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1、第五章 陆地生态系统污染生态学,陆地生态系统污染生态系统是污染生态学的一个重要研究领域,以人类赖以生存的陆地生态系统为研究对象,研究污染物在系统中的生态过程,发生规律以及污染物对系统在个体、种群、群落乃至系统水平上的生态效应,探讨控制和治理陆地生态系统污染的合理途径,以求得资源环境的持续发展。,第一节 陆地生态系统中主要污染物质及其来源 1.陆地生态系统污染的特点 A.污染来源:工农业生产和居民生活中排出的废弃物。 农业:人口压力追求高产、稳产,农业越来越依赖化肥和农药的使用,造成土壤中农药和硝酸盐的积累,并进一步污染地下水；高密度的农业生产活动导致土壤微生物群落结构失衡,一些不良微生物群落成
2、为群落中的优势种群,形成地域性的生物污染。,工业:一方面人们通过采矿、冶炼、化工提纯等技术使本来在环境中呈分散、低浓度存在低物质如重金属、放射性元素及天然的有机化学品得以浓缩和富集于局部陆地生态环境;另一方面,人工工业合成生产出更多的对于自然界来说相对陌生的物质,如DDT,氟利昂等，这些污染物远远超出了陆地生态系统原有的自净能力。 1987年美国登记的化学品达700万种,并且以每年1000种的速度增长,同时化学品的产量也在飞速增长。 居民生活污染:生活污水,携带大量动植物油类、洗涤剂及N,P等营养物质;生活垃圾。,B.陆地生态系统污染特点: 1)广泛性 2)复杂性 3)复合型 4)不均衡性 5
3、)不稳定性,2.主要污染物质及其含量与分布 A.主要污染物:包括有机污染物、无机污染物和生物性污染三类。 有机污染物:可根据化学结构和性质不同分为许多亚类:卤代烃、酚类、邻苯二酸酯、多环芳烃、多氯联苯、有机氯农药、有机磷农药、氨基甲酸酯等。 无机污染物：N,P和S等营养性污染物;重金属元素Hg、Cd、Pb、As、Cr、Cu和Zn等;放射性元素污染,铯和锶的裂变产物;稀土元素。 生物性污染:各类病虫害、菌类污染。,陆地生态系统主要污染物及来源,B.优先污染物:是各国政府根据污染物的毒性、出现频率和环境浓度等因素确立的重点控制污染物。 1977年美国在清洁水法中规定类65类129种优先控制的有毒污
4、染物；随后联邦德国、日本、荷兰和欧共体等国家和组织相继规定了各自的优先控制污染物黑名单或灰名单；我国1988年颁布了14类68种水中优先控制污染物。,68种作为水中优先控制污染物名单，注有者为推荐近期实施的名单计48种，它们是： 1、挥发性卤代烃类：二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳、1,2一二氯乙烷、1，1，1一三氯乙烷、1，1，2一三氯乙烷、1 , 1 , 2 , 2一四氯乙烷、三氯乙烯、四氯乙烯、三溴甲烷，共计10个。 2、苯系物：苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯、间二甲苯，对二甲苯，共计6个。 3、氯代苯类：氯苯、邻二氯苯、对二氧苯、六氯苯，共计4个。 4、多氯联苯，1个。 5、酚类：苯酚、间甲酚、
5、2,4一二氯酚、2,4,6一三氯酚、五氯酚、对硝基酚，共计6个。,6、硝基苯类：硝基苯、对硝基甲苯、2,4一二硝基甲苯、三硝基甲苯、对硝基氯苯、2,4苯一硝基氯苯，共计6个。 7、苯胺类：苯胺、二硝基苯胺、对硝基苯胺、2,6一二氯硝基苯胺，共计4个。 8、多环芳烃类：萘、荧蒽、苯并(b)荧蒽、苯并（k）荧蒽、苯并（a）芘、茚并(1,2,3一cd)芘、苯并(g，h，l)芘，共计7个。 9、酞酸酯类：酞酸二甲酯、酞酸二丁酯、酞酸二辛酯，共计3个。 10、农药类：六六六、DDT、敌敌畏、乐果、对硫磷、甲基对硫磷、除草醚、敌百虫,共计8个。,11、丙烯腈，1个。 12、亚硝胺类:N一亚硝基二乙胺、N一
6、亚硝基二正丙胺,共计2个。 13、氰化物，1个。 14、重金属及其化合物:砷及其化合物、铍及其化合物、隔及其化合物、铬及其化合物、铜及其化合物、铅及其化合物、汞及其化合物、镍及其化合物、铊及其化合物，共计9个。,3.主要污染来源 1)工业污染源：工业废水、废渣和废气 2)农业污染源：化肥、农药、地膜和生物性污染 3)居民生活污染 4)特殊行业污水和废弃物：核技术生产和医药卫生行业 5)二次污染：酸雨的重金属活化作用；污染物的全球化迁移，对污染物以外的地区来说是一种二次污染。,第二节 污染物在陆地生态系统中的迁移与积累 1.植物吸收与积累 1)植物吸收和积累的普遍性 水溶性污染物通过植物根系吸收
7、； 挥发性污染物通过植物呼吸作用吸收； 极难溶于水,极难挥发的物质,由于植物吸收营养物质过程并不是绝对严格的选择作用,植物对这些污染物也有一定吸收。,2)影响植物吸收与累积的因素 A.植物种类、不同生长模式和不同部位对污染物的吸收不同； B.污染物的物理化学特性； C.土壤组成与理化性质：土壤pH值、土壤矿物质和有机质含量、土壤颗粒； D.环境因素：温度、湿度条件； E.共存污染物的影响。,汞在胡萝卜和白萝卜可食部位的富集规律研究 杨勇等 农业环境科学学报2007,26(1):156- 159,几种重金属( Cd、Pb、Cu、Zn) 在玉米植株不同器官中的分布特征 李静等 中国农学通报 200
8、6，第22 卷，第4 期:444-447,3)叶片吸收与生物监测指示植物 用作监测大气重金属污染的苔藓植物主要有白齿泥炭藓( Sphagnum rigensohnii ) 、 塔藓( Hyloconium splendens ) 、赤茎藓( Pleuroz ium shreberi ) 、泽藓( Philonotis fontana) 、桧叶金发藓( Polyt richumjuniperinum ) 、匍匐猫尾藓( Isothecium stoloniferum ) 、密叶绢藓( Entodon compressus )、长叶鳞叶藓( Taxi phyllumtaxi- rameum) 等。
9、 欧洲国家进行大规模采样调查分析, 推荐出Hyloconium spllendens 和Pleuroz iumshreberi 两种苔藓作为最佳材料。,利用柳杉、红松、冷杉等植物的敏感性来综合评价城市环境污染的程度； 用紫花苜蓿、胡萝卜、菠菜等监测大气中二氧化硫污染； 用唐菖蒲、郁金香、杏、向日葵监测氟污染； 用矮天牛、烟草、美洲五针松监测光学烟雾； 用棉花监测乙烯； 用柳树、子贞监测汞； 用复叶槭、落叶松、油松监测氯和氯化氢等等。,地衣是藻菌共生体，最能忍耐恶劣的环境条件，但对大气污染很敏感，甚至空气中极少量的有毒物质就可影响它的生长以至死亡。如果发现它的种类、数量、覆盖度明显减少，就说明污
10、染严重。目前应用地衣监测的方法主要有两种： (1) 调查污染区的地衣种类、数量和分布； (2) 选择一种生长在树干上比较敏感的地衣一般以叶状地衣为好，把它和树皮一起切下来，移植到需监测地区同种植物上，定期观察它们受害程度和死亡率，则可估测该地区大气污染的影响。,2.动物吸收与积累 1)动物吸收途径：皮肤吸收、呼吸吸收和摄食吸收 2)污染物在动物体内的分布：污染物可以通过生物膜，则分布全身；反之，污染物分布将受限制，只在特定部位积累。 3)影响污染物在体内迁移的主要因素 A.污染物与有机体组成成分特异性结合 B.脂肪和骨骼与污染物的亲和性 4)污染物在动物体内迁移的机理：被动转运，特殊转运,3.
11、污染物在土壤中的迁移及地下水污染,第三节 污染物在陆地生态系统中转化与降解 1.动物体内的转化与降解 1)转化反应类型：氧化、还原、水解和结合反应； 2)影响污染物在动物体内转化的因素： A.动物种类 B.动物的年龄与性别 C.动物的营养状况 D.共存污染物的影响,2.土壤中的转化与降解 1)影响污染物微生物降解过程的物理和化学因素 A.污染物的化学组成与结构 直链和支链烷烃小分子量芳香烃环烷烃 B.污染物的物理状态 C.温度 D.氧气 E.营养元素 F.盐分和pH值,2)影响有机物生物降解的生物因素 A.降解有机物的微生物类型 B.适应性：预先暴露于有机污染环境的微生物决定降解速率,可以大大
12、增加对有机物对氧化能力,这种现象称为适应性。可能的机制：专性酶的诱导和抑制；基因突变产生新的群体;有机体选择性富集有利于有机物的转化。,3)目前对有机物降解的未知点： A.目前尚未完全了解有机物化学结构与微生物降解能力之间以及化学结构与降解途径之间的关系； B.有机物降解途径及中间产物不清楚,无法了解这些中间产物可能的作用； C.微生物降解的数学模拟并不完全； D.由于微生物在有机物存在的条件下基因突变有多种可能性,使得微生物的适应性机理相当复杂。,3.植物对污染物的降解和转化 ）重金属的生物转化 植物修复具体的方法归纳起来主要有3 种: (1)植物提取( phytoextraction) 利
13、用植物将金属从土壤中去除,并集中于植物的可收割部分; (2)植物固定( phytostabilisation) 植物通过降低环境中金属的可移动性或阻止其移动来达到减少污染物的生物有效性; (3)植物挥发(phytovolatilisation) 通过植物将金属或类金属挥发到空气。,修复的机理可分为7类: (1)植物抽提用植物从土壤中去除污染物,包括持续植物提取( continuous phytoextraction) 、诱导植物提取( induced phytoextraction) ; (2)植物蒸发(phytovolization) 使土壤元素中的化学成分挥发; (3)根际过滤( rhiz
14、ofiltration) 植物的根从流水中去除污染物; (4)植物固定使土壤中的金属转变成毒性较小的形式,而不是从土壤中去除金属; (5)植物钝化; (6)植物降解转化; (7)植物催化作用。,近年的研究所涉及的部分植物种类,分子生物学研究发现金属硫蛋白(met allothionein, MT) 、植物络合素/植物螯合蛋白(phytochelatin, PC)-其结构式为(r-Glu-Cys) n-Gly, (n= 2 11)。两类多肽物质在其中起重要作用。各种MT基因和PC合成酶基因已被克隆出来,并应用转基因技术提高植物MT或PC的表达量,转基因植物对重金属的抗受性或富集能力也相应增强,如
15、马铃薯和烟草经转基因后明显提高了组织内Cu或Cd的浓度,初步显示了用于植物修复的前景。,目前只证明其中的一小部分, 如Ag+ 、As3+ 、Cd2+ 、Cu2+ 、Hg2+ 、Pb2+ 和Zn2+ 等, 能够被PCs 络合从而去除其毒害。 进入植物或动物的As3+和As5+可以被甲基化成毒性较小的单甲基砷酸和二甲基次砷酸(NissenEdmonds&Francesconi,1981). 以亚硒酸盐(SeO32-)形式进入植物体的硒能被还原成硒代半胱氨酸，如果硒化的氨基酸被合成为蛋白，就会造成蛋白质功能紊乱，这是硒的毒性机制之一。而耐硒植物可以制造大量非蛋白质氨基酸(硒甲基硒代半胱氨酸和硒化胱硫
16、醚),暗示高速合成这些氨基酸是植物解硒毒的一种方法(Brown&Shrift,1982),几类主要有机污染物, 清除这些污染物的植物种类和清除机制,DDT 及其主要降解产物污染土壤的植物修复 安凤春 莫汉宏 郑明辉 张 兵 (中国科学院生态环境研究中心, 北京, 100085) 环境化学， 2003 .Vol. 22 , No. 1:19-25,小结 (1) 草在不同污染浓度的土壤中修复能力的差异, 可能是土壤中土著微生物的活性受污染物抑制或激发差异的结果。 (2) 草在不同土壤中修复能力的差异与土壤中pH 值及有机质含量的差异无相关性, 而可能与不同土壤中所存微生物的差异有关。 (3) 选择能使根际区产生强烈生物降解作用的草品种, 是利用草作为污染土壤修复的关键。,第四节 污染物对陆地生态系统的生态效应 1.基本概念 2.污染物对植物的影响 3.植物对环境污染的响应与反馈机制 4.污染物对动物的影响 5.污染物对微生物的影响,1.基本概念 1)剂量
