環(huán) 境 生 物 學緒 論 本章主要討論以下三方面的內容： 環(huán)境與環(huán)境問題 環(huán)境科學概述 環(huán)境生物學概述1 環(huán)境與環(huán)境問題 環(huán)境（Environment）的概念： 請思考以下三個問題： “這里環(huán)境真優(yōu)美！”中的“環(huán)境”指的是什么？ 作為環(huán)境科學術語的“環(huán)境”指的是什么？ 生態(tài)學中“環(huán)境”的概念又是什么？ 一般工具書中定義的“環(huán)境”概念 是指人以外的客觀事物，將環(huán)境作為一種人以外的客觀存在來加以定義，如新華字典中定義為：周圍的一切事物。 作為環(huán)境科學術語的“環(huán)境”概念 環(huán)境科學所研究的中心事物是“人”，則環(huán)境是以人類為主體的外部世界，是“人類生存的環(huán)境人類生存的環(huán)境”，在此基礎上定義：影響人類生存和發(fā)展的各種天影響人類生存和發(fā)展的各種天然的和經(jīng)過人工改造的自然因素的總和。然的和經(jīng)過人工改造的自然因素的總和。 生態(tài)學中“環(huán)境”的概念 生態(tài)學研究的中心事物是“生物”，則環(huán)境是以整個生物界的生命為主體，是“生物生存的環(huán)境生物生存的環(huán)境”，可定義：直接或間接影響生物生存和發(fā)展的各直接或間接影響生物生存和發(fā)展的各種因素的總和。種因素的總和。小結小結： “環(huán)境”具有相對性，在不同的學科中含義不同，主體的改變往往導致環(huán)境概念含義的不同。人類是環(huán)境發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，環(huán)境是人類生存的物質基礎，環(huán)境在影響人類生產(chǎn)、生活的同時，人類也在不斷地利用和改造自然環(huán)境。故人類和環(huán)境密切聯(lián)系，相互作用。環(huán)境問題環(huán)境問題的概念指由于人類活動作用于人們周圍的環(huán)境所引起的環(huán)境質量變化，以及這種變化反過來對人類生產(chǎn)、生活和健康的影響問題。其產(chǎn)生是人類社會發(fā)展到一定階段人類與環(huán)境矛盾激化的產(chǎn)物。其實質是由于人類活動超出了環(huán)境的承受能力，對其所賴以生存的自然生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能產(chǎn)生了破壞作用，導致人與其生存環(huán)境的不協(xié)調。環(huán)境問題的分類 環(huán)境污染 生態(tài)破壞重大的環(huán)境問題 溫室效應和氣候變暖 臭氧層的破壞 酸雨 有毒物質污染20世紀著名的八大公害事件公害事件名稱地 點時 間危害情況1.馬斯河谷煙霧事件比利時1930.12幾千人發(fā)病，60人死亡2.多諾拉煙霧事件美國1948.106000人患病，17人死亡3.倫敦煙霧事件英國1952.125天內4000人死亡4.洛杉磯光化學煙霧美國40年代引起眼病，喉頭炎,頭痛5.水俁事件日本1953始癡呆，神經(jīng)失常，死亡6.富山事件日本1931始關節(jié)痛,骨骼軟化萎縮,痛死？ ？表緒1 溫室效應與全球變暖 溫室效應 大氣對地表熱輻射能遮擋保溫的屬性類似溫室中玻璃具有的作用，故被稱為溫室效應。 溫室氣體 大氣中能強烈吸收地面輻射產(chǎn)生溫室效應的氣體。包括：二氧化碳、水汽、甲烷、氧化亞氮、臭氧等。 全球變暖問題 主要指人為活動造成的溫室氣體增加，溫室效應增強帶來的氣候變化。 人類活動對氣候變暖的影響主要表現(xiàn)為由于工業(yè)生產(chǎn)需要的化石燃料使用量大增，人口激增城市化發(fā)展等引起人為排放的二氧化碳等溫室氣體不斷增加；熱帶森林和溫帶植被破壞嚴重，光合作用吸收二氧化碳的能力減弱。 資料表明 1860年以來，全球地表年平均氣溫升高了0.3-0.6； 根據(jù)跨政府氣候變化委員會預測，從1990到2100年，全球陸面氣溫將增加2； 氣候變暖的直接結果 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嚴重的，將直接威脅世界沿海城市及30多個島嶼的生存和發(fā)展。美國環(huán)保專家預測，再過5070年，東京、大阪、曼谷、威尼斯、圣彼得堡、阿姆斯特丹以及中國等一些沿海城市會被完全和局部淹沒。 氣候變暖的間接結果 是災害性氣候：厄爾尼諾現(xiàn)象。厄爾尼諾可以引起全球大范圍的干旱，也可使某些地區(qū)暴雨成災。例如，1997年3月開始的第14次厄爾尼諾：中國：長江、松花江、嫩江全流域大洪水，直接損失幾千億元。98年1月10日張北地區(qū)62級地震。11月19日云南寧蒗又生生62級地震。臭氧層破壞 臭氧O3 臭氧大部分集中在1030km的平流層。 平流層中臭氧的存在對于地球生命物質至關重要，通過吸收太陽輻射維護地球的能量平衡和生態(tài)平衡。 因為，它阻擋了UV-B段紫外輻射到達地面。研究表明UVB能破壞生物蛋白質和基因物質，造成細胞死亡；使八類皮膚癌發(fā)病率增高；傷害眼睛導致白內障而使眼睛失明；抑制植物如大豆、瓜類、蔬菜等的生長；并穿透10m深的水層，殺死浮游植物和微生物，從而危及水中生物的食物鏈和自由氧的來源，影響生態(tài)平衡和水體的自凈能力。因此，臭氧層實際上已成為地球生命系統(tǒng)的保護層。 南極臭氧層空洞Ozone Hole 80年代觀測發(fā)現(xiàn)，自每年9月份下旬開始，南極洲上空的臭氧總量迅速減少一半左右，極地上空臭氧層的中心地帶，近90臭氧被破壞，若從地面向上觀測，高空臭氧層已極其稀薄，與周圍相比象是形成了一個直徑上千公里的洞，稱為“臭氧洞”。酸雨 一般將pH小于5.6的降雨稱為酸雨。 酸雨的成因？ 酸雨的危害？被嚴重腐蝕的建筑物有毒物質污染有毒物質污染是指對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康有毒害作用的物質排放到環(huán)境中而引起的危害。這些物質都是生產(chǎn)和生活過程中的產(chǎn)物，如廢水、廢氣和固體廢棄物、農(nóng)藥、化肥和放射性物質等。生態(tài)環(huán)境破壞 生態(tài)環(huán)境破壞是由于對自然資源的不合理開發(fā)和利用而引起的。例如： 中國科學院發(fā)布的一份國情報告： 中 國 在 9 0 年 代 的 沙 漠 化 速 度 是 每 年2100km2，相當于兩個半香港，或30個北京城。而2000年已達2460 km2，2003年已超過3000 km2。 遙感普查數(shù)字表明： 中國水土流失面積已達367萬km2，約占國土面積的38，總量達每年50億噸，相當于全國的耕地每年被剝去1cm的肥土層，損失N.P.K肥4000多萬噸，相當于全國1年生產(chǎn)化肥的總和。 地球土層的平均厚度18cm，在溫帶地區(qū)的自然條件下,每形成1cm的表土需100400年，即使管理極好，也需20年。 此外，黃河斷流，塔里木河斷流，羅布泊消失，長江危機，長江每年表土流失24億噸，5億噸流入東海。 還有，濫用化肥和農(nóng)藥，造成土壤退化，我國中低產(chǎn)田已由原來的60上升到80。 小結 解決環(huán)境問題的根本途徑是調節(jié)人調節(jié)人類社會活動與環(huán)境的關系類社會活動與環(huán)境的關系。要真正實現(xiàn)這種調節(jié)必須具備下列條件：掌握自然生態(tài)規(guī)律。通曉環(huán)境變化過程，能預測人類活動引起的環(huán)境影響，運用規(guī)律去利用自然資源、改造自然。2 環(huán)境科學概述 2.1環(huán)境科學的研究對象和任務 環(huán)境科學的研究對象 環(huán)境科學是是以“人類環(huán)境人類環(huán)境”系統(tǒng)為其特定的研究對象，它是研究“人類環(huán)境人類環(huán)境”系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展、調節(jié)和控制以及改造和利用的科學。 環(huán)境科學的任務 環(huán)境科學的任務是揭示人類環(huán)境人類環(huán)境矛盾的實質，研究兩者之間的辨證關系，掌握其發(fā)展規(guī)律，調控人類環(huán)境之間的物質和能量交換過程，尋求解決矛盾的途徑和方法，以改善環(huán)境，促進人類社會的向前發(fā)展。2.2 環(huán)境科學的發(fā)展史 相關學科的探索： 19世紀末期，地學、生物學、化學、物理學、醫(yī)學和一些工程技術學科的學者分別從本學科的角度開始對環(huán)境問題進行探索和研究。 環(huán)境科學的孕育： 20世紀50年代，在地學、生物學、化學、物理學、醫(yī)學和一些工程技術學科的基礎上，逐漸形成了一些新的邊緣學科，如環(huán)境生物學、環(huán)境化學、環(huán)境物理學、環(huán)境醫(yī)學、環(huán)境工程學、環(huán)境經(jīng)濟學、環(huán)境管理學等等，在這些分支學科的基礎上，孕育著環(huán)境科學。 環(huán)境科學的形成： 1972年，英國經(jīng)濟學家B.沃德、美國微生物學家R.杜德斯主編出版了只有一個地球一書，該書被認為是環(huán)境科學的一部緒論性質的著作，從此形成了環(huán)境科學相對獨立的研究體系。 環(huán)境科學的新境界： 1992年，在里約熱內盧會議上提出了“可持續(xù)發(fā)展”的新概念。在這一新發(fā)展觀的指導下，環(huán)境科學又進入了一個更高的境界，將從此發(fā)展成為一門嶄新的、獨立的科學。2.3 環(huán)境科學的內容 添加環(huán)保概論上的圖3 環(huán)境生物學概述3.1環(huán)境生物學的定義、研究對象和目的 什么是環(huán)境生物學？ 環(huán)境生物學是研究生物與受人類干擾的環(huán)境之間相互作用規(guī)律及其機理的科學。 環(huán)境生物學的研究對象 環(huán)境生物學的研究對象是生物生物與受人類干擾的環(huán)環(huán)境境之間相互關系 環(huán)境生物學的研究目的 環(huán)境生物學的研究目的：在于為人類維護生態(tài)健康，保護和改善環(huán)境，為合理利用自然和自然資源提供科學基礎，促進環(huán)境和生物的相互關系以有利于人類的生存和社會的可持續(xù)發(fā)展。 環(huán)境生物學的形成和發(fā)展3.2 環(huán)境生物學的任務與研究內容任務闡明環(huán)境污染的生物學或生態(tài)學效應探索生物對環(huán)境污染的凈化原理探討自然保護生物學和恢復生態(tài)學、 保護生態(tài)學的原理與方法研究內容環(huán)境污染的生物效應環(huán)境污染的生物凈化保護生態(tài)學3.4 環(huán)境生物學的研究方法 野外調查和試驗 實驗室試驗 模擬研究3.5 環(huán)境生物學的發(fā)展趨勢目前發(fā)展的趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 生態(tài)毒理學研究 生態(tài)毒理學（Ecotoxicology）是研究環(huán)境壓力對生態(tài)系統(tǒng)內的種群和群落的生態(tài)學和毒理學效應，以及物質或因素的遷移途徑和與環(huán)境相互主要規(guī)律。 環(huán)境生物學正向宏觀和微觀兩極方向深入發(fā)展：宏觀領域內，研究對象已由個體、種群、群落轉移到生態(tài)系統(tǒng)和景觀生態(tài)，向在生態(tài)系統(tǒng)水平上評價生態(tài)效應的方法和模型發(fā)展；在微觀領域，采用分子生物學、遺傳學等生物學方法和技術，研究污染物及其代謝物與生物大分子及細胞的相互作用等。 環(huán)境污染的生物凈化 研究開發(fā)對高濃度有機廢水、生物難降解物質、氮磷營養(yǎng)物質等能有效去除的新工藝和新方法。 環(huán)境生物技術 環(huán)境質量的生物監(jiān)測與評價技術的發(fā)展 污染凈化和受損環(huán)境修復的生物技術 保護生態(tài)學 自然保護生態(tài)學 恢復生態(tài)學3.6 環(huán)境生物學與相關學科的關系 與生態(tài)學學科的關系 生態(tài)學的研究重點在生態(tài)系統(tǒng)和生物圈各組成成分之間的相互關系。 環(huán)境生物學是以生態(tài)學的基本原理作為其理論基礎的，但其研究的環(huán)境是以人類人類為主體的環(huán)境，從研究的切入點和研究層次上兩者是不同的。 與毒理學學科的關系 毒理學是研究外來化合物外來化合物對生物體毒性作用的一門學科。 環(huán)境生物學在毒理學的基礎上，進一步應用生態(tài)學、分子生物學、生物化學及生物物理學等基礎學科對環(huán)境污染物的毒作用機理、影響其毒性作用的各種因素和控制規(guī)律等眾多內容進行深入研究。本課程的重點內容和學習要求 環(huán)境污染的生物效應 要求：理解污染物在環(huán)境中的遷移、轉化和積累的生物學規(guī)律以及在各個水平上對生物的影響和危害，在此基礎上，掌握環(huán)境污染的生物監(jiān)測與生物評價的基本理論和方法。 環(huán)境污染的生物凈化： 要求：理解環(huán)境污染生物凈化的基本原理和方法，理解生物降解的規(guī)律、原理和途徑，了解現(xiàn)代生物技術在污染物生物凈化中的應用。在學習了本章內容之后，請思考以下問題： 環(huán)境生物學在環(huán)境科學研究中有哪些作用？ 應如何開展環(huán)境生物學的研究？第一篇 環(huán)境污染的生物效應第一章 環(huán)境污染物在生態(tài)系統(tǒng)中的行為本章將討論以下內容： 環(huán)境污染概述 污染物在環(huán)境中的遷移與轉化 污染物在生物體內的生物轉運和生物轉化 污染物在生物體內的濃縮、積累和放大 生物對污染物在環(huán)境中行為的影響1 環(huán)境污染物在生態(tài)系統(tǒng)中的行為1.1 環(huán)境污染概述 什么是環(huán)境污染（Environmental Pollution）？ 通常，環(huán)境污染主要指人類活動人類活動所引起的環(huán)境質量下降而有害于人類及其它生物的正常生存和發(fā)展的現(xiàn)象。而自然過程引起的同類現(xiàn)象稱為自然自然突變或異常突變或異常。 環(huán)境污染的分類生物污染化學污染物理污染按污染物性質廢氣污染廢水污染固體廢棄物污染噪聲污染輻射污染按污染物形態(tài)環(huán)境效應環(huán)境污染所導致的環(huán)境變化 環(huán)境生物效應：指各種環(huán)境因素變化而導致生態(tài)系統(tǒng)變異的結果。 環(huán)境化學效應：在多種環(huán)境條件的影響下，物質之間的化學反應所引起的環(huán)境效果。如：酸雨、光化學煙霧等。 環(huán)境物理效應：物理作用引起的環(huán)境效果。如熱污染、噪聲污染等。污染源（Pollution Source） 工業(yè)污染源 農(nóng)業(yè)污染源 交通運輸污染源 生活污染源污染物的自然來源自然來源（Natural Source ） : 自然界向環(huán)境排放，如：活動的火山或礦床；交通工業(yè)農(nóng)業(yè)污染物的人為來源（人為來源（Artificial Source ） : 來自人類活動，影響范圍廣、危害大，如工業(yè)三廢圖1-1 污染源示意圖污染物（Pollutant） 污染物 指進入環(huán)境后使環(huán)境的正常組成結構、狀態(tài)和性質發(fā)生變化，直接或間接有害于人類的生存和發(fā)展的物質。 生產(chǎn)性污染物和生活污染物 一次污染物和二次污染物： 二次污染物是指進人大氣的一次污染物之間相互作用或一次污染物與正常大氣組分發(fā)生化學反應，以及在太陽輻射線的參與下引起光化學反應而產(chǎn)生的新的污染物，它常比一次污染物對環(huán)境和人體的危害更為嚴重。 優(yōu)先污染物（Priority Pollutant）： 指在眾多的污染物中篩選出的潛在危險大的作為優(yōu)先研究和控制對象的污染物，亦稱優(yōu)先控制污染物。 主要針對下列污染物：有毒有機化學污染物、生物難降解性物質、具有生物積累性、三致性的污染物小結環(huán)境污染的特點： 影響范圍大 作用時間長 污染物濃度低、情況復雜 污染容易、治理難1.2 污染物在環(huán)境中的遷移與轉化 1.2.1 污染物在環(huán)境中的遷移 遷移的定義： 遷移是指污染物在環(huán)境中發(fā)生的空間位置的移動及其引起的富集、分散和消失的過程。 污染物進入環(huán)境的途徑包括： （1）人類活動過程中無意排放 （2）工業(yè)三廢 （3）人類活動過程中故意應用 注： 進入環(huán)境的污染物可以在各個環(huán)境要素（水、氣、土）中發(fā)生遷移并輸送到很遠的距離。污染物的長距離傳送，往往由局部性污染引發(fā)區(qū)域性污染甚至全球性污染，這也是環(huán)境污染成為當代主要環(huán)境問題的原因之一。污染物在環(huán)境中的遷移方式 機械遷移 （1）水的機械遷移作用 （2）氣的機械遷移作用 （3）重力的機械遷移作用 物理化學遷移 污染物在環(huán)境中遷移的最重要的形式。 （1）溶解沉淀作用、絡合螯合作用、吸附解吸作用、氧化還原作用、水解作用 （2）化學分解、光化學分解、生物化學分解 生物遷移 例：生物通過食物鏈對重金屬的放大積累作用影響遷移的因素： 內部因素 污染物自身的物理化學性質：組成該物質的元素所具有的組成化合物的能力、形成不同的電價離子能力、水解能力、形成絡合物的能力、被膠體吸附的能力 原子的電負性、離子半徑、電價、離子電位和化合物的鍵性、溶解度等都是影響遷移的主要理化參數(shù)。 外部因素 酸堿條件 氧化還原條件 膠體的種類、數(shù)量 絡合配位體的數(shù)量、性質1.2.2 污染物的形態(tài)和分布（Form and Distribution of Pollutant） 污染物的形態(tài) 定義：指環(huán)境中污染物的外部形狀、化學組成和內部結構的表現(xiàn)形式。 污染物的存在形態(tài)包括：價態(tài)，如Cr（VI）、 Cr（III）化合態(tài)，如有機汞和無機汞結構態(tài)，如同分異構體絡合態(tài) 幾種重要的形態(tài)分類 離子態(tài) 代換態(tài) 膠體 有機結合態(tài) 難溶態(tài)污染物的分布 污染物的分布 定義：指污染物在環(huán)境多組分間分布，不僅指在環(huán)境空間的濃度分布，而且還指污染物不同形態(tài)、不同相態(tài)之間的分配。 例：汞形態(tài)的分布1.2.3 污染物在環(huán)境中的轉化（Transformation of Pollutant） 轉化的定義 指污染物在環(huán)境中通過物理、化學或生物的作用改變形態(tài)或轉變成另一種物質的過程。 轉化的形式 物理轉化： 化學轉化 生物轉化 轉化的結果： 兩種可能：污染物轉化為無毒物質或易降解結構 污染物的毒性增強或轉化為難降解結構 大氣中的轉化：以光化學氧化、催化氧化反應為主 例一：光化學煙霧（Photochemical Smog） 光化學煙霧是大氣中氮氧化物和碳氫化合物在紫外線照射下反應生成的多種污染物的混合物。 光化學煙霧最具危害的兩種物質是臭氧(O3)和過氧乙酰硝酸酯(peroxyacetylnitrates , PAN)。例二：酸雨（Acid Rain）大氣中的轉化大氣中的轉化 NO2（微量） NO2 + UV NO2 NO2 NO + O O + O2 O3 O3 + NO NO2 + O2 O3 O3 + HC 醛類及其它氧化物 醛類 復雜的有機化合物 刺激眼睛 NO 汽車排氣 HC NO2 太陽 紫外光 紫外光 HC + O2 + NO2 + UV O3 + 甲醛 + PAN + 氧化產(chǎn)物 O3 PAN 甲醛、 丙稀醛等 傷害植物 傷害植物 刺激眼睛 刺激眼睛 氧化產(chǎn)物 聚合與核長大 氣溶膠 光霧 *圖1-3光化學煙霧形成過程自然源、電廠以及內燃機等排放出的污染物在大氣中發(fā)生化學反應產(chǎn)生導致酸沉降的化學物質。圖14 酸沉降形成示意圖水體中的轉化水體中的轉化水體中的轉化主要通過下列途徑： 氧化還原作用 天然水體本身是一個氧化還原體系，含有多種無機、有機氧化劑和還原劑，如DO、Fe3+、Mn4+、S2、有機化合物等，對污染物的轉化起重要作用。 水體中的氧化還原類型、速率和平衡，在很大程度上決定了水中重要污染物的性質。如：厭氧性湖泊 水體中的許多氧化還原反應均為微生物催化反應。 配合作用 無機配位體：OH、Cl、CO32-、HCO3等 有機配位體： 生物降解作用土壤中的轉化土壤中的轉化 土壤是環(huán)境中微生物最活躍的場所，故生物降解起重要作用。氧垂曲線（Oxygen Sag Curve） 氧垂曲線的定義 在河流受到有機物污染時，由于有機物的氧化分解作用，水體的DO發(fā)生變化。從污染源到河流下游一定距離內，可繪制一條DO逐漸變化的曲線，稱之為氧垂曲線。 根據(jù)有機物在水體中分解變化和DO的變化，可把受污河流分成幾段: 清潔區(qū)：未受污染 分解區(qū) 腐敗區(qū) 恢復區(qū) 1.2.4 污染物的生物地球化學循環(huán) 生物地球化學循環(huán)的概念 指生物的合成作用合成作用和礦化作用礦化作用所引起的污染物周而復始的循環(huán)運動過程。 注：合成作用合成作用指生物（主要是綠色植物）將吸收的環(huán)境化學物質轉變?yōu)樯矬w本身的有機物質的過程。 礦化作用礦化作用指生物通過代謝作用（包括微生物的分解作用）將生物體的有機物質轉化為無機物質或簡單的有機物。 循環(huán)過程 循環(huán)機理1.3 污染物在生物體內的生物轉運和生物轉化1.3.1生物轉運 生物轉運（Biotransport or Biotransport）的概念 生物轉運：是指環(huán)境污染物經(jīng)各種途徑和方式同生物機體接觸而被吸收、分布和排泄等過程的總稱。這些過程都需要通過細胞的膜結構。 細胞膜（生物膜）有多種：細胞質膜、內質網(wǎng)膜、線粒體膜、核膜等； 它們基本的化學組成、分子結構、功能有共同的特征。 一般細胞膜由蛋白質分子和脂質分子（主要是磷脂類）組成 細胞質膜結構圖污染物透過細胞膜的方式 特點 方式濃度梯度有無載體是否耗能其它特點簡單擴散高濃度低濃度（順）無否脂溶性有機化合物的主要轉運方式濾過過程通過膜上的親水性孔道主動轉運低濃度高濃度（逆）有耗能水溶性大分子化合物的主要方式易化擴散高濃度低濃度（順）表11 污染物透過細胞膜的方式污染物的吸收（Absorption of Pollutant）：指污染物在多種因素影響下，自接觸部位透過體內細胞膜進入血液循環(huán)的過程。 動物吸收的主要途徑有：呼吸系統(tǒng)、消化管和皮膚 （1）呼吸系統(tǒng)吸收特點: 吸收對象主要針對氣體、蒸汽、氣溶膠等形式的污染物。 吸收方式多以被動擴散的方式，通過呼吸膜吸收入血。 主要部位例如：肺，肺泡數(shù)量多，表面積大，遍布毛細血管，便于污染物經(jīng)肺迅速吸收進入血管。 （2）消化管吸收特點： 吸收對象主要為飲水和由大氣、水、土壤進入食物鏈中的污染物。 吸收方式多以簡單擴散方式通過細胞膜而被吸收。 主要部位如胃和小腸。 （3）皮膚吸收：如有機磷農(nóng)藥可透過完整皮膚引起中毒。 植物吸收的主要途徑： （1）根部吸收以及隨后隨蒸騰流而輸送到植物各部分； （2）通過植物葉片上的氣孔從周圍空氣中吸收污染物，是植物對大氣污染物吸收的主要方式； （3）有機化合物的蒸汽經(jīng)過植物地上部分表皮滲透而攝入體內 污染物的體內分布 指環(huán)境污染物隨血液或其它體液的流動，分散到全身各組織細胞的過程。 污染物的排泄 指進入機體的環(huán)境污染物及其代謝產(chǎn)物被機體清除的過程。 排泄的主要途徑是通過腎臟進入尿液和通過肝臟的膽汁進入糞便，有的環(huán)境污染物還可隨同呼出的氣體、汁液等排出體外。3.2 污染物在體內的生物轉化 生物轉化（Biotransformation）的概念 生物轉化指外源化合物外源化合物進入生物機體后在有關酶系統(tǒng)的催化作用下的代謝變化過程。 注1：外源化合物外源化合物（Xenobiotic compounds） 指除了營養(yǎng)元素及維持正常生理功能和生命所必需的物質以外，存在于環(huán)境之中，可與機體接觸并進入機體引起機體發(fā)生生物學變化的物質。又叫外來化合物或外源性生物活性物質。例如：藥物、日用化學品、食品添加劑、環(huán)境污染物等。 生物外源性物質是指那些人工合成的，具有不被現(xiàn)有降解酶系所識別和作用的分子結構和化學鍵序列的化合物，簡而言之，就是不能被生物降解的化合物。如DDT、六六六、多氯聯(lián)苯、染料、塑料、合成橡膠等。 注2：內源性化合物內源性化合物指生物機體正常的生理活動產(chǎn)生的物質。 注3：酶（酶（Enzyme）是由活細胞產(chǎn)生的，能在體內和體外起同樣催化作用的一類具有活性中心和特殊構象的生物大分子，包括蛋白質和核酸。 注4：生物轉化的主要場所是肝臟，其它有肺、胃、腸、皮膚等。生物轉化的過程 相I過程（反應） 外源性化合物在有關酶系統(tǒng)的催化下經(jīng)由氧化、還原或水解反應改變其化學結構，形成某些活性基團（OH、SH、COOH、NH2）或進一步使這些活性基團暴露。 相II過程（反應） 相I過程產(chǎn)生的一級代謝物在另外的酶系統(tǒng)催化下通過上述活性基團與細胞內的某些化合物結合，生成結合產(chǎn)物（二級代謝物）或帶有某些基團的外源性化合物與細胞內物質結合反應。排出體外外源性化合物一級代謝物 結合產(chǎn)物（二級代謝物）毒害作用過程I （相I反應）圖15 生物轉化過程示意圖過程II （相II反應） 相I反應的主要類型： 氧化反應：微粒體混合功能氧化酶參與的反應，例如脂肪族羥化 非微粒體反應 還原反應：微粒體還原 非微粒體還原 水解反應 相II反應的主要類型：微生物對生物外源性物質的轉化作用 微生物對生物外源性物質的轉化主要有以下幾種形式： 脫鹵（主要是脫氯），如DDT的脫氯 還原，將生物外源性物質上的取代基，特別是硝基，進行還原； 水合反應，如對有機氰的水合反應，形成無毒的含氮有機化合物 圖DDT的微生物轉化 TNT的微生物轉化影響生物轉化的因素 物種差異和個體差異 由各自的遺傳因素決定，主要表現(xiàn)在體內酶的種類和活力不同上。 飲食營養(yǎng)狀況 蛋白質、無機鹽、維生素等營養(yǎng)缺乏時會不同方式地影響生物轉化作用。 生理因素 年齡因素 性別因素 激素和晝夜規(guī)律：機體在每日不同時間的生物轉化能力有高低差異，與內分泌功能的晝夜規(guī)律有關。 代謝酶的抑制和誘導小結 任何一種外源性化合物的生物轉化方式不是簡單的，它們可同時進行不同的氧化還原或水解反應，此后又可繼續(xù)進行不同類型的結合反應。 生物轉化的結果有兩方面： 解毒作用（失活）：使外源性化合物毒性降低，易于排出，或使其轉變?yōu)橐子诒黄渌⑸锼到獾幕衔铩?增毒作用（活化）：使其毒性增加1.4 環(huán)境污染物在生物體內的濃縮、積累和放大基本概念： 生物濃縮（Bioconcentration） 指生物機體或處于同一營養(yǎng)級上的許多生物種群，從周圍環(huán)境中蓄積某種元素或難分解化合物，使生物體內該物質的濃度超過環(huán)境中的濃度的現(xiàn)象，又稱生物學濃縮、生物學富集。 生物濃縮系數(shù)KBCF （Bioconcentration Factor） KBCF物質在生物體內的濃度/物質在環(huán)境介質中的濃度 生物積累（Bioaccumulation） 指生物在其整個代謝活躍期間通過吸收、吸附、吞食等各種過程，從周圍環(huán)境中蓄積某些元素或難分解化合物，以致隨著生長發(fā)育，濃縮系數(shù)不斷增大的現(xiàn)象，又稱生物學積累。 生物放大（Biomagnification） 指在生態(tài)系統(tǒng)中，由于高營養(yǎng)級生物以低營養(yǎng)級生物為食物，某元素或難分解化合物在生物機體中濃度隨營養(yǎng)級的提高而逐步增大的現(xiàn)象，又稱生物學放大。 思考：許多生物外源性物質在環(huán)境中的含量很低，通常在ppb級，為什么這么低的濃度還會引起嚴重的問題？ 這正是由于生物放大作用造成的，這樣的生物外源性物質必須滿足以下兩個條件：一、難以生物降解；二、具有親脂性。 思考：三個概念的有何區(qū)別？有何意義？ 生物濃縮：C體內C環(huán)境 生物積累：t（生長期），KBCF 生物放大：營養(yǎng)級 ， KBCF 生物濃縮系數(shù)的測定 平衡濃縮系數(shù)：物質交換達到動態(tài)平衡時的濃縮系數(shù)。 測定方法： 優(yōu)缺點 實驗室飼養(yǎng)法： 條件易于控制，但數(shù)值不夠準確 野外調查法： 數(shù)值標準，但技術難度大，可能時間周期長 動力學方法： 節(jié)省試驗時間，更適合大個體生物 影響因素 生理因素：如生物的生長、發(fā)育、大小、年齡 環(huán)境因素：如污染物的濃度、化學形態(tài)、環(huán)境溫度、pH值、光照條件及季節(jié)表12汞在水生物中的富集生物類型汞濃度（ppm）濃縮系數(shù)食肉娃魚1-210000-20000小魚0.1-0.31000-3000低等動物0.02-0.05200-500植物0.01-0.02100-200海水0.0001生物濃縮機理和濃縮模型q v C BiVBCBVTCTK2CTq v C Bo血液組織圖16 生物體某一組織生物濃縮的機理模型TTBoBiVTTcKVccqdtdcV2 tKBoBiTVTeccKVqtc221 BoBiTVTccKVqc2由此可知：生物組織中化合物的濃度不僅與該化合物在該組織中的代謝速率有關，還與進出組織的血液中的化合物濃度差成正比。影響生物濃縮的因素 生物種的生物學特征 不同組織器官的影響 不同生育期 與性別的關系 污染物的性質 污染物濃度和作用時間 環(huán)境條件1.5 生物對污染物在環(huán)境中行為的影響1.5.1生物污染（Biological Pollution） 環(huán)境中的病原微生物（Pathogenic Microorganism） 例如：沙門氏菌、霍亂弧菌、腸道病毒等 水體的富營養(yǎng)化水體的富營養(yǎng)化（Eutrophication） 概念：指大量的氮磷等營養(yǎng)元素物質進入水體，使水中藻類等浮游生物旺盛增殖，從而破壞水體的生態(tài)平衡的現(xiàn)象。 不良后果： 微生物代謝產(chǎn)物產(chǎn)生的污染 硫化氫 酸性礦水酸性礦水 硝酸和亞硝酸 微生物毒素 指微生物在其生長、代謝過程中所產(chǎn)生的毒素，可污染食品和環(huán)境，危害人類健康。如黃曲霉毒素、葡萄球菌腸毒素、藻類毒素等。酸性礦水 反應式？ 成因 由黃鐵礦（FeS2）氧化所產(chǎn)生的硫酸引起，微生物與形成酸性礦水的整個過程密切相關。當pH3.5時，鐵細菌即氧化亞鐵硫桿菌可催化鐵的氧化，其它如氧化硫硫桿菌和氧化亞鐵鐵桿菌都與酸性礦水的形成密切相關。 危害 酸性礦水中最有破壞性的組分是硫酸，有直接的毒性及其他不良影響。 防治 利用碳酸鈣礦石中和過量酸性礦水，但Fe(III)往往同時存在，反應后，pH上升，F(xiàn)e(OH)3立即覆蓋在碳酸鈣礦石的表面成為不透水層，這種保護效應阻止了碳酸鈣對酸的進一步中和。1.5.2 金屬的生物轉化 金屬的毒性 影響因素：金屬的濃度、金屬的存在狀態(tài) 例如，六價鉻比三價鉻毒得多；甲基汞的毒性比其他的汞化合物毒性大得多；有機錫比無機錫毒，有機錫中的烷基錫比芳香基錫毒，烷基錫中三烷基又比其他烷基錫毒。 金屬的微生物轉化 微生物對金屬的毒性轉化，主要是氧化還原氧化還原和甲甲基化作用基化作用。汞的轉化汞的轉化 汞的存在形式 無機汞：零價的金屬汞與一價汞鹽幾乎不溶;二價汞鹽除了硫化汞、碘化汞外幾乎均可溶解 有機汞：汞易和有機基團形成化合物，通常是以共價鍵連接在碳原子上形成有機汞。 汞化合物的毒性 難溶的汞生物吸收困難，毒性很小 易溶的汞容易吸收，毒性很強（其中甲基汞的毒性最強） 毒性體現(xiàn)：生物的神經(jīng)系統(tǒng)受到傷害，神經(jīng)麻痹以致引起死亡。 實例：日本的水俁灣甲基汞中毒事件就是典型的汞污染事件。這類汞中毒一般都不是通過直接飲用水被汞污染造成，而是由于甲基汞在食物鏈積累并由水中的魚類向上傳遞給人而引起的。汞的甲基化汞的甲基化 汞的甲基化是由微生物形成的。 魚類體表粘液中有許多含有甲基化輔酶的微生物，他們將無機汞轉化為甲基汞，動物和人體腸道腸道中的細菌大部分也具有這種功能，因此甲基汞中毒是由微生物造成的。 汞甲基化微生物：細 菌甲烷菌、匙形梭菌、熒光假單胞菌、大腸埃希氏菌、產(chǎn)氣腸桿菌、巨大芽孢桿菌真 菌粗糙鏈孢霉、黑曲霉、釀酒酵母等。 過程如下： Hg2+ Hg+ -CH3 Hg(CH3) 2 甲基化輔酶甲基化輔酶 -CH3 -CH3甲基汞的降解甲基汞的降解 事實上通常情況甲基汞在天然水體中的濃度十分低，這是由于不僅存在汞的甲基化，同時還存在甲基汞的降解，甲基汞可被生物還原為金屬汞。 甲基汞降解微生物：檸檬酸桿菌、假單胞菌、節(jié)桿菌、 隱球菌等。小結 生物意義：汞的甲基化與脫甲基化通常保持著一個動態(tài)的平衡，從而使環(huán)境中的甲基汞濃度維持在低水平。 但是，在有機污染嚴重、pH較低的環(huán)境中，容易形成和釋放甲基汞，對生物的危害較大。 一方面甲基汞溶于水被魚、貝吸收濃縮， 另一方面甲基汞還會逸出水體，進入大氣，使污染擴大。其它重金屬的轉化其它重金屬的轉化 與汞相似，重金屬普遍可被微生物甲基化重金屬普遍可被微生物甲基化; 甲基化的重金屬普遍毒性提高，這些金屬包括砷、硒、鉛、錫、鎘、銻等。 重金屬生物轉化的環(huán)境效應: 微生物通過分泌作用或呼吸作用排出形成的有機金屬化合物，是微生物具有的一種對有毒金屬解毒方式；但被排出的金屬化合物，可能比其原形態(tài)對高等生物具更大的危害性。 另一方面，微生物可將化合態(tài)的重金屬轉化還原為單質形式，這種轉移方式可暫時或永久地將金屬從生物接觸的環(huán)境中清除出去。思考題 污染物在環(huán)境中的遷移方式和轉化途徑有哪些？ 什么是生物轉運和生物轉化？污染物透過細胞膜的方式有哪些？有何特點？ 什么是生物濃縮、生物積累、生物放大和濃縮系數(shù)？第二章 污染物對生物的影響本章將討論以下內容： 污染物在生物化學和分子水平上的影響 污染物在細胞和器官水平上的影響 污染物在個體水平上的影響 污染物在種群和群落水平上的影響 化學污染物對生物的聯(lián)合作用2.1 污染物在生物化學和分子水平上的影響 生物系統(tǒng)的各級生物學水平：生物分子 細胞器 細胞 組織 器官 器官系統(tǒng) 個體 種群 群落 生態(tài)系統(tǒng)污染物進入機體后導致的生物化學變化包括：防護性生化反應和非防護性生化反應作用類型例子后果防護性混合功能氧化酶的誘導加快新陳代謝，生成水溶性代謝物，從而加速排泄金屬硫蛋白的生成增加對金屬的束縛速度，從而降低金屬的生物利用率非防護性乙酰膽堿酯酶的抑制作用50以上因抑制而產(chǎn)生可見的毒性效應表21 對污染物的防護性和非防護性生化反應2.1.1 污染物對生物機體酶的影響 什么是酶（ enzyme ）？ 酶是一種特殊的蛋白質，在生物體內對代謝活動起催化作用，本身不發(fā)生變化。受酶作用的物質稱為基質（底物）基質（底物），在酶作用下的反應稱為酶促反應酶促反應。 酶和污染物的相互作用 污染物進入機體后，一方面在酶的催化酶的催化下，進行代謝轉化，另一方面也導致體內酶活性酶活性改變改變，影響酶的數(shù)量和活性。 另外有些環(huán)境污染物對酶有誘導作用。目前已發(fā)現(xiàn)多種環(huán)境污染物能誘導生物體內一些酶的活性增加，例如：有機氯農(nóng)藥、多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴、表面活性劑、增塑劑和染料中間體等，均可對酶產(chǎn)生誘導作用。 1 污染物對酶輔助因子的影響 一些污染物能與酶的輔助因子金屬離子作用，從而使輔助因子失活，影響到酶的活性。 例如：氰化物等能與細胞色素酶中的鐵離子結合，形成穩(wěn)定絡合物，而抑制細胞色素的酶活性，使其不能傳遞電子，則細胞內的氧化代謝過程中斷，使機體不能利用氧，出現(xiàn)內窒息性缺氧。 2 對酶活性中心的影響 污染物還能和酶的其它活性基團結合，如汞和砷與某些酶的活性基團結合就很牢固，從而使酶失去活性。 3 破壞酶的結構 有些污染物能夠取代酶分子中的某些成分，從而使酶失去活性。如鈹?shù)亩咀饔脵C理就是能取代某些酶分子中的鎂和錳，破壞了酶的正常結構，使酶失去活性。污染物對生物體內酶的影響 4 與酶激活劑作用 有些酶需要激活劑才能表現(xiàn)活性。酶激活劑往往是金屬離子，凡是能與激活劑作用的污染物都能抑制酶的活性。 5 污染物與基質競爭同種酶而抑制酶的作用 污染物與底物有相似的結構，也能酶形成復合物，從而競相和酶發(fā)生作用。 酶的抑制 不可逆性抑制 非競爭性抑制 競爭性抑制混合功能氧化酶（MFO） 混合功能氧化酶（MFO） MFO是污染物在體內進行生物轉化相I過程中的關鍵酶系，它們對人工化學品解毒發(fā)揮了重要作用。 MFO引起的生物轉化的反應特征相同，但底物、產(chǎn)物的化學特性差別很大，即具有多種催化功能。 混合功能氧化酶（MFO）的作用 MFO存在于所有的脊椎動物和大部分的無脊椎動物中，其作用是代謝非極性的親脂性有機化合物，包括內源性化合物和外源性化合物。 從解毒作用來看，許多外源性化合物進入體內，經(jīng)MFO作用后發(fā)生各種變化，大多數(shù)被轉化成低毒易溶的代謝產(chǎn)物排出體外。但有的則變成高毒甚至致癌物?？寡趸烙到y(tǒng)酶 活性氧（Activiated Oxygen） 帶有23個電子的分子氧還原產(chǎn)物，主要有：OH、O2、H2O2 活性氧的控制和消除 由體內產(chǎn)生的活性氧可為抗氧化防御系統(tǒng)控制，消除活性氧對機體的傷害作用。 某些污染物如多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯可在生物體內進行生物轉化時產(chǎn)生大量活性氧。在一定范圍內，這些活性氧可被體內的抗氧化防御系統(tǒng)清除，但當體內的抗氧化防御系統(tǒng)不能消除這些活性氧時，它們可使DNA鏈斷裂、脂質過氧化、酶蛋白失活等，從而引起機體氧化應激或氧毒性。 抗氧化防御系統(tǒng)酶 超氧化物歧化酶（SOD） 谷胱甘肽氧化酶（G P x） 過氧化氫酶（Ct）2.1.2 污染物對生物大分子的影響污染物對生物大分子的影響主要表現(xiàn)在以下方面： 干擾正常的受體配體的相互作用 受體（receptor）是許多組織細胞膜上的大分子成分，配體（ligand）是生物體內的一些具有生物活性的化學物。正常情況下，受體與配體結合形成受體配體復合物，產(chǎn)生一定的生物學效應。 生物膜損傷 不少環(huán)境化學物通過改變膜脂流動性，影響膜的通透性和鑲嵌蛋白質的活性，改變其結構和穩(wěn)定性，從而產(chǎn)生生物效應 干擾細胞內鈣穩(wěn)態(tài) 正常情況下細胞內的鈣濃度較低（107108 mol/L），細胞外濃度較高（103 mol/L ）。各種細胞毒物，如硝基酚、過氧化物、汞、鉛等重金屬離子均能干擾細胞內鈣穩(wěn)態(tài)，引起細胞損傷和死亡。 干擾細胞能量的合成 一些環(huán)境污染物可干擾糖類的氧化，使細胞不能合成能被生物利用的ATP，ATP使細胞生命活動得不到充足的能量供給 脂質過氧化(lipied peroxidation)與自由基 脂質過氧化是細胞損傷的一種特殊方式,是由于產(chǎn)生了自由基而引起的,正常情況下,生物體內氧化、還原和酶促反應過程中，均可產(chǎn)生少量自由基，一般可被體內存在的抗氧化物質（如維生素C、維生素E）所對抗，對生物危害不大。當大量污染物（自由基）進入機體，造成機體抗氧化作用失衡，即可發(fā)生脂質過氧化，對生物體造成危害。 與生物大分子共價結合 共價結合可改變生物大分子的結構和功能，引起一系列生物學改變，特別是與酶蛋白、脂肪、核酸等重要生物大分子共價結合，能改變其化學結構，影響其生理功能，甚至導致變性和細胞死亡。例：污染物對蛋白質的影響污染物對蛋白質的影響主要表現(xiàn)在以下方面： 導致蛋白質化學損傷：細胞膜結構及通透性改變；影響酶的催化功能等 誘導生物機體內一些功能蛋白的產(chǎn)生：如應激蛋白（Stress Proteins）和金屬硫金屬硫蛋白蛋白（Metallothionein）的產(chǎn)生，這些蛋白質的產(chǎn)生可保護生物機體抵抗污染物的損害。 注：金屬硫蛋白對二價金屬離子具有極高的親和力，在細胞內起貯存必需的微量金屬如Zn、Cu和結合有毒金屬如Cd、Hg的作用，它與必需金屬的結合起調節(jié)這些金屬在細胞內濃度的作用，而與有毒金屬結合則可以保護細胞免受金屬毒性影響。污染物對DNA的影響 外源性化合物及其代謝產(chǎn)物能引起DNA損傷，它們與DNA的相互作用過程有以下四個階段： 形成DNA加合物（DNA Addcuts） 發(fā)生DNA的二次修飾 DNA結構的破壞被固定 當細胞分裂時，外源性化合物造成的危害可導致DNA突變及其基因功能的改變 DNA加合物的形成是產(chǎn)生DNA損傷最早期的作用，隨后產(chǎn)生的最重要影響是DNA結構的改變結構的改變，如堿基置換、堿基丟失、鏈斷裂等。 DNA加合物作為一項生物指標來評價環(huán)境中化學污染物的遺傳毒性的研究日益受到重視。2.2 污染物在細胞和器官水平上的影響 2.2.1 對細胞膜的影響 對細胞膜的影響主要表現(xiàn)在以下方面： 污染物引起的脂質過氧化作用導致的損傷 污染物可影響膜的離子通透性 污染物與膜上的受體結合，干擾正常的生理功能2.2.2 對細胞器的影響 線粒體 線粒體是細胞供能的場所。 污染物可引起其結構改變，從而影響線粒體的氧化磷酸化和電子傳遞功能 光面內質網(wǎng)和糙面內質網(wǎng) 光面內質網(wǎng)和糙面內質網(wǎng)是進行激素和外源性化合物的代謝場所。 糙面內質網(wǎng)：通過附著或解離核糖體控制蛋白質的合成 例：多種化學致癌物如黃曲霉毒素能引起核糖體脫落，導致蛋白質合成控制的改變。2.2.3 污染物對組織器官的影響 三個概念：靶器官、效應器官和蓄積器靶器官、效應器官和蓄積器官官 注1：靶器官不同于效應器官，污染物的毒作用可以通過靶器官表現(xiàn)處來，也可由另外的效應器官表現(xiàn)出來。 注2：靶器官不同于蓄積器官，污染物在蓄積器官內的濃度高于其他器官，但對蓄積器官并不一定顯示毒作用。 對組織器官的影響 對植物，表現(xiàn)為葉面出現(xiàn)點、片傷害斑，造成葉、蕾、花、果實等的脫落 對動物，以重金屬污染為例：鉛可損害造血器官和神經(jīng)系統(tǒng)，鎘可損害肝臟、腎臟，導致骨痛病。2.3 污染物在個體水平上的影響 污染物對植物在個體水平上的影響： 主要表現(xiàn)為生長減慢、發(fā)育受阻、失綠黃化、早衰等 污染物對動物在個體水平上的影響： 主要表現(xiàn)為死亡、行為改變、繁殖下降、生長和發(fā)育抑制、疾病敏感性增加、代謝率變化2.3.1 死亡 衡量死亡的指標 死亡率：死亡比例的大小，為評價污染物毒性大小的生物學指標 致死劑量（Lethal Dose）或致死濃度（Lethal Concentration）：能引起動物死亡的污染物的劑量或濃度。 半數(shù)致死劑量（LD50）或半數(shù)致死濃度（LC50）：能引起50的動物死亡的污染物的劑量或濃度。 影響致死效應的主要因素： 污染物的種類及其物理化學性質 生物的種類 作用時間、水質條件，如溫度、硬度、溶解氧等 多種污染物的綜合作用2.3.2 對行為的影響 行為毒性（Behavioral Toxicity）的概念 指一種污染物或其他因素（如溫度、光照、輻射）使得動物一種行為超過正常變化的范圍。 水環(huán)境污染可影響的生物行為： 回避行為 捕食行為 學習行為 警惕行為 社會行為 對鳥類行為的影響 有機磷農(nóng)藥可影響鳥的神經(jīng)系統(tǒng)，導致鳥的平衡和協(xié)調性的損害。 受污染的鳥類還可表現(xiàn)出對領地的失控和不能照顧后代。2.3.3 對繁殖的影響 污染物的繁殖的影響 主要表現(xiàn)為：產(chǎn)卵數(shù)、孵化率、幼體存活率下降以及繁殖行為下降等 概念：環(huán)境激素（Environmental Endocrine Disrupters） 指具有動物和人體激素的活性，能干擾和破壞野生動物繁殖障礙、誘發(fā)人類重大疾病的天然物質或人工合成物質。也叫做外源性雌激素或環(huán)境內分泌干擾物。 環(huán)境激素的種類包括：天然雌激素、合成雌激素、植物雌激素 、具有雌激素活性的環(huán)境化學物質 注：具有雌激素活性的環(huán)境化學物質：如殺蟲劑、多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴、洗滌劑、塑料添加劑、食品添加劑等，工業(yè)廢水和生活污水往往含有上述物質。2.3.4 對生長和發(fā)育的影響 污染物對生長和發(fā)育的影響可通過生長指示器來測定 生長指示器（Scope for Growth）是反映生物機體能量獲取利用和代謝的綜合指標。 P=A-(R+U) 注：PSFG； A從食物獲得的能量； R呼吸作用的能量損失； U排泄作用的能量損失2.4 污染物在種群和群落水平上的影響 2.4.1 對生物種群的影響 概念：種群（Population） 是指在一定時空中同種個體的組合。 污染物對種群的影響表現(xiàn)為： 種群數(shù)量的密度改變 結構和性別比例的變化：年齡結構、種群大小、性逆轉 遺傳結構的改變：在進化過程中通過改變基因頻率以適應環(huán)境的改變 競爭關系的改變2.4.2 對生物群落的影響 基本概念 群落（Community） 優(yōu)勢種（Dominant Species） 優(yōu)勢度？ 耐污種 敏感種 污染物對群落的影響表現(xiàn)在： 群落組成和結構改變 對物種多樣性（物種多樣性（Species Diversity）的影響 注：物種多樣性指群落中物種的數(shù)目（豐富度）和各個物種的相對密度（群落的異質性）。2. 5 化學污染物對生物的聯(lián)合作用 聯(lián)合作用(Combined Effect)的概念 指兩種或兩種以上化學污染物共同作用所產(chǎn)生的綜合生物學效應。 聯(lián)合作用的類型： 相加作用（Additive Effect）：污染物的總作用強度等于其各個成分單獨作用強度的總和。 協(xié)同作用（Synergistic Effect）：污染物的總作用強度大于其各個成分單獨作用強度的總和。 獨立作用（Independent Effect）各污染物對機體的侵入途徑、方式、作用部位、產(chǎn)生毒作用的機理各不相同，因此產(chǎn)生的生物學效應彼此無關。 拮抗作用（Antagonistic Effect）：污染物的總作用強度小于其中任何一種成分的單獨作用強度。第三章 污染物的生物效應檢測本章將討論以下內容 生物測試及方式 一般毒性試驗 生物的分子和細胞水平檢測 生物致突變、致畸和致癌效應檢測 微宇宙法3.1 生物測試及方式 生物測試（Bioassay）的概念： 指系統(tǒng)地利用生物的反應生物的反應測定一種或多種污染物或環(huán)境因素單獨或聯(lián)合存在時所導致的影響或危害。 注釋1：所利用的生物反應包括分子、細胞、組織、器官、個體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)各級水平上的反應。 注釋2：生物測試不同于常規(guī)的物理、化學檢測。前者能夠測定污染物對生物機體的影響，而后者只能測定污染物的濃度。 例如：通過水污染的生物測試可獲得以下數(shù)據(jù)：各種環(huán)境因素如DO、pH、溫度、混濁度等對生命的有利以及不利的濃度或強度；污染物對受測生物的毒性；各種水生生物對污染物的相對敏感性；廢水所應處理的程度；允許的污染物排放濃度等。生物測試的方式 短期生物測試（Short Term Bioassays） 主要用于測定LC50、IC50、EC50，用來快速估計污染物的毒性，評定幾種不同毒物或廢物對某種生物的相對毒性或評定不同生物對不同條件如溫度、pH的相對敏感性等。多數(shù)采用靜止式。 中期生物測試（Intermediate Term Bioassays） 時間為8d到90d，多數(shù)情況下為流動式。 長期生物測試（Long Term Bioassays） 包括全部生活史的生物測試（Complete Lifecycle Bioassays）和部分生活史的生物測試（ Partial Lifecycle Bioassays ） 目的是要測定出在持續(xù)情況下不造成有害效應的毒物最大濃度或最大允許毒物濃度（MATC） 只能采用流動式，要保證試驗的環(huán)境條件和自然界的季節(jié)變化相符合。 受試生物的選擇 影響生物測試結果的因素 受試生物 試驗條件 實驗室差異 生物測試的標準化3.2 一般毒性試驗基本概念 毒物（Toxicant）的概念 毒物與非毒物之間不存在絕對的界限，通常一種物質只有達到中毒劑量時才是毒物。 中毒（Intoxication） 中毒是各種毒性作用的綜合表現(xiàn)，包括急性中毒、亞急性中毒、慢性中毒。 毒性（Toxicity） 指一種物質引起機體損傷的能力。 毒性作用或毒效應（Toxic Effect） 效應（Effect） 也稱為作用，指接觸一定劑量化學物后，使機體產(chǎn)生的生物學改變。效應是對個體而言的，這種改變可用一定的計量單位表示。 反應（Response） 指接觸一定劑量化學物后，產(chǎn)生某種效應并達到一定強度的個體在群體中所占的比例。反應是對群體而言的，用百分率或比值來表示，如發(fā)病率、死亡率等。 劑量效應關系和劑量反應關系 以劑量為橫坐標，以表示效應強度的計算單位或表示反應的百分率或比值為縱坐標繪制散點圖所得到的曲線，即為劑量效應關系和劑量反應關系曲線。 不同的化學物或同一化學物在不同條件下，其劑量與效應或反應的相關關系不同，可呈現(xiàn)不同類型的曲線。（見圖31，32，33，34）劑量效應關系和劑量反應關系曲線圖劑量10050反應強度（）圖31劑量反應曲線（直線型）劑量10050死亡率（）圖32 劑量反應曲線（拋物線型）對數(shù)劑量10050死亡率（）圖33 劑量反應曲線（S形線型）死亡率（概率單位）對數(shù)劑量10050圖34 劑量反應曲線毒性試驗常用參數(shù) 致死劑量或致死濃度致死劑量或致死濃度（Lethal Dose， Lethal Concentration） 絕對致死劑量或致死濃度（LD100、LC100） 半數(shù)致死劑量或濃度（LD50、LC50） 最小致死劑量或濃度（MLD、MLC） 最大耐受劑量或濃度（LD0、LC0 ） 最大無作用劑量（Maximum Noeffect Level） 每日容許攝入量（Acceptable Daily Intake） 最高容許濃度（Maximum Allowable Concentration） 毒作用帶 急性毒作用帶（Acutetoxic Effect Zone） 慢性毒作用帶（Chronic toxic Effect Zone ） 半數(shù)效應濃度（EC50）和半數(shù)抑制濃度（IC50）急性毒性試驗（Acute Toxicity Test） 急性毒性試驗（Acute Toxicity Test） 研究化學物質大劑量一次染毒或24小時內多次染毒動物所引起的毒性的試驗。 其目的是短期內了解該物質的毒性大小和特點，并為進一步開展其他毒性試驗提供設計依據(jù)。 急性毒性試驗類型 哺乳動物急性毒性試驗 水生生物急性毒性試驗 蚯蚓急性毒性試驗動物急性毒性試驗（1）動物急性毒性試驗方法如下： 按試驗要求選擇受試生物 常用成年大鼠或小鼠，雌雄動物同時試驗，對試驗動物預先觀察幾天后標記編號并隨機分組。 預備試驗和確定劑量組 選用少量動物進行預備試驗，找出引起動物90（或全部）死亡的劑量（即最高劑量組劑量）和引起動物10死亡（或不死亡）的劑量（即最低劑量組劑量）。 在最高劑量組劑量和最低劑量組劑量的范圍內，按等比級數(shù)插入若干個中間劑量（一般46組），從而確定正式試驗的劑量組。 染毒方式和受試物的配制 一般用灌胃法和人工熏氣法。 受試物的配制：配制試驗所需的最高劑量濃度溶液，然后依次稀釋到所需濃度。動物急性毒性試驗（2） 觀察指標 中毒癥狀：一般觀察2448小時，最好觀察到絕大多數(shù)動物出現(xiàn)典型中毒癥狀。 動物死亡數(shù)目和死亡時間 病理檢查：對于試驗時立即死亡的動物，可解剖，分析死亡原因，看是技術事故還是中毒引起的死亡。 確定半數(shù)致死量（LD50） 試驗結果 LD50值越小，毒性越大。 急性毒性試驗結果只能粗略地表示某化學物質的毒性，而不能全面反映其毒性。 由于動物種屬、性別、染毒方式的不同，所表現(xiàn)的毒性也不一致，故表示LD50應注釋明動物種類和染毒方式。亞慢性毒性試驗和慢性毒性試驗 亞慢性毒性試驗和慢性毒性試驗 蓄積毒性試驗 蓄積系數(shù)法（Cumulative Coefficient Method）：用來評價環(huán)境污染物蓄積作用的方法。 蓄積系數(shù)K生物半減期T50(1)50(n)LDLD21212lglglg)(yytt3.3 生物的分子和細胞水平檢測 加合物的測定 DNA加合物的測定 蛋白加合物的測定 一般代謝酶的活性測定 乙酰膽堿酯酶 腺三磷酶 解毒系統(tǒng)酶類誘導作用的檢測 混合功能氧化酶的誘導作用 谷胱甘肽硫轉移酶 抗氧化防御系統(tǒng)檢測 過氧化氫酶 谷胱甘肽過氧化酶3.4 生物致突變、致畸和致癌效應檢測3.4.1致突變試驗 基本概念 突變（Mutation） 基因突變（Gene Mutation ）和染色體畸變（Chromosome Mutation ） 致突變作用（Mutagenesis）和致突變物（Mutagen） 致突變試驗的目的 致突變