第4章环境与环境污染教程文件

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1、第 4 章环境与环境污染,人类赖以生存的环境由自然环境和社会环境组成 自然环境 是人类生活和生产所必需的自然条件和自然资源的总称，即阳光、温度、气候、地磁、空气、水、岩石、土壤、动植物、微生物以及地壳的稳定性等自然因素的总和。 社会环境 是人类在自然环境的基础上，为不断提高物质和精神生活水平，通过长期有计划、有目的地发展，逐步创造和建立起来的一种人工环境。,4.1 环境与生态平衡,4.1 环境与生态平衡 环境 植物、动物、微生物等各种生物群落组成了生物环境。空气、水、土壤等则是生物赖以生存的环境，也叫自然环境、非生物环境。 生态系统 生物群落和其生存环境之间以及生物群落内不同种群生物之间不停地

2、进行物质交换和能量交换，构成了多种多样的生态系统。,生态系统的组成,生产者： 主要指绿色植物，它们能够利用阳光，通过光合作用，把无机物制造成有机物，把光能转变成储存在有机物中的化学能。太阳能通过生产者源源不断地输入生态系统，成为消费者和分解者的能源，所以生产者是生态系统中的主要组成部分。,消费者： 包括各种动物，它们直接或间接地依赖绿色植物制造出的有机物生存。根据它们的食物，将直接以植物为食的动物称为草食动物，而将以草食动物或小型动物为食的动物称为肉食动物。,（1）动物中直接以植物为食的草食动物叫一级消费者或初级消费者。 （2）以草食动物为食的肉食动物叫二级消费者或次级消费者。 （3）以小型动

3、物为食的肉食动物叫三级消费者。,生产者,生产者,二级消费者,二 级 消 费 者,一级 消费者,一级 消费者,三级 消费者,四级消费者,分解者： 主要指细菌和真菌等营腐生生活的微生物，它们能将动植物的尸体、排泄物和残落物等所含复杂的有机物分解成简单的无机物，归还到环境之中，再供生产者使用。分解者在生态系统中起着非常重要的作用，没有它们，物质循环将会受阻，生态系统会受到破坏，生产者就不能长期生存下去。,非生命物质： 包括阳光、空气、温度、水分、矿物质等 。,生态平衡 生态系统发展到一定阶段，它的生物种类的组成，各个种群的数量比率及能量和物质的输入、输出等，都处于相对稳定状态，这种状态称为生态平衡，

4、这是一种动态平衡。生态系统能自动调节并维持自身稳定结构和正常功能，但自动调节能力是有一定的限度，当超过这个限度，就会破坏生态平衡，造成生态失调。,环境污染 破坏生态平衡的因素有自然因素也有人为因素。自然因素主要指火山爆发、地震、台风、旱涝灾等自然灾害，它们对生态系统的破坏很严重，地域常有一定的局限性，且出现的频率一般不高。而人为因素是指人类生产和生活活动引起的对生态平衡的破坏，这是大量的、长期的、甚至是多方面的。这种人为因素会使环境质量不断恶化，从而干扰了人类的正常生活，对人体键康产生直接或间接，甚至是潜在的不利影响，这就称为环境污染。,环境污染的人为因素 造成环境污染的人为因素主要可分为物理

5、的（噪声、振动、热、光、辐射及放射性）、生物的（如微生物、寄生虫等）和化学的（有毒的无机物和有机物）三个方面。,4.2 自然环境中化学物质的循环,自然环境可分为四个圈层：生物圈、大气圈、水圈和岩石圈，总称生态圈，这是经过漫长的演化而形成的。各圈层之间有着复杂的物质交换和能量交换，如图41 所示。,根据放射性同位素方法推算，地球的年龄约为46 亿年，自然环境发展历史可划分为地球的形成、生物的形成和人类的出现三个阶段。,地球的形成 地壳内部大量放射性元素的裂变和衰变所释放出的能量的积聚和迸发，陨星对地表的频繁撞击等，导致了地球火山的强烈活动，使地球温度升高到出现局部熔融，重元素沉入地心，轻物质浮升

6、到地表，逐渐形成地壳（岩石圈）、地幔和地核等层次。与此同时，被禁锢在地球内部的气体不断迸发出来，形成原始大气圈，其主要成分为H2O，CO，CO2，CH4 和N2等。当时不含有氧气，这是一个还原性大气圈。,水气凝结后在低凹处汇聚成海洋水），地表水呈酸性。上述过程历时约1015 亿年。显然，早期地表环境的显著特征是缺氧，也没有臭氧层，太阳辐射中的高能紫外线可直接射到地面上。,地球环境的演变,生物的形成 在太阳能和地热能的作用下，简单无机化合物和甲烷等化合形成了简单有机化合物（如氨基酸、单糖等），并逐步演化为生物大分子（如蛋白质、多糖等），为生命的产生创造了条件。大气中O2 的积累主要是依赖于生物的

7、光合作用。原始海洋中的蛋白质、氨基酸首先形成无氧呼吸的细菌（原生物），并逐步演化为含有叶绿素的藻类，在水体中进行光合作用放出游离氧。经历了20 多亿年的进化，终于在6 亿年前出现了海洋的生物群，4 亿年前形成了水陆生物和藻类的生命系统，逐渐形成了生物圈。,游离氧的出现促进了生命的进化，并使地球在4 亿年前出现了能屏蔽太阳强烈紫外线辐射的臭氧层，保护了陆地植物的生长。陆地植物的生长和微生物的作用，产生了土壤层。土壤是岩石与植物相互作用下的产物。土壤层的形成，又使易于流失的养分在地表上富集起来，从而促使陆地植物更加繁盛，保证了生物圈的发展与繁荣。,植物的演化,无维管束植物,種子維管束植物,無種子維

8、管束植物,蕨類,蘇鐵,裸子植物,顯花植物,人类的出现 人类出现距工业革命约300 万年。在这300 万年中人类活动对环境的化学演化的影响并不明显。而工业革命至今不过200 年，特别是近几十年，自然资源和能源的开发速度和规模都是惊人的，不仅将地下矿藏大量移至地表，把本来固定在岩石中的元素变成了可进入生态环境和人体。,脊椎动物的演化,魚類,兩生類,爬蟲類,鳥類,哺乳類,總鰭魚類,始祖鳥,4.2.1 水循环 所有生物机体组成中都含有水，自然界中绝大多数生物及非生物的变化多在水中进行。没有水参与循环，就没有生态系统的功能，生命就不能维持。水约占地球表面的70，水为物质间的反应提供了适宜的场所，成为物质

9、传递介质。水参加的植物的光合作用，既制造了维持生命的必需营养物，同时又为生命提供了必需的氧气。,地球上的海洋、河流等水体不断蒸发，生成的水气进入大气，遇冷凝结成雨、雪等返回地表，其中一部分汇集在江、湖，重新流入海洋，另一部分渗入土壤或松散岩层，有些成为地下水，有些被植物吸收。被植物吸收的部分，除少量结合在植物体内外，大部分通过液面蒸发返回大气。图42 为水循环示意图。由此可见，水的自然循环是依靠其气、液、固三态易于转化的特性，借太阳辐射和重力作用提供转化和运动能量来实现的。,4.2.2 氮循环 氮是蛋白质的基本组成元素之一。所有生物体均含有蛋白质，所以氮的循环涉及到生物圈的全部领域。氮是地球上

10、极为丰富的一种元素，在大气中约占79。氮在空气中含量虽高，却不能为多数生物体所直接利用，必须通过固氮作用。固氮作用的两条主要途径，一是通过闪电等高能固氮，形成的氨和硝酸盐，随降水落到地面；二是生物固氮，如豆科植物根部的根瘤油菌可使氨气转变为硝酸盐等。,植物从土壤中吸收铵离子（铵肥）和硝酸盐，并经复杂的生物转化形成各种氨基酸，然后由氨基酸合成蛋白质。动物以植物为食而获得氮并转化为动物蛋白质。动植物死亡后的遗骸中的蛋白质被微生物分解成铵离子（NH4+）、硝酸根离子（NO3-）和氨（NH3）又回到土壤和水体中，被植物再次吸收利用。图43 为氮循环示意图。,4.2.3 碳循环 碳是构成生物体的最基本元

11、素之一，也是构成地壳岩石和矿物燃料（煤、石油、天然气）的主要元素。碳的循环主要是通过CO2 来进行的。它可分为三种形式：第一种形式是植物经光合作用将大气中的CO2 和H2O 化合生成碳水化合物（糖类），在植物呼吸中又以CO2 返回大气中被植物再度利用；,第二种形式是植物被动物采食后，糖类被动物吸收，在体内氧化生成CO2，并通过动物呼吸释放回大气中又可被植物利用；第三种形式是煤、石油和天然气等矿物燃料燃烧时，生成CO2 ，CO2 返回大气中后重新进入生态系统的碳循环。图44 为碳循环示意图。,4.2.4 氧循环 由于氧在自然界中含量丰富，分布广泛，而且性质活泼，环境中处处有氧（游离态或化合），所

12、以氧在自然界中的循环最复杂。上述的几种循环中都包含了一部分氧循环。实际上各种物质的循环都是相互关联的，分别叙述仅仅是为了突出主导线索以利讨论。图45 是氧在自然界中的主要循环途径及有关反应。,总之，自然界中各种物质的循环都按一定的过程进行，而且由此形成自然界中物质的平衡。生物体则参与所处环境的物质循环，成为平衡着的自然环境整体中的一个组成部分，而且是一个主导部分。,4.3 大气污染 大气圈包围在地球之外，它是由空气、少量水气、粉尘和其他微量杂质组成的混合物。 空气的主要成分: 氮 78.09 氧 20.95 氩 0.93 CO2 0.03 还有稀有气体氦、氖、氪、氙和甲烷、氮的氧化物、硫的氧化

13、物、氨、臭氧等共占0.1。,大气污染物 分类 成分 颗粒物 碳粒，飞灰， CaCO3 ， ZnO ， PbO2 ，各种重金属尘粒 含硫化合物 SO2 ， SO3 ， H2SO4 ， H2S ，硫醇等 含氮化合物 NO ， NO2 ， NH3 等 氧化物 O3 ， CO ， CO2 ，过氧化物等 卤化物 氯气， HF ， HCl 等 有机化合物 烃类，甲醛，有机酸，焦油，有机卤化物，酮类，稠环,燃料的燃烧是造成大气污染的主要原因。人类生活和工业、科学技术的现代化，使燃料用量大幅度上升，从而造成大气的污染日趋严重。随着交通 运输业的发展，大都市中大量汽车的排气也对环境造成了严重污染。另外，大气中还

14、有来自工业生产的其他污染物，石油工业和化学工业大规模地发展 也增加了空气中污染物的种类和数量。,在农业方面，由于各种农药的喷洒而造成的大气污染也是不可忽视的问题。大气污染对建筑、树木、道路、桥梁和工业设备等都有极大危害。对人体健康的危害也日益明显，更大的威胁是通过呼吸道疾病削弱人的体质，会进一步引起心脏及其他器官的机能障碍而导致疾病甚至死亡。,水泥厂重度污染,4.3.1 汽车尾气 汽车尾气中的有害成分主要: CO，NOX，SO2，HC，颗粒物和臭氧等。,CO: 是汽油燃烧不完全的产物，其数量占尾气成分的首位。CO 无色、无臭、无味，当被吸入人体后，极易与血红蛋白结合，（其亲合力比O2 约大20

15、0300 倍），使血红蛋白失去携氧能力。CO 浓度低时会使人慢性中毒，浓度高时则会导致窒息死亡。,颗粒物 : 汽车尾气中的颗粒物包括铅化合物、碳颗粒和油雾等。铅是大气的重金属污染物中毒性较大的一种，铅尘来自于汽油的抗爆添加剂，这是一种含铅的有机化合物四乙基铅（C2H5）4Pb。四乙基铅的毒性比无机铅化合物约大百倍，且铅尘随行车和风力扩散。它是引起急性精神性病症的剧毒物质，它可以在人体中不断积累，当血液中铅含量超过0.1mg 时，可造成贫血等中毒症状。,SO2: 硫的氧化物是由燃料所含的硫经燃烧而形成的。低浓度的SO2（10LL-1）的危害主要是刺激上呼吸道，浓度较高（100LL-1以上）时会引

16、起深部组织障碍，浓度更高（ 400LL-1 以上）时会致人呼吸困难和死亡。特别是大气尘粒与SO2 的协同作用对人体健康的危害就更大。,4.3.2 光化学烟雾 大气中的HC 和NOX 等为一次污染物，在太阳光中紫外线照射下能发生化学反应，衍生种种二次污染物。由一次污染物和二次污染物的混合物（气体和颗粒物）所形成的烟雾污染现象，称为光化学烟雾。,NO， HC 的氧化，NO2 的分解，O3 和PAN 等的生成，是光化学烟雾形成过程的基本化学特征，其反应机理极为复杂，至今还在研究之中。它对大气造成的严重污染不能轻视。O3， PAN，醛类对动植物和建筑物伤害很大，对人和动物的伤害主要是刺激眼睛和粘膜，及气管、肺等器官，引起眼红流泪、头痛、气喘咳嗽等症状，严重者也有死亡的危险。,4.3.3 酸雨 大气中的化学物质随降雨到达地面后会对地表的物质平衡产生各种影响。降雨的酸化程度通常用pH 值表示，pH 值就是氢离子浓度的负对数，即 pH=lgH+ 正常雨水偏酸性，pH 值约为6