或缓解重金属的毒害作用。富集，也可消除或缓解重金属的毒害作用。这类物质有这类物质有糖类、蛋白质、氨基酸、脂类、核酸等糖类、蛋白质、氨基酸、脂类、核酸等第5页，本讲稿共21页 糖类糖类物质分子结构中都有物质分子结构中都有醛基醛基（葡萄糖，（葡萄糖，果糖是两糖，但易变为醛糖，二糖中的麦芽糖、果糖是两糖

7、，但易变为醛糖，二糖中的麦芽糖、乳糖，多糖小的纤维案等都是由半缩醛羟基与乳糖，多糖小的纤维案等都是由半缩醛羟基与醇羟基缩合而成，其分子结构中部具有醇羟基缩合而成，其分子结构中部具有1 1，4 4苷键，并因此保留一个半缩醛经基，使其中一个苷键，并因此保留一个半缩醛经基，使其中一个单糖有可能转变为醛式）而单糖有可能转变为醛式）而具有还原性具有还原性。在还原性环境中，重金屑离子易被还原，在还原性环境中，重金屑离子易被还原，导致活性下降，并和糖类结合形成不溶性化合导致活性下降，并和糖类结合形成不溶性化合物。物。第6页，本讲稿共21页蛋白质和氨基酸蛋白质和氨基酸也具有与重金属及某些农药相结合也具有与重金

8、属及某些农药相结合的位点。一股认为蛋白质所含有的酸性氨基酸比碱性的位点。一股认为蛋白质所含有的酸性氨基酸比碱性氨基酸多，其等电点接近于氨基酸多，其等电点接近于pH5pH5。如果在中性环境中，蛋白质往往呈阴离子状态，如果在中性环境中，蛋白质往往呈阴离子状态，易和金属阳离子结合易和金属阳离子结合离子吸附作用离子吸附作用第7页，本讲稿共21页 同时氨基醛含有羧基和氨基，它们都能与金同时氨基醛含有羧基和氨基，它们都能与金属相结合而形成属相结合而形成金属螯合物金属螯合物 许多氨基酸还含有一许多氨基酸还含有一N基、一基、一SH基等，也都能与金属基等，也都能与金属结合形成复杂的金属螯合环。结合形成复杂的金属

9、螯合环。第8页，本讲稿共21页 脂类脂类含有极性酯键，这类酯键能和金属离子含有极性酯键，这类酯键能和金属离子结合而形成结合而形成络合物或螯合物络合物或螯合物，从而把重金属贮，从而把重金属贮存在脂肪内。存在脂肪内。核酸在生物富集中具有十分重要的作用。核酸是核酸在生物富集中具有十分重要的作用。核酸是极性化合物，既含有磷酸基又含有碱性基团，属两性电极性化合物，既含有磷酸基又含有碱性基团，属两性电解质。在一定的解质。在一定的pHpH条件下能解离而带电荷，所以能和金属条件下能解离而带电荷，所以能和金属离子结合。离子结合。污染物质和上述生物各织分结合，并被固定在生物体各部位，降低污污染物质和上述生物各织分

10、结合，并被固定在生物体各部位，降低污染物的活性，从而加速生物的吸收，增加富集量。染物的活性，从而加速生物的吸收，增加富集量。第9页，本讲稿共21页 生物对复杂有机化合物的富集能力与其体生物对复杂有机化合物的富集能力与其体内存在的分解该类物质的内存在的分解该类物质的酶的活性酶的活性有关。酶活有关。酶活性越强，则越不易富集；酶活性越弱，则越易性越强，则越不易富集；酶活性越弱，则越易富集。富集。富集还和某些元素的富集还和某些元素的代谢代谢有关，例如，进有关，例如，进入动物体内的无机砷有一部分在体内被甲基化，入动物体内的无机砷有一部分在体内被甲基化，不易排出体外，因此，有机砷化合物远比无机不易排出体外

11、，因此，有机砷化合物远比无机砷化合物容易在体内富集。砷化合物容易在体内富集。第10页，本讲稿共21页 生物体吸收污染物后，由于其特有的生物学生物体吸收污染物后，由于其特有的生物学特征，可以降低污染物的毒性，从而使其在体特征，可以降低污染物的毒性，从而使其在体内富集。内富集。主要表现为：主要表现为：污染物和生物体中某些成分结合污染物和生物体中某些成分结合(络合、整合络合、整合)，不能再参加代谢活动，使污染物失去毒性，从，不能再参加代谢活动，使污染物失去毒性，从而可以在生物体内富集；而可以在生物体内富集；体内污染物在酶的作用下通过氧化、还原、体内污染物在酶的作用下通过氧化、还原、水解、脱烃、脱卤、

12、苯环轻基化和异构化过程，水解、脱烃、脱卤、苯环轻基化和异构化过程，毒性降低，甚至彻底分解，失去毒性，从而加速毒性降低，甚至彻底分解，失去毒性，从而加速生物的吸收，增加生物富集量。生物的吸收，增加生物富集量。第11页，本讲稿共21页(二二)不同器官不同器官 生物的不同器官对污染物的富集量有很大差生物的不同器官对污染物的富集量有很大差异。这是因为各类器官的结构和功能不同，与污异。这是因为各类器官的结构和功能不同，与污染物接触时间的长短、接触面积的大小等也都存染物接触时间的长短、接触面积的大小等也都存在很大差异。在很大差异。对三种鱼对三种鱼(蛙鱼、草鱼、鲤鱼蛙鱼、草鱼、鲤鱼)的研究证明，在的研究证明

13、，在相同铅浓度下，三种色各部位的富集规律都一致，相同铅浓度下，三种色各部位的富集规律都一致，即鳃内脏骨筋头肌肉。即鳃内脏骨筋头肌肉。水稻对水稻对PdPd的吸收为：根的吸收为：根 叶叶 茎茎 谷壳谷壳 米米第12页，本讲稿共21页(三三)不同生育期不同生育期 生物在不同生育期接触污染物；体内富集量有明生物在不同生育期接触污染物；体内富集量有明显差异。对水稻对铅的富集顺序为显差异。对水稻对铅的富集顺序为 拔节期分蘖期苗期抽穗期结实期。拔节期分蘖期苗期抽穗期结实期。叶片和茎对铅的富集量也以拔节期施铅最。叶片和茎对铅的富集量也以拔节期施铅最。谷壳和糙米的富集量则不同都是以结实期施谷壳和糙米的富集量则不

14、同都是以结实期施铅富集量最高，其富集顺序为：铅富集量最高，其富集顺序为：结实期苗期拔节期抽穗期分蘖期。结实期苗期拔节期抽穗期分蘖期。小麦对六六六的吸收也一样小麦对六六六的吸收也一样第13页，本讲稿共21页(四四)不同生物种不同生物种 不同生物种对污染物的吸收累积情况存在差异。不同生物种对污染物的吸收累积情况存在差异。菌耳和地衣菌耳和地衣因为具有很强的吸收痕量元素的能力，比因为具有很强的吸收痕量元素的能力，比同一区域内的树木可吸收累积更多的汞。同一区域内的树木可吸收累积更多的汞。几种杨树富集汞的强弱顺序为加拿大杨晚花杨早杨辽杨。几种杨树富集汞的强弱顺序为加拿大杨晚花杨早杨辽杨。8 8种水生植物对

15、铜的吸收，规律为：苦草种水生植物对铜的吸收，规律为：苦草(2(2种种)黑藻水龙黑藻水龙喜旱莲子草大藻心叶水车前水车前。喜旱莲子草大藻心叶水车前水车前。于常荣等于常荣等(1992)(1992)作了松花江鱼类汞污染现状研究发作了松花江鱼类汞污染现状研究发现生活在同一江段的不同鱼类总汞与甲基汞平均含量各不现生活在同一江段的不同鱼类总汞与甲基汞平均含量各不相同，表现为相同，表现为(按含汞量由高到低顺序按含汞量由高到低顺序)：雷氏七鳃鳗鲶：雷氏七鳃鳗鲶鱼、花鳅、青鱼、黄鱼鲤鱼、银鲫鱼、犬首银鲴。鱼、花鳅、青鱼、黄鱼鲤鱼、银鲫鱼、犬首银鲴。第14页，本讲稿共21页二、污染物的性质二、污染物的性质 包括污染

16、物的价态、形态、结构形式、相对分子量溶解度稳定性包括污染物的价态、形态、结构形式、相对分子量溶解度稳定性（化学、生物）、在溶液种的扩散能力和在生物体内的迁移能力。（化学、生物）、在溶液种的扩散能力和在生物体内的迁移能力。1、稳定性和脂溶性是富集的重要条件、稳定性和脂溶性是富集的重要条件 如如DDTDDT化学稳定性强。为脂溶性物质。易被吸收和积累在脂化学稳定性强。为脂溶性物质。易被吸收和积累在脂肪中。肪中。有机氯农药、多率联苯、甲基汞等、有机氯农药、多率联苯、甲基汞等、有机磷。酚类物质相反，化学不稳定、易分解，不易积累。有机磷。酚类物质相反，化学不稳定、易分解，不易积累。生物富集还与生物对污染物

17、的解毒能力生物富集还与生物对污染物的解毒能力(即污染物的生物稳定性即污染物的生物稳定性)有关。解毒能力越强，则富集能力越弱；反之则富集能力越强。有关。解毒能力越强，则富集能力越弱；反之则富集能力越强。解毒能力又与污染物的化学结构有关。解毒能力又与污染物的化学结构有关。第15页，本讲稿共21页2、污染物渗透能力强弱即在生物体内穿透能力的强、污染物渗透能力强弱即在生物体内穿透能力的强弱，决定了污染物在生物体内富集的部位不同。弱，决定了污染物在生物体内富集的部位不同。穿透力强的农药多富集于果肉、米粒；穿透力弱的种穿透力强的农药多富集于果肉、米粒；穿透力弱的种类则多停留在果皮、米糠之中。类则多停留在果

18、皮、米糠之中。3、基质溶液中，污染物可给态、基质溶液中，污染物可给态(可溶性可溶性)数量的多少直接数量的多少直接影响植物的吸收和富集。影响植物的吸收和富集。根吸收和富集的铅的数量与可溶性铅量显著相关根吸收和富集的铅的数量与可溶性铅量显著相关4、重金属不易分解，易富集，易生物放大、重金属不易分解，易富集，易生物放大第16页，本讲稿共21页 三、污染物的浓度和作用时间三、污染物的浓度和作用时间 生物体内污染物的富集量与环境中污染物的生物体内污染物的富集量与环境中污染物的浓度成正相关，但富集系数与环境中污染的浓度浓度成正相关，但富集系数与环境中污染的浓度没有显著的正相关性，相反有随污染物浓度增高没有

19、显著的正相关性，相反有随污染物浓度增高而逐渐下降的趋势。如镉。而逐渐下降的趋势。如镉。富集量不仅与污染物浓度有关，还与作用时间富集量不仅与污染物浓度有关，还与作用时间密切相关。污染物的浓度越高，作用时间越长，则密切相关。污染物的浓度越高，作用时间越长，则生物体内污染物富集量也愈多。生物体内污染物富集量也愈多。第17页，本讲稿共21页四、环境特点四、环境特点 环境要素通过影响生物的生长发育和污染物的性质来间接环境要素通过影响生物的生长发育和污染物的性质来间接影响污染物的生物富集，土壤重金属作物效应的区域差异就是环境影响污染物的生物富集，土壤重金属作物效应的区域差异就是环境要素作用的结果。要素作用

20、的结果。土壤环境：土壤环境：土壤水分土壤水分过多，污染物以还原态为主活性受到抑制，富集过多，污染物以还原态为主活性受到抑制，富集量减少。土壤水分过少污染物的可给态数量少，富集量亦量减少。土壤水分过少污染物的可给态数量少，富集量亦因此而减少。因此而减少。土壤土壤pHpH低，有利于污染物的活化，富集量增加。低，有利于污染物的活化，富集量增加。土壤中土壤中有机质和矿质元素有机质和矿质元素的大量存在，会极大地降低植物富集重的大量存在，会极大地降低植物富集重金属的数量。金属的数量。不同类型的土壤不同类型的土壤，对不同种类的有机和无机污染物具有不同的，对不同种类的有机和无机污染物具有不同的降解、吸附和淋溶

21、作用，因而影响土壤生物和植物对污染物的生降解、吸附和淋溶作用，因而影响土壤生物和植物对污染物的生物积累。物积累。第18页，本讲稿共21页气态污染物主要通过气孔进人植物体，凡是气态污染物主要通过气孔进人植物体，凡是能影响光合作用的因素均能影响气态污染能影响光合作用的因素均能影响气态污染物在植物体内的积累。物在植物体内的积累。如如:光强光强 温度温度 湿度湿度第19页，本讲稿共21页五、富集与食物链五、富集与食物链在生态系统内，污染物沿食物链流动过程中，含在生态系统内，污染物沿食物链流动过程中，含量逐级增加，其富集系数万倍增加。量逐级增加，其富集系数万倍增加。第20页，本讲稿共21页思考题思考题

22、1 什么叫生物的富集作用什么叫生物的富集作用”2生物为什么能商集污染物生物为什么能商集污染物?3污染物在生物体内富集后产生哪些效应，为什么污染物在生物体内富集后产生哪些效应，为什么?4不同污染物类型和各种污染物质在不同生物及同一生物的不同器官、不同污染物类型和各种污染物质在不同生物及同一生物的不同器官、组织内官集量有明显差异，为什么组织内官集量有明显差异，为什么?据此在不同类型污染地区农作物结据此在不同类型污染地区农作物结构应如何合理布局，如何避免过多污染物进入人体构应如何合理布局，如何避免过多污染物进入人体”5 生物富集与生物解毒之间有什么关系生物富集与生物解毒之间有什么关系 6生物富集与环境之间有什么关系生物富集与环境之间有什么关系 8通过生态系统食物链的延伸，生物富集将发生什么变化，为通过生态系统食物链的延伸，生物富集将发生什么变化，为什么什么?第21页，本讲稿共21页