污染物在生态系统中的行为

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1、第二章 污染物在生态系统中的行为,吸收,排出,积累,生物转化,生物吸收、转化、排出、积累和放大的关系,污染物,生物体,第一节 生物对污染物的吸收 第二节 生物对污染物的转化和排出 第三节 生物对污染物的积累 第四节 影响污染物在生态系统中行为的因素,第一节 生物对污染物的吸收,指环境中的污染物进入生物体的过程,一、植物的吸收,1、陆生植物 叶：气态污染物的主要途径 根： 2、水生植物 全身组织和器官,二、动物的吸收,1、水生动物 鳃 皮肤 胃肠,2、陆生动物,呼吸系统吸收 吸收对象主要针对气体、蒸气、气溶胶和颗粒状物质等形式的污染物。 0.0110 m 吸收方式多以被动扩散的方式，通过呼吸膜吸

2、收入血。 主要部位例如：肺,PM：particulate matter(颗粒物）。 PM100：总悬浮颗粒物 PM10：把粒径在10微米以下的颗粒物称为，又称为可吸入颗粒物 PM 2.,消化管吸收： 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。,皮肤吸收：如有机磷农药可透过完整皮肤引起中毒 污染物经皮肤吸收的两个不同阶段 第一阶段：穿透相，以扩散的方式通过表皮 第二阶段：吸收相，以扩散的方式通过真皮,三、微生物的吸收,表面吸附 吸附位点主要在细胞壁上 肽聚糖、磷壁酸、类脂质和蛋白质 胞内转移,四、生物吸收的机制：

3、跨膜运输,透过细胞膜的方式,1、扩散：不消耗能量 简单扩散：高低，脂溶性 滤过：亲水性孔道（通道蛋白），水溶性 协助扩散：载体，高低,2、主动运输：生物膜有主动选择性、载体 低高，消耗能量,3、胞吞（吞噬）和胞饮作用,污染物透过细胞膜的方式,第二节 生物对污染物的转化和排出,一、生物转化,（一）概念biotransformation 生物转化指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。,（二）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露。

4、 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）或带有某些活性基团的外源性化合物与细胞内物质结合反应。,相反应,1、氧化反应：混合功能氧化酶MFO,混合功能氧化酶 Mixed Function Oxidase,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

5、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。,羟化反应,醇、醛氧化,2、还原反应 硝基还原：硝基苯-亚硝基苯-苯羟胺-苯胺 偶氮还原,a.硝基还原,3、水解作用 酯酶：对硫磷,酰胺酶：乐果,相反应（结合反应）,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）或带有某些活性基团的外源性化合物与细胞内物质结合反应。 可使有毒化合物某些功能基团失活。 大多数化合物通过结合反应，水溶性增加，很快由

6、肾脏排出，是一种解毒反应。,结合反应的主要类型,葡萄糖醛酸化,UDPGA：尿苷二磷酸葡萄糖醛酸,硫酸化,PAPS 3-磷酸腺苷酸硫酸,甲基化,SAM：腺苷蛋氨酸,乙酰化,乙酰辅酶A,甘氨酸结合,谷胱甘肽结合,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,二、污染物的排出,进入机体的环境污染物及其化谢转化产物被机体清除的过程。 1、动物 肾脏排泄 随同胆汁排泄

7、 呼吸道排泄 其他排泄途径 2、植物 淋散作用、蒸发、落叶、根的分泌、植食动物的啃食,第三节 生物对污染物的积累,一、几个概念 1. 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。,表 汞在水生生物中的富集,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,2. 生物积累（Bioaccumulation） 指生物在其整个代谢活跃期间通过吸收、吸附、吞食等各种过程，从

8、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。 牡蛎在50gL氯化汞中，7d、14d、19d、42d的浓缩系数 500、700、800、1200,表 汞在水生生物中的富集,3.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。 原因：生态系统食物链的物质流动的原理,鱼类（石斑鱼） 痕量1.6mg/L (2667),无脊椎动物 0.06.1 mg/L mg/L (10000),大型水生植物 0.02.1 mg/L

9、(3500),水鸟(尸体） 6375.5 mg/L (10500125873）,湖水 0.0006 mg/L,藻类 0.10.3 mg/L (167500),沉积物 痕量3.8 mg/L (6333),图尔湖和克拉马斯南部保护区DDT对生物群落的影响,思考1：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？ 思考2：三个概念的有何区别？有何意义？ 生物浓缩：C体内C环境 生物积累：t（生长期），KBCF 生物放大：营养级 ， KBCF ,意义 阐明污染物在生态系统中的迁移转化规律 评价和预测污染物对生态系统的危害 利用生物对环境进行监测和净化,二、结

10、合污染物的生物大分子（ 生物浓缩机制）,生物体内存在能与污染物结合的物质：生物浓缩主要决定于生物本身的特性，特别是生物体内存在的、能与污染物相结合的活性物质的活性强弱和数量多寡。 糖类：往往具有还原性 脂类：极性酯键 核酸：极性化合物,蛋白质和氨基酸： 金属硫蛋白及类金属硫蛋白 低相对分子质量的蛋白质6000-10000 高达30%半胱氨酸 镉硫蛋白在于250nm处吸收最强 热稳定性蛋白质,三、体内运输,动物吸收的污染物，经过跨膜运输进入血液循环系统后，同血细胞和血浆蛋白结合，随血液循环被运送到全身组织和器官，发生新的分配和定位 污染物在植物体内的运输主要是在蒸腾拉力和生长中心双重动力作用下，

11、驱动污染物随水分和营养物质的分配而完成再分配。,四、生物体内的分布,铅：骨骼 DDT、六六六：肝脏和肾脏 汞：神经系统 氟：牙齿和骨骼,五、超量积累植物,能超出一般植物的平均水平而大量吸收和积累重金属的植物被称为超量积累植物。 体内某一元素浓度大于一定的临界值 植物吸收的重金属大部分分布在地上部 重金属污染的土壤上这类植物能良好地生长，一般不会发生重金属的毒害现象。,应用前景,蜈蚣草：砷,第四节 影响污染物在生态系统中行为的因素,一、生物因素,1、种类差异性：生活方式不同、代谢机能不同，在同样条件下，对同一种物质的浓缩系数不同。 七鳃鳗鲶鱼、花鳅、青鱼、黄鱼鲤鱼、银鲫、犬首银鲴,在静态暴露染毒

12、条件下BCF,2、组织和器官的差异性：生物的不同器官对污染物的富集量有很大差异。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在很大差异。,正常人体组织中的含F量,3、不同发育期和年龄 水稻根对铅的富集：拔节期分蘖期 苗期抽穗期结实期,贝类体内重金属含量也有季节变化,4、性别： 因为同生殖、分泌等一系列生理、行为反应有关。如雌性可通过产蛋、产奶和生产幼儿等到方式将体内的污染物排出体外，减少在体内的积累。 鱼类及哺乳动物体内，有机氯化合物和重金属含量存在明显的季节性波动，这与动物性别及繁殖活动有密切关系。,二、污染物因素,（一）种类和理化性质 1、化学稳定性和高脂溶

13、性是生物富集的重要条件 氯化碳氢化合物：DDT、有机氯农药 有机磷农药和氨基甲酸酯类农药 酚类 多氯联苯（PCB） 甲基汞,（二）污染物的存在状态,气溶胶中的金属和类金属的生物有效性不仅同其化学形式有关，也受颗粒大小和颗粒内的其它元素的影响,（三）污染物的浓度和作用时间,1、生物体内的积累量与环境中污染物的浓度成正相关，但浓缩系数与环境中污染物的浓度没有显著的正相关性，相反有随污染物浓度增高而逐渐下降的趋势。 2、与作用时间密切相关。污染物的浓度越高，作用时间越长，则生物学体内污染物积累量越多。,（四）污染物的联合作用,一、概念：两种或两种以上化学污染物共同作用所产生的综合生物学效应。 二、类

14、型： 1、协同作用：多种化学污染物对机体产生的生物学作用强度远远超过它们分别单独与机体接触时所产生的生物学作用的总和。MM1+M2,2、相加作用：多种化学污染物混合所产生 的生物学作用强度等于其中各化学污染物分别产生 的作用强度的总和。M=M1+M2 3、独立作用：多种化学污染物各自对机体产生毒性作用的机理不同，互不影响。M=M1+M2（1M1） 4、拮抗作用：混合物的生物作用或毒性作用的强度低于两种化学污染物任何一种单独输入机体的强度。MM1+M2,研究元素的拮抗和协同关系的意义 研究元素之间拮抗作用和协同关系有重要的理论意义和实用价值，在环境评价工作中更有重要意义。对一地区的评价，不能单凭

15、某元素含量的多少，还应考虑其他有关元素的存在的数量。只有这样才能真正了解各元素真实的作用。 F-Ca Al B Cd-Ca Se,三、环境因素,1、温度、湿度和光照 2、环境介质 水的硬度 pH：对许多化学物质毒性有明显影响，对化合物的生物富集影响也很显著,3、根际环境 植物生长过程中根系产生的分泌物导致的根际微生物环境的改变 根际环境中大量的微生物生理活性物质导致的根际微环境改变 同植物根形成共生关系的菌根微生物也影响了吸收,四、食物链：美国长岛河口区,大气310-6mg/kg,浮游植物0.04 mg/kg （1.3万）,小鱼0.5 mg/kg（16.7万）,大鱼2 mg/kg （833万）,海鸟25mg/kg（858万）,人,0.0006,6.1,105000,