1、环 境 生 物 学绪 论 本章主要讨论以下三方面的内容：环境与环境问题 环境科学概述 环境生物学概述1 环境与环境问题 环境（Environment）的概念：请思考以下三个问题：“这里环境真优美！”中的“环境”指的是什么？作为环境科学术语的“环境”指的是什么？生态学中“环境”的概念又是什么？一般工具书中定义的“环境”概念 是指人以外的客观事物，将环境作为一种人以外的客观存在来加以定义，如新华字典中定义为：周围的一切事物。作为环境科学术语的“环境”概念 环境科学所研究的中心事物是“人”，则环境是以人类为主体的外部世界，是“人类生存的环境人类生存的环境”，在此基础上定义：影响人类生存和发展的各种天
2、影响人类生存和发展的各种天然的和经过人工改造的自然因素的总和。然的和经过人工改造的自然因素的总和。生态学中“环境”的概念 生态学研究的中心事物是“生物”，则环境是以整个生物界的生命为主体，是“生物生存的环境生物生存的环境”，可定义：直接或间接影响生物生存和发展的各直接或间接影响生物生存和发展的各种因素的总和。种因素的总和。小结小结：“环境”具有相对性，在不同的学科中含义不同，主体的改变往往导致环境概念含义的不同。人类是环境发展到一定阶段的产物，环境是人类生存的物质基础，环境在影响人类生产、生活的同时，人类也在不断地利用和改造自然环境。故人类和环境密切联系，相互作用。环境问题环境问题的概念指由于
3、人类活动作用于人们周围的环境所引起的环境质量变化，以及这种变化反过来对人类生产、生活和健康的影响问题。其产生是人类社会发展到一定阶段人类与环境矛盾激化的产物。其实质是由于人类活动超出了环境的承受能力，对其所赖以生存的自然生态系统的结构和功能产生了破坏作用，导致人与其生存环境的不协调。环境问题的分类 环境污染 生态破坏重大的环境问题 温室效应和气候变暖 臭氧层的破坏 酸雨 有毒物质污染20世纪著名的八大公害事件公害事件名称地 点时 间危害情况1.马斯河谷烟雾事件比利时1930.12几千人发病，60人死亡2.多诺拉烟雾事件美国1948.106000人患病，17人死亡3.伦敦烟雾事件英国1952.1
4、25天内4000人死亡4.洛杉矶光化学烟雾美国40年代引起眼病，喉头炎,头痛5.水俣事件日本1953始痴呆，神经失常，死亡6.富山事件日本1931始关节痛,骨骼软化萎缩,痛死？表绪1 温室效应与全球变暖 温室效应 大气对地表热辐射能遮挡保温的属性类似温室中玻璃具有的作用，故被称为温室效应。温室气体 大气中能强烈吸收地面辐射产生温室效应的气体。包括：二氧化碳、水汽、甲烷、氧化亚氮、臭氧等。全球变暖问题 主要指人为活动造成的温室气体增加，温室效应增强带来的气候变化。人类活动对气候变暖的影响主要表现为由于工业生产需要的化石燃料使用量大增，人口激增城市化发展等引起人为排放的二氧化碳等温室气体不断增加；
5、热带森林和温带植被破坏严重，光合作用吸收二氧化碳的能力减弱。资料表明 1860年以来，全球地表年平均气温升高了0.3-0.6；根据跨政府气候变化委员会预测，从1990到2100年，全球陆面气温将增加2；气候变暖的直接结果 是世界各地冰川的溶化（后退），引起海平面的上升。海平面升高的后果是严重的，将直接威胁世界沿海城市及30多个岛屿的生存和发展。美国环保专家预测，再过5070年，东京、大阪、曼谷、威尼斯、圣彼得堡、阿姆斯特丹以及中国等一些沿海城市会被完全和局部淹没。气候变暖的间接结果 是灾害性气候：厄尔尼诺现象。厄尔尼诺可以引起全球大范围的干旱，也可使某些地区暴雨成灾。例如，1997年3月开始的
6、第14次厄尔尼诺：中国：长江、松花江、嫩江全流域大洪水，直接损失几千亿元。98年1月10日张北地区62级地震。11月19日云南宁蒗又生生62级地震。臭氧层破坏 臭氧O3 臭氧大部分集中在1030km的平流层。平流层中臭氧的存在对于地球生命物质至关重要，通过吸收太阳辐射维护地球的能量平衡和生态平衡。因为，它阻挡了UV-B段紫外辐射到达地面。研究表明UVB能破坏生物蛋白质和基因物质，造成细胞死亡；使八类皮肤癌发病率增高；伤害眼睛导致白内障而使眼睛失明；抑制植物如大豆、瓜类、蔬菜等的生长；并穿透10m深的水层，杀死浮游植物和微生物，从而危及水中生物的食物链和自由氧的来源，影响生态平衡和水体的自净能力
7、。因此，臭氧层实际上已成为地球生命系统的保护层。南极臭氧层空洞Ozone Hole 80年代观测发现，自每年9月份下旬开始，南极洲上空的臭氧总量迅速减少一半左右，极地上空臭氧层的中心地带，近90臭氧被破坏，若从地面向上观测，高空臭氧层已极其稀薄，与周围相比象是形成了一个直径上千公里的洞，称为“臭氧洞”。酸雨 一般将pH小于5.6的降雨称为酸雨。酸雨的成因？酸雨的危害？被严重腐蚀的建筑物有毒物质污染有毒物质污染是指对生态系统和人类健康有毒害作用的物质排放到环境中而引起的危害。这些物质都是生产和生活过程中的产物，如废水、废气和固体废弃物、农药、化肥和放射性物质等。生态环境破坏 生态环境破坏是由于对
8、自然资源的不合理开发和利用而引起的。例如：中国科学院发布的一份国情报告：中 国 在 9 0 年 代 的 沙 漠 化 速 度 是 每 年2100km2，相当于两个半香港，或30个北京城。而2000年已达2460 km2，2003年已超过3000 km2。遥感普查数字表明：中国水土流失面积已达367万km2，约占国土面积的38，总量达每年50亿吨，相当于全国的耕地每年被剥去1cm的肥土层，损失N.P.K肥4000多万吨，相当于全国1年生产化肥的总和。地球土层的平均厚度18cm，在温带地区的自然条件下,每形成1cm的表土需100400年，即使管理极好，也需20年。此外，黄河断流，塔里木河断流，罗布泊
9、消失，长江危机，长江每年表土流失24亿吨，5亿吨流入东海。还有，滥用化肥和农药，造成土壤退化，我国中低产田已由原来的60上升到80。小结 解决环境问题的根本途径是调节人调节人类社会活动与环境的关系类社会活动与环境的关系。要真正实现这种调节必须具备下列条件：掌握自然生态规律。通晓环境变化过程，能预测人类活动引起的环境影响，运用规律去利用自然资源、改造自然。2 环境科学概述 2.1环境科学的研究对象和任务 环境科学的研究对象 环境科学是是以“人类环境人类环境”系统为其特定的研究对象，它是研究“人类环境人类环境”系统的发生、发展、调节和控制以及改造和利用的科学。环境科学的任务 环境科学的任务是揭示人
10、类环境人类环境矛盾的实质，研究两者之间的辨证关系，掌握其发展规律，调控人类环境之间的物质和能量交换过程，寻求解决矛盾的途径和方法，以改善环境，促进人类社会的向前发展。2.2 环境科学的发展史 相关学科的探索：19世纪末期，地学、生物学、化学、物理学、医学和一些工程技术学科的学者分别从本学科的角度开始对环境问题进行探索和研究。环境科学的孕育：20世纪50年代，在地学、生物学、化学、物理学、医学和一些工程技术学科的基础上，逐渐形成了一些新的边缘学科，如环境生物学、环境化学、环境物理学、环境医学、环境工程学、环境经济学、环境管理学等等，在这些分支学科的基础上，孕育着环境科学。环境科学的形成：1972
11、年，英国经济学家B.沃德、美国微生物学家R.杜德斯主编出版了只有一个地球一书，该书被认为是环境科学的一部绪论性质的著作，从此形成了环境科学相对独立的研究体系。环境科学的新境界：1992年，在里约热内卢会议上提出了“可持续发展”的新概念。在这一新发展观的指导下，环境科学又进入了一个更高的境界，将从此发展成为一门崭新的、独立的科学。2.3 环境科学的内容 添加环保概论上的图3 环境生物学概述3.1环境生物学的定义、研究对象和目的 什么是环境生物学？环境生物学是研究生物与受人类干扰的环境之间相互作用规律及其机理的科学。环境生物学的研究对象 环境生物学的研究对象是生物生物与受人类干扰的环环境境之间相互
12、关系 环境生物学的研究目的 环境生物学的研究目的：在于为人类维护生态健康，保护和改善环境，为合理利用自然和自然资源提供科学基础，促进环境和生物的相互关系以有利于人类的生存和社会的可持续发展。环境生物学的形成和发展3.2 环境生物学的任务与研究内容任务阐明环境污染的生物学或生态学效应探索生物对环境污染的净化原理探讨自然保护生物学和恢复生态学、保护生态学的原理与方法研究内容环境污染的生物效应环境污染的生物净化保护生态学3.4 环境生物学的研究方法 野外调查和试验 实验室试验 模拟研究3.5 环境生物学的发展趋势目前发展的趋势主要表现在以下几个方面：生态毒理学研究 生态毒理学（Ecotoxicolo
13、gy）是研究环境压力对生态系统内的种群和群落的生态学和毒理学效应，以及物质或因素的迁移途径和与环境相互主要规律。环境生物学正向宏观和微观两极方向深入发展：宏观领域内，研究对象已由个体、种群、群落转移到生态系统和景观生态，向在生态系统水平上评价生态效应的方法和模型发展；在微观领域，采用分子生物学、遗传学等生物学方法和技术，研究污染物及其代谢物与生物大分子及细胞的相互作用等。环境污染的生物净化 研究开发对高浓度有机废水、生物难降解物质、氮磷营养物质等能有效去除的新工艺和新方法。环境生物技术 环境质量的生物监测与评价技术的发展 污染净化和受损环境修复的生物技术 保护生态学 自然保护生态学 恢复生态学
14、3.6 环境生物学与相关学科的关系 与生态学学科的关系 生态学的研究重点在生态系统和生物圈各组成成分之间的相互关系。环境生物学是以生态学的基本原理作为其理论基础的，但其研究的环境是以人类人类为主体的环境，从研究的切入点和研究层次上两者是不同的。与毒理学学科的关系 毒理学是研究外来化合物外来化合物对生物体毒性作用的一门学科。环境生物学在毒理学的基础上，进一步应用生态学、分子生物学、生物化学及生物物理学等基础学科对环境污染物的毒作用机理、影响其毒性作用的各种因素和控制规律等众多内容进行深入研究。本课程的重点内容和学习要求 环境污染的生物效应 要求：理解污染物在环境中的迁移、转化和积累的生物学规律以
15、及在各个水平上对生物的影响和危害，在此基础上，掌握环境污染的生物监测与生物评价的基本理论和方法。环境污染的生物净化：要求：理解环境污染生物净化的基本原理和方法，理解生物降解的规律、原理和途径，了解现代生物技术在污染物生物净化中的应用。在学习了本章内容之后，请思考以下问题：环境生物学在环境科学研究中有哪些作用？应如何开展环境生物学的研究？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
16、.1 环境污染概述 什么是环境污染（Environmental Pollution）？通常，环境污染主要指人类活动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自然突变或异常突变或异常。环境污染的分类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
17、等。污染源（Pollution Source）工业污染源 农业污染源 交通运输污染源 生活污染源污染物的自然来源自然来源（Natural Source）: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（人为来源（Artificial Source）:来自人类活动，影响范围广、危害大，如工业三废图1-1 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 一次污染物和二次污染物：二次污染物是指进人大气的一次污染物之间相互作用或一次污染物与正常大气组分发生化学反
18、应，以及在太阳辐射线的参与下引起光化学反应而产生的新的污染物，它常比一次污染物对环境和人体的危害更为严重。优先污染物（Priority Pollutant）：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 1.2.1 污染物在环境中的迁移 迁移的定义：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
19、括：（1）人类活动过程中无意排放（2）工业三废（3）人类活动过程中故意应用 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。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影响迁移的因素：
20、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 胶体的种类、数量 络合配位体的数量、性质1.2.2 污染物的形态和分布（Form and Distribution of Pollutant）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：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
21、几种重要的形态分类 离子态 代换态 胶体 有机结合态 难溶态污染物的分布 污染物的分布 定义：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1.2.3 污染物在环境中的转化（Transformation of Pollutant）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：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：以光化学氧化、催化氧化反应为主 例一：光化学烟雾（Photoch
22、emical 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）大气中的转化大气中的转化 NO2（微量）NO2+UV NO2 NO2 NO+O O+O2 O3 O3+NO NO2+O2 O3 O3+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 HC NO2 太阳 紫外光 紫外光 HC+O2+NO2+UV O3+甲醛+PAN+氧化产物 O3 PAN 甲醛、丙稀醛等 伤害植物 伤害植物
23、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自然源、电厂以及内燃机等排放出的污染物在大气中发生化学反应产生导致酸沉降的化学物质。图14 酸沉降形成示意图水体中的转化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 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。配合作用 无机配位体：OH、Cl、CO32-、HCO3等 有机配位
24、体：生物降解作用土壤中的转化土壤中的转化 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。氧垂曲线（Oxygen Sag Curve）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 腐败区 恢复区 1.2.4 污染物的生物地球化学循环 生物地球化学循环的概念 指生物的合成作用合成作用和矿化作用矿化作用所引起的污染物周而复始的循环运动过程。注：合成作用合成作用指生物（主要是绿色植物）将吸收的
25、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 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（Biotransport or Biotransport）的概念 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 细胞质
26、膜结构图污染物透过细胞膜的方式 特点 方式浓度梯度有无载体是否耗能其它特点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易化扩散高浓度低浓度（顺）表11 污染物透过细胞膜的方式污染物的吸收（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
27、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。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 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。污染物的排泄 指进入机体的环境污染物及其代谢产
28、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。3.2 污染物在体内的生物转化 生物转化（Biotransformation）的概念 生物转化指外源化合物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
29、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（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。生物转化的过程 相I过程（反应）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
30、露。相II过程（反应）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。排出体外外源性化合物一级代谢物 结合产物（二级代谢物）毒害作用过程I（相I反应）图15 生物转化过程示意图过程II（相II反应）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 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
31、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的微生物转化影响生物转化的因素 物种差异和个体差异 由各自的遗传因素决定，主要表现在体内酶的种类和活力不同上。饮食营养状况 蛋白质、无机盐、维生素等营养缺乏时会不同方式地影响生物转化作用。生理因素 年龄因素 性别因素 激素和昼夜规律：机体在每日不同时间的生物转化能力有高低差异，与内分泌功能的昼夜规律有关。代谢酶的抑制和诱导小结 任何一种外源性化合物的生物转化方式不是简单的，它们可同时进行不同的氧化还原或水解反应，此后又可继续进行不同类型的结合反应。生物转化的结果有
32、两方面：解毒作用（失活）：使外源性化合物毒性降低，易于排出，或使其转变为易于被其它微生物所降解的化合物。增毒作用（活化）：使其毒性增加1.4 环境污染物在生物体内的浓缩、积累和放大基本概念：生物浓缩（Bioconcentration）指生物机体或处于同一营养级上的许多生物种群，从周围环境中蓄积某种元素或难分解化合物，使生物体内该物质的浓度超过环境中的浓度的现象，又称生物学浓缩、生物学富集。生物浓缩系数KBCF（Bioconcentration Factor）KBCF物质在生物体内的浓度/物质在环境介质中的浓度 生物积累（Bioaccumulation）指生物在其整个代谢活跃期间通过吸收、吸附、
33、吞食等各种过程，从周围环境中蓄积某些元素或难分解化合物，以致随着生长发育，浓缩系数不断增大的现象，又称生物学积累。生物放大（Biomagnification）指在生态系统中，由于高营养级生物以低营养级生物为食物，某元素或难分解化合物在生物机体中浓度随营养级的提高而逐步增大的现象，又称生物学放大。思考：许多生物外源性物质在环境中的含量很低，通常在ppb级，为什么这么低的浓度还会引起严重的问题？这正是由于生物放大作用造成的，这样的生物外源性物质必须满足以下两个条件：一、难以生物降解；二、具有亲脂性。思考：三个概念的有何区别？有何意义？生物浓缩：C体内C环境 生物积累：t（生长期），KBCF 生物放
34、大：营养级，KBCF 生物浓缩系数的测定 平衡浓缩系数：物质交换达到动态平衡时的浓缩系数。测定方法：优缺点 实验室饲养法：条件易于控制，但数值不够准确 野外调查法：数值标准，但技术难度大，可能时间周期长 动力学方法：节省试验时间，更适合大个体生物 影响因素 生理因素：如生物的生长、发育、大小、年龄 环境因素：如污染物的浓度、化学形态、环境温度、pH值、光照条件及季节表12汞在水生物中的富集生物类型汞浓度（ppm）浓缩系数食肉娃鱼1-210000-20000小鱼0.1-0.31000-3000低等动物0.02-0.05200-500植物0.01-0.02100-200海水0.0001生物浓缩机理
35、和浓缩模型q v C BiVBCBVTCTK2CTq v C Bo血液组织图16 生物体某一组织生物浓缩的机理模型TTBoBiVTTcKVccqdtdcV2 tKBoBiTVTeccKVqtc221 BoBiTVTccKVqc2由此可知：生物组织中化合物的浓度不仅与该化合物在该组织中的代谢速率有关，还与进出组织的血液中的化合物浓度差成正比。影响生物浓缩的因素 生物种的生物学特征 不同组织器官的影响 不同生育期 与性别的关系 污染物的性质 污染物浓度和作用时间 环境条件1.5 生物对污染物在环境中行为的影响1.5.1生物污染（Biological Pollution）环境中的病原微生物（Path
36、ogenic Microorganism）例如：沙门氏菌、霍乱弧菌、肠道病毒等 水体的富营养化水体的富营养化（Eutrophication）概念：指大量的氮磷等营养元素物质进入水体，使水中藻类等浮游生物旺盛增殖，从而破坏水体的生态平衡的现象。不良后果：微生物代谢产物产生的污染 硫化氢 酸性矿水酸性矿水 硝酸和亚硝酸 微生物毒素 指微生物在其生长、代谢过程中所产生的毒素，可污染食品和环境，危害人类健康。如黄曲霉毒素、葡萄球菌肠毒素、藻类毒素等。酸性矿水 反应式？成因 由黄铁矿（FeS2）氧化所产生的硫酸引起，微生物与形成酸性矿水的整个过程密切相关。当pH3.5时，铁细菌即氧化亚铁硫杆菌可催化铁的
37、氧化，其它如氧化硫硫杆菌和氧化亚铁铁杆菌都与酸性矿水的形成密切相关。危害 酸性矿水中最有破坏性的组分是硫酸，有直接的毒性及其他不良影响。防治 利用碳酸钙矿石中和过量酸性矿水，但Fe(III)往往同时存在，反应后，pH上升，Fe(OH)3立即覆盖在碳酸钙矿石的表面成为不透水层，这种保护效应阻止了碳酸钙对酸的进一步中和。1.5.2 金属的生物转化 金属的毒性 影响因素：金属的浓度、金属的存在状态 例如，六价铬比三价铬毒得多；甲基汞的毒性比其他的汞化合物毒性大得多；有机锡比无机锡毒，有机锡中的烷基锡比芳香基锡毒，烷基锡中三烷基又比其他烷基锡毒。金属的微生物转化 微生物对金属的毒性转化，主要是氧化还原
38、氧化还原和甲甲基化作用基化作用。汞的转化汞的转化 汞的存在形式 无机汞：零价的金属汞与一价汞盐几乎不溶;二价汞盐除了硫化汞、碘化汞外几乎均可溶解 有机汞：汞易和有机基团形成化合物，通常是以共价键连接在碳原子上形成有机汞。汞化合物的毒性 难溶的汞生物吸收困难，毒性很小 易溶的汞容易吸收，毒性很强（其中甲基汞的毒性最强）毒性体现：生物的神经系统受到伤害，神经麻痹以致引起死亡。实例：日本的水俣湾甲基汞中毒事件就是典型的汞污染事件。这类汞中毒一般都不是通过直接饮用水被汞污染造成，而是由于甲基汞在食物链积累并由水中的鱼类向上传递给人而引起的。汞的甲基化汞的甲基化 汞的甲基化是由微生物形成的。鱼类体表粘液
39、中有许多含有甲基化辅酶的微生物，他们将无机汞转化为甲基汞，动物和人体肠道肠道中的细菌大部分也具有这种功能，因此甲基汞中毒是由微生物造成的。汞甲基化微生物：细 菌甲烷菌、匙形梭菌、荧光假单胞菌、大肠埃希氏菌、产气肠杆菌、巨大芽孢杆菌真 菌粗糙链孢霉、黑曲霉、酿酒酵母等。过程如下：Hg2+Hg+-CH3 Hg(CH3)2 甲基化辅酶甲基化辅酶-CH3-CH3甲基汞的降解甲基汞的降解 事实上通常情况甲基汞在天然水体中的浓度十分低，这是由于不仅存在汞的甲基化，同时还存在甲基汞的降解，甲基汞可被生物还原为金属汞。甲基汞降解微生物：柠檬酸杆菌、假单胞菌、节杆菌、隐球菌等。小结 生物意义：汞的甲基化与脱甲基
40、化通常保持着一个动态的平衡，从而使环境中的甲基汞浓度维持在低水平。但是，在有机污染严重、pH较低的环境中，容易形成和释放甲基汞，对生物的危害较大。一方面甲基汞溶于水被鱼、贝吸收浓缩，另一方面甲基汞还会逸出水体，进入大气，使污染扩大。其它重金属的转化其它重金属的转化 与汞相似，重金属普遍可被微生物甲基化重金属普遍可被微生物甲基化;甲基化的重金属普遍毒性提高，这些金属包括砷、硒、铅、锡、镉、锑等。重金属生物转化的环境效应:微生物通过分泌作用或呼吸作用排出形成的有机金属化合物，是微生物具有的一种对有毒金属解毒方式；但被排出的金属化合物，可能比其原形态对高等生物具更大的危害性。另一方面，微生物可将化合
41、态的重金属转化还原为单质形式，这种转移方式可暂时或永久地将金属从生物接触的环境中清除出去。思考题 污染物在环境中的迁移方式和转化途径有哪些？什么是生物转运和生物转化？污染物透过细胞膜的方式有哪些？有何特点？什么是生物浓缩、生物积累、生物放大和浓缩系数？第二章 污染物对生物的影响本章将讨论以下内容：污染物在生物化学和分子水平上的影响 污染物在细胞和器官水平上的影响 污染物在个体水平上的影响 污染物在种群和群落水平上的影响 化学污染物对生物的联合作用2.1 污染物在生物化学和分子水平上的影响 生物系统的各级生物学水平：生物分子 细胞器 细胞 组织 器官 器官系统 个体 种群 群落 生态系统污染物进
42、入机体后导致的生物化学变化包括：防护性生化反应和非防护性生化反应作用类型例子后果防护性混合功能氧化酶的诱导加快新陈代谢，生成水溶性代谢物，从而加速排泄金属硫蛋白的生成增加对金属的束缚速度，从而降低金属的生物利用率非防护性乙酰胆碱酯酶的抑制作用50以上因抑制而产生可见的毒性效应表21 对污染物的防护性和非防护性生化反应2.1.1 污染物对生物机体酶的影响 什么是酶（enzyme）？酶是一种特殊的蛋白质，在生物体内对代谢活动起催化作用，本身不发生变化。受酶作用的物质称为基质（底物）基质（底物），在酶作用下的反应称为酶促反应酶促反应。酶和污染物的相互作用 污染物进入机体后，一方面在酶的催化酶的催化下
43、，进行代谢转化，另一方面也导致体内酶活性酶活性改变改变，影响酶的数量和活性。另外有些环境污染物对酶有诱导作用。目前已发现多种环境污染物能诱导生物体内一些酶的活性增加，例如：有机氯农药、多氯联苯、多环芳烃、表面活性剂、增塑剂和染料中间体等，均可对酶产生诱导作用。1 污染物对酶辅助因子的影响 一些污染物能与酶的辅助因子金属离子作用，从而使辅助因子失活，影响到酶的活性。例如：氰化物等能与细胞色素酶中的铁离子结合，形成稳定络合物，而抑制细胞色素的酶活性，使其不能传递电子，则细胞内的氧化代谢过程中断，使机体不能利用氧，出现内窒息性缺氧。2 对酶活性中心的影响 污染物还能和酶的其它活性基团结合，如汞和砷与
44、某些酶的活性基团结合就很牢固，从而使酶失去活性。3 破坏酶的结构 有些污染物能够取代酶分子中的某些成分，从而使酶失去活性。如铍的毒作用机理就是能取代某些酶分子中的镁和锰，破坏了酶的正常结构，使酶失去活性。污染物对生物体内酶的影响 4 与酶激活剂作用 有些酶需要激活剂才能表现活性。酶激活剂往往是金属离子，凡是能与激活剂作用的污染物都能抑制酶的活性。5 污染物与基质竞争同种酶而抑制酶的作用 污染物与底物有相似的结构，也能酶形成复合物，从而竞相和酶发生作用。酶的抑制 不可逆性抑制 非竞争性抑制 竞争性抑制混合功能氧化酶（MFO）混合功能氧化酶（MFO）MFO是污染物在体内进行生物转化相I过程中的关键
45、酶系，它们对人工化学品解毒发挥了重要作用。MFO引起的生物转化的反应特征相同，但底物、产物的化学特性差别很大，即具有多种催化功能。混合功能氧化酶（MFO）的作用 MFO存在于所有的脊椎动物和大部分的无脊椎动物中，其作用是代谢非极性的亲脂性有机化合物，包括内源性化合物和外源性化合物。从解毒作用来看，许多外源性化合物进入体内，经MFO作用后发生各种变化，大多数被转化成低毒易溶的代谢产物排出体外。但有的则变成高毒甚至致癌物。抗氧化防御系统酶 活性氧（Activiated Oxygen）带有23个电子的分子氧还原产物，主要有：OH、O2、H2O2 活性氧的控制和消除 由体内产生的活性氧可为抗氧化防御系
46、统控制，消除活性氧对机体的伤害作用。某些污染物如多环芳烃、多氯联苯可在生物体内进行生物转化时产生大量活性氧。在一定范围内，这些活性氧可被体内的抗氧化防御系统清除，但当体内的抗氧化防御系统不能消除这些活性氧时，它们可使DNA链断裂、脂质过氧化、酶蛋白失活等，从而引起机体氧化应激或氧毒性。抗氧化防御系统酶 超氧化物歧化酶（SOD）谷胱甘肽氧化酶（G P x）过氧化氢酶（Ct）2.1.2 污染物对生物大分子的影响污染物对生物大分子的影响主要表现在以下方面：干扰正常的受体配体的相互作用 受体（receptor）是许多组织细胞膜上的大分子成分，配体（ligand）是生物体内的一些具有生物活性的化学物。正
47、常情况下，受体与配体结合形成受体配体复合物，产生一定的生物学效应。生物膜损伤 不少环境化学物通过改变膜脂流动性，影响膜的通透性和镶嵌蛋白质的活性，改变其结构和稳定性，从而产生生物效应 干扰细胞内钙稳态 正常情况下细胞内的钙浓度较低（107108 mol/L），细胞外浓度较高（103 mol/L）。各种细胞毒物，如硝基酚、过氧化物、汞、铅等重金属离子均能干扰细胞内钙稳态，引起细胞损伤和死亡。干扰细胞能量的合成 一些环境污染物可干扰糖类的氧化，使细胞不能合成能被生物利用的ATP，ATP使细胞生命活动得不到充足的能量供给 脂质过氧化(lipied peroxidation)与自由基 脂质过氧化是细胞
48、损伤的一种特殊方式,是由于产生了自由基而引起的,正常情况下,生物体内氧化、还原和酶促反应过程中，均可产生少量自由基，一般可被体内存在的抗氧化物质（如维生素C、维生素E）所对抗，对生物危害不大。当大量污染物（自由基）进入机体，造成机体抗氧化作用失衡，即可发生脂质过氧化，对生物体造成危害。与生物大分子共价结合 共价结合可改变生物大分子的结构和功能，引起一系列生物学改变，特别是与酶蛋白、脂肪、核酸等重要生物大分子共价结合，能改变其化学结构，影响其生理功能，甚至导致变性和细胞死亡。例：污染物对蛋白质的影响污染物对蛋白质的影响主要表现在以下方面：导致蛋白质化学损伤：细胞膜结构及通透性改变；影响酶的催化功
49、能等 诱导生物机体内一些功能蛋白的产生：如应激蛋白（Stress Proteins）和金属硫金属硫蛋白蛋白（Metallothionein）的产生，这些蛋白质的产生可保护生物机体抵抗污染物的损害。注：金属硫蛋白对二价金属离子具有极高的亲和力，在细胞内起贮存必需的微量金属如Zn、Cu和结合有毒金属如Cd、Hg的作用，它与必需金属的结合起调节这些金属在细胞内浓度的作用，而与有毒金属结合则可以保护细胞免受金属毒性影响。污染物对DNA的影响 外源性化合物及其代谢产物能引起DNA损伤，它们与DNA的相互作用过程有以下四个阶段：形成DNA加合物（DNA Addcuts）发生DNA的二次修饰 DNA结构的破
50、坏被固定 当细胞分裂时，外源性化合物造成的危害可导致DNA突变及其基因功能的改变 DNA加合物的形成是产生DNA损伤最早期的作用，随后产生的最重要影响是DNA结构的改变结构的改变，如碱基置换、碱基丢失、链断裂等。DNA加合物作为一项生物指标来评价环境中化学污染物的遗传毒性的研究日益受到重视。2.2 污染物在细胞和器官水平上的影响 2.2.1 对细胞膜的影响 对细胞膜的影响主要表现在以下方面：污染物引起的脂质过氧化作用导致的损伤 污染物可影响膜的离子通透性 污染物与膜上的受体结合，干扰正常的生理功能2.2.2 对细胞器的影响 线粒体 线粒体是细胞供能的场所。污染物可引起其结构改变，从而影响线粒体
