第二章第二章 污染物在生态系统中的行为污染物在生态系统中的行为吸收吸收排出排出积累积累生物转化生物转化生物吸收、转化、排出、积累和放大的关系生物吸收、转化、排出、积累和放大的关系污染物污染物生物体生物体n第一节 生物对污染物的吸收n第二节 生物对污染物的转化和排出n第三节 生物对污染物的积累n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n1、陆生植物n叶：气态污染物的主要途径n根：n2、水生植物n全身组织和器官二、动物的吸收n1、水生动物n鳃n皮肤n胃肠2、陆生动物n呼吸系统吸收n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 n吸收方式多以被动扩散的方式，通过呼吸膜吸收入血。n主要部位例如：肺nPM：particulate matter(颗粒物）。nPM100：总悬浮颗粒物nPM10：把粒径在10微米以下的颗粒物称为，又称为可吸入颗粒物 nPM 2.n消化管吸收：n吸收对象主要为饮水和由大气、水、土壤进吸收对象主要为饮水和由大气、水、土壤进入入食物链食物链中的污染物。中的污染物。n吸收方式多以简单扩散方式通过细胞膜而被吸收方式多以简单扩散方式通过细胞膜而被吸收。吸收。n主要部位如胃和小肠。主要部位如胃和小肠。n皮肤吸收：如有机磷农药可透过完整皮肤引起如有机磷农药可透过完整皮肤引起中毒中毒n污染物经皮肤吸收的两个不同阶段n第一阶段：穿透相，以扩散的方式通过表皮n第二阶段：吸收相，以扩散的方式通过真皮三、微生物的吸收n表面吸附n吸附位点主要在细胞壁上n肽聚糖、磷壁酸、类脂质和蛋白质n胞内转移四、生物吸收的机制：跨膜运输透过细胞膜的方式n1、扩散：不消耗能量n简单扩散：高低，脂溶性n滤过：亲水性孔道（通道蛋白），水溶性n协助扩散：载体，高低n2、主动运输：生物膜有主动选择性、载体n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 特点特点 方式方式浓度梯度浓度梯度有无载体有无载体是否耗能是否耗能其它特点其它特点简单扩散简单扩散高浓度高浓度低低浓度（顺）浓度（顺）无无否否脂溶性有机化合物的主脂溶性有机化合物的主要转运方式要转运方式滤过过程滤过过程高浓度高浓度低低浓度（顺）浓度（顺） 无无 否否通过膜上的亲水性孔道通过膜上的亲水性孔道协助扩散协助扩散高浓度高浓度低低浓度（顺）浓度（顺）有有否否水溶性大分子化合物的水溶性大分子化合物的主要方式主要方式主动转运主动转运低浓度低浓度高高浓度（逆）浓度（逆）有有耗能耗能胞饮作用胞饮作用内吞物质为液体内吞物质为液体吞噬作用吞噬作用内吞物质为固体物质内吞物质为固体物质第二节 生物对污染物的转化和排出一、生物转化n（一）概念biotransformationn生物转化指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。系统的催化作用下的代谢变化过程。（二）生物转化的过程排出体外排出体外外源性化合物外源性化合物一级代谢物一级代谢物 结合产物结合产物（二级代谢物）（二级代谢物）毒害作用毒害作用过程I （相I反应）图图 生物转化过程示意图生物转化过程示意图过程II （相II反应）n相I过程（反应）n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。n相II过程（反应）n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。反应类型反应性质细胞内酶的主要定位细胞内酶的主要定位氧化氧化羟化反应微粒体脱烷基反应微粒体环氧化反应微粒体脱硫反应微粒体脱卤反应微粒体醇氧化反应胞液为主，微粒体少量醛氧化反应胞液，微粒体还原还原脱氨反应微粒体，线粒体醛还原反应胞液偶氮还原反应微粒体，胞液硝基反应微粒体，胞液水解水解相反应 1、氧化反应：混合功能氧化酶MFO混合功能氧化酶 Mixed Function Oxidasen混合功能氧化酶（MFO）nMFO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。nMFO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。n混合功能氧化酶的作用nMFO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。n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。 n羟化反应醇、醛氧化n2、还原反应n硝基还原：硝基苯-亚硝基苯-苯羟胺-苯胺n偶氮还原a.硝基还原n3、水解作用n酯酶：对硫磷酰胺酶：乐果酰胺酶：乐果相反应（结合反应）n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。n可使有毒化合物某些功能基团失活。n大多数化合物通过结合反应，水溶性增加，很快由肾脏排出，是一种解毒反应。结合反应的主要类型结合反应类型 结合物异物或一级代谢物葡萄糖醛酸化葡萄糖醛酸化 UDPGA酚、醇、羧酸、胺、磺胺、硫醇硫酸化硫酸化PAPS酚、芳香胺、醇甲基化甲基化SAM多元酚、硫醇、胺、N-杂环化合物乙酰化乙酰化乙乙酰辅酶A胺、芳香胺、氨基化合物甘氨酸结合甘氨酸结合甘氨酸羧酸（以酰基辅酶A形式）谷胱甘肽结合谷胱甘肽结合 谷胱甘肽卤化物、硝基化合物、环氧化物葡萄糖醛酸化葡萄糖醛酸化nUDPGA：尿苷二磷酸葡萄糖醛酸硫酸化硫酸化nPAPS 3-磷酸腺苷酸硫酸甲基化甲基化nSAM：腺苷蛋氨酸乙酰化乙酰化n乙乙酰辅酶A甘氨酸结合甘氨酸结合谷胱甘肽结合谷胱甘肽结合小结n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。n生物转化的结果有两方面：n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。n增毒作用（活化）：使其毒性增加二、污染物的排出n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。n1、动物n肾脏排泄n随同胆汁排泄n呼吸道排泄n其他排泄途径n2、植物n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n一、几个概念n1. 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。表表 汞在水生生物中的富集汞在水生生物中的富集生物类型汞浓度（ppm）浓缩系数食肉鱼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0.0001n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n2. 生物积累（Bioaccumulation）n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。n牡蛎在50gL氯化汞中，7d、14d、19d、42d的浓缩系数 500、700、800、1200表表 汞在水生生物中的富集汞在水生生物中的富集生物类型汞浓度（ppm）浓缩系数食肉鱼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0.0001n3.生物放大（Biomagnification）n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。n原因：生态系统食物链的物质流动的原理鱼类（石斑鱼）鱼类（石斑鱼）痕量痕量1.6mg/L(2667) 无脊椎动物无脊椎动物0.06.1 mg/L mg/L(10000)大型水生植物大型水生植物0.02.1 mg/L(3500)水鸟水鸟(尸体）尸体）6375.5 mg/L(10500125873）湖水湖水0.0006 mg/L藻类藻类0.10.3 mg/L(167500)沉积物沉积物痕量痕量3.8 mg/L(6333)图尔湖和克拉马斯南部保护区图尔湖和克拉马斯南部保护区DDT对生物群落的影响对生物群落的影响n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？n思考2：三个概念的有何区别？有何意义？n生物浓缩：C体内C环境n生物积累：t（生长期），KBCF n生物放大：营养级 ， KBCF n意义n阐明污染物在生态系统中的迁移转化规律n评价和预测污染物对生态系统的危害n利用生物对环境进行监测和净化二、结合污染物的生物大分子（ 生物浓缩机制）n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。n糖类：往往具有还原性n脂类：极性酯键n核酸：极性化合物n蛋白质和氨基酸： 金属硫蛋白及类金属硫蛋白n低相对分子质量的蛋白质6000-10000n高达30%半胱氨酸n镉硫蛋白在于250nm处吸收最强n热稳定性蛋白质三、体内运输n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n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，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n铅：骨骼nDDT、六六六：肝脏和肾脏n汞：神经系统n氟：牙齿和骨骼五、超量积累植物n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。n体内某一元素浓度大于一定的临界值n植物吸收的重金属大部分分布在地上部n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n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n1、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。n七鳃鳗鲶鱼、花鳅、青鱼、黄鱼鲤鱼、银鲫、犬首银鲴n在静态暴露染毒条件下BCF汞铅镉近江牡蛎2435.611.376.5菲律宾蛤仔53.718.519.5翡翠贻贝121.81.115.2n2、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n3、不同发育期和年龄n水稻根对铅的富集：拔节期分蘖期 苗期抽穗期结实期 n贝类体内重金属含量也有季节变化n4、性别：n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。n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n（一）种类和理化性质n1、化学稳定性和高脂溶性是生物富集的重要条件n氯化碳氢化合物：DDT、有机氯农药n有机磷农药和氨基甲酸酯类农药n酚类n多氯联苯（PCB）n甲基汞（二）污染物的存在状态n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n1、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。n2、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n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。n二、类型：n1、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+M2n2、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 n3、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）n4、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+M2n研究元素的拮抗和协同关系的意义n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。nF-Ca Al B Cd-Ca Se三、环境因素n1、温度、湿度和光照n2、环境介质n水的硬度npH：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n3、根际环境n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n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n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）人人0.00066.1105000