第八章污染生态学81环境污染及其生态过程82污染生态效应

第8章污染生态学•8.1环境污染及其生态过程•8.2污染生态效应及其评价•8.3污染生态诊断与监测分析•8.4生态系统污染控制与污染生态工程•8.5生态系统污染的综合整治8.1环境污染及其生态过程8.1.1环境污染的概念与类型1.环境的组成与结构•环境科学中，环境是以人类为主体的外部世界，即人类赖以生存和发展的物质条件的综合体，包括自然环境和社会环境。自然环境是直接或间接影响到人类的一切自然形成的物质及其能量的总体。社会环境是人类在自然环境的基础上，通过长期有意识的社会劳动所创造的人工环境。•环境具有多层次、多结构的特性。环境科学把环境作为一个整体进行综合研究。2.环境污染的发生与环境问题•环境污染产生的原因，大都是资源的浪费和不合理使用，使有用的资源变为废物进入环境而造成的。•环境问题主要是由于人类活动所引起的环境质量下降，对人类及其他生物的正常生长和发育产生危害的现象。①是因工、农业生产和人类生活向环境排放过量污染物质而造成环境污染；②是由于人们不合理地开发利用资源、而产生的环境破坏。•人类面临的环境问题主要有3类：①全球性的大气环境变化；②大面积的生态破坏；③突发性的严重污染事件。3.环境污染物及其来源•环境污染物是指人们在生产生活过程中，排入大气、水、土壤中并引起环境污染或导致环境破坏的物质。•（1）生产性污染物•工业生产所形成的“三废”。农业生产中长期使用的农药。•（2）生活性污染物•粪便、垃圾、污水等生活废弃物。•（3）放射性污染物•核能工业排放的放射性废弃物，医用及工农业用放射源，以及核武器生产及试验所排放出来的废弃物和飘尘。•4.环境污染的类型与特征•（1）环境污染的类型•按环境要素可分为大气污染、水体污染和土壤污染等；•按污染物的性质可分为生物污染、化学污染和物理污染等；•按污染物的形态可分为废气污染、废水污染和固体废物污染，以及噪声污染、辐射污染等；•按污染产生的原因可分为生产污染和生活污染；•按污染物的分布范围又可分为全球性污染、区域性污染和局部性污染等。•（2）环境污染的特征•1）影响范围广•2）作用时间长•3）污染情况复杂•4）污染清除难8.1.2污染物在生态系统中的迁移与转化•1.污染物在环境中的迁移•（1）机械迁移•包括：①水的机械迁移作用；②大气的机械迁移作用；③重力的机械迁移作用。•（2）物理-化学迁移•污染物在环境中迁移的最重要的形式，这类迁移的结果决定了污染物在环境中的存在形式、富集状况和潜在危害程度。•（3）生物迁移•污染物通过生物的吸收、代谢、生长、死亡等过程所实现的迁移。选择吸收和积累作用，降解作用，放大累积作用。2.污染物在大气中的转化•以光化学氧化、催化氧化反应为主。•大气中的碳氢化合物和氮氧化物等，在阳光（紫外线）作用下发生光化学氧化反应产生臭氧（O3）、过氧乙酰硝酸酯（PAN）等物质。一次污染物和二次污染物的混合物所形成的烟雾称为光化学烟雾。•二氧化硫，经光化学氧化作用和金属氧化物催化氧化后转化为三氧化硫，与溶于大气中的水形成硫酸或硫酸盐，在空气中形成硫酸雾，是形成酸雨的重要物质之一。3.污染物在水体中的转化•（1）氧化-还原作用•天然水体含有许多无机及有机氧化剂和还原剂，这些物质对污染物的转化起重要作用。•（2）络合作用•天然水体中存在许多无机配位体和有机配位体，水体中各种配位体可以与污染物，特别是重金属污染物进行络合反应，影响污染物在水体中的发生、迁移、反应和生物效应等。•（3）生物降解作用•水体中的微生物，特别是底泥中的厌氧微生物，可使一些污染物发生转化。4.污染物在土壤中的转化与残留•污染物在土壤中的转化及其行为，取决于污染物和土壤的理化性质。•土壤是自然环境中微生物最活跃的场所，生物降解在这里起重要的作用。•土壤的pH、温度、湿度、通气和微生物种群等，是污染物转化的重要条件。•金属的转化受土壤pH的影响：pH小于7时，金属溶于水呈离子状态；pH大于7时，金属易与碱性物质化合呈不溶性盐类。5.污染物在生物体内的富集与残留•不易分解、脂溶性较强、与蛋白质或酶有较高亲和力的物质，如DDT、有机氯化合物和一些重金属，在生物体内不易被降解。•生物个体或处于同一营养级的许多生物种群，从周围环境中吸收并积累某种元素或难分解的化合物，导致生物体内该物质的浓度超过环境中浓度的现象，叫做生物富集。生物积累是指同一生物个体在生长发育的不同阶段生物富集系数不断增加的现象；生物放大是指在同一食物链上，生物富集系数从低位营养级到高位营养级逐级增大的现象。•影响生物富集的因素：生物的特性、污染物的性质、浓度和作用时间以及环境特点。8.1.3生物在污染生态过程中的作用1.植物对污染物的吸收与迁移•（1）植物对污染物的吸收•1）对气态污染物的粘附和吸收主要决定于植物表面积的大小和粗糙程度。•2）对水溶态污染物的吸收水溶态的污染物到达根表面，主要通过扩散和质体流途径（即污染物随蒸腾拉力，在植物吸收水分时一起到达植物根部）。•（2）污染物在植物体内的迁移•从根吸收的污染物，能进入导管，随蒸腾拉力向地上部移动。通过叶片吸收的污染物，可从地上部向根部运输。•环境中重金属元素浓度低时，以有机络合物的形态迁移；浓度高时，以游离的离子态形式存在。2.动物对污染物的吸收与迁移•（1）动物对污染物的吸收•1）呼吸吸收部分污染物能穿过肺泡；部分污染物能在肺部长期停留，使肺部致敏纤维化或致癌；部分污染物运至支气管，刺激气管壁产生反应性咳嗽而排出。•2）消化道吸收消化道是动物吸收污染物的主要途径，肠道粘膜是吸收污染物的主要部位之一。•3）皮肤及其他途径吸收•（2）污染物在动物体内的迁移和排出•动物主要以粪便和尿的形式直接将污染物排出，或通过胆汁、乳汁、呼气、毛发等将污染物排出。•3.微生物对污染物的吸收与迁移•微生物对污染物有着很强的吸收和分解能力。大多数微生物的细胞壁都具有能结合和固定污染物的能力。•细胞的能量转移系统在物质转运过程中，不能区分电荷相同的物质是否为代谢所需物质，所以，一些污染物可能随代谢必需物进入微生物细胞。8.2污染生态效应及其评价•8.2.1污染的生态效应•当污染物进入生态系统，参与生态系统的物质循环，对生态系统的组分、结构和功能产生某些影响，在生态系统中由污染物引起的响应即为污染生态效应。•1）生物个体污染效应指环境污染对生物的影响表现在生物个体层次上的反应。•2）生物群落污染效应指环境污染在生物种群以上层次上的反应。•3）生态系统污染效应指环境污染对生态系统结构与功能的影响。1.环境污染的生态响应•种群内对污染适应程度不同的个体，在种群中的比率发生调整，伴随抗性个体比例的升高，种群的遗传结构发生变化，这种遗传变化在世代间的不断积累，将提高种群对污染的适应水平。•在进化过程中，长期处于单一环境的生物，很难适应这种环境的变迁，有的分布区退缩到偏僻的地带，有的则会消失。•污染的选择力大于“自然”环境的选择力，大多数生物因此改变了进化方向，以前主要是对“自然”环境的适应，现在转而对人类改变的污染环境的适应。2.环境污染的短期效应•（1）污染物对生物的毒害作用•生理、生化过程受阻，生长发育停滞，最终导致死亡。•1）污染物对植物的影响首先能影响植物根系对营养元素的吸收，其次能抑制植物根系的呼吸作用，再者对植物细胞的超微结构、种子生活力以及植物生长、发育、生理生化诸方面的影响。•2）对动物和人体的影响如重金属对鱼类的影响：首先重金属能粘附在鱼鳃的表面，造成鳃上皮和粘液细胞的营养失调，影响对氧的吸收，降低血液输送氧的能力；其次重金属还能降低血液中呼吸色素的浓度，使红细胞减少。•（2）生物对污染物的抗性•生物对各种不良环境具有一定的适应性和抵抗力，称为生物的耐性或抗性。•生物对污染物的抗性机制是外部排斥（通过形态学机制、生理生化机制、生态学机制等将污染物阻挡于体外）和内部忍耐（通过结合固定、代谢解毒等过程，将污染物在体内富集、解毒）的综合结果。解毒是抗性的基础，但不是抗性的全部。•生物抗性可概括为：拒绝吸收、结合钝化、代谢转化、排出体外、改变代谢途径等。•对于生物本身来说，抗性是它们在逆境中得以生存和延续的保证，是污染环境中生物多样性得以保持的基础。3.环境污染的长期效应•环境污染的长期效应，是生物多样性的丧失和遗传多样性的丧失。环境污染引起的物种丧失程度，并不亚于生态破坏。•（1）遗传多样性的丧失包括已有的遗传基因库的减少和新的遗传变异来源的降低。•（2）物种多样性的丧失在过去的400多年间，地球上约有2%的哺乳动物、1.2%的鸟类已经灭绝；在未来的30年中，全世界将有6万种植物可能灭绝。•（3）生态系统结构的简单化、食物网简化、食物链不完整、物质循环路径减少或不畅通、能量供给渠道减少、供给程度降低、信息传递受阻等。8.2.2污染生态效应评价的原则与指标体系1.污染生态效应评价的指导思想•生物体与地球环境化学组成的同一性、污染物质在生物组织中分布的选择性、以及生物体对化学物质的必需性，是污染生态效应评价的指导思想。•评价污染物在生态系统中的污染程度以及所引起的生态系统质量变异，应以生态环境条件及其组成成分变化为基础，以污染物质对人体、动物、植物以及微生物的个体、种群的健康效应及相关效应为依据。2.污染生态效应评价的基本原则•（1）污染生态效应的多样性•直接与间接；线性关系与非线性关系，时滞效应、反馈效应、复合污染生态效应等。•（2）污染生态效应分析的全面性•污染物质的产生和释放机理，污染物质在不同环境条件下的存在形态与转化规律，污染物质在不同环境介质中的迁移规律及污染物质作用于生物体的毒害机理等。•（3）污染生态效应的综合性•即复合污染生态效应，包括协同作用、拮抗作用、加和作用、独立作用等。•（4）生态系统抗冲击能力的有限性•当污染物浓度或者数量的变化，超出生态系统或者生命个体的适应能力的上、下限时，才可能产生污染生态效应。3.污染生态效应评价指标体系的建立•（1）生物个体指标①个体形态指标；②生理生化指标•（2）生物种群指标①种群密度和大小；②种群结构；③种群数量•（3）生物群落指标①群落的结构；②群落的生态；③群落的动态；④群落的分布•（4）生物群落结构指标①物种多样性指数；②个体数量变化指标•（5）生态系统生态效应指标①生态系统结构变化；②生态系统稳定性；③系统中的生产者、消费者和分解者与非生物环境的关系8.2.3污染生态效应评价的类型与方法1.污染生态效应评价的主要类型•（1）短期效应评价•指污染物对生物个体毒害作用的评价，包括生物生理、生化过程受阻，生长发育停滞，最后可能导致死亡。•（2）长期效应评价•指污染物对群落和生态系统影响的评价，包括遗传多样性的丧失、物种多样性的丧失、生态系统结构的简单化等。2.污染生态效应评价的基本方法•生物学评价法和综合评价法。•生物学评价法是指用生物学方法，按一定标准对一定范围内的环境质量进行评定和预测，具体有：指示生物法、生物指数法和种类多样性指数法等。•综合评价法则包括重叠法、列表清单法与相关矩阵法和网络法等。•（1）指示生物法•指示生物是指对某些物质（进入环境中的污染物）能够产生各种反应而被用来监测和评价环境质量的生物。•1）大气污染指示植物作物、花卉、野生植物等均可用作指示植物。•2）水污染指示生物浮游生物、水生微型动物、大型底栖无脊椎动物均可作为水污染的指示生物。•指示水体严重污染的生物，如颤蚓类、毛蠓、细长摇蚊幼虫、绿色裸藻、小颤藻等。•指示水体中等程度污染的生物，主要有居栉水虱、瓶螺、被甲栅藻、四角盘星藻、环绿藻、脆弱刚毛藻、蜂巢席藻等。•指示清水水体的生物，如纹石蚕、扁蜉、蜻蜓、田螺、簇生枝竹藻等。•静水中主要采用底栖生物或着生生物。•（2）生物指数法•1）污染量指数法污染量指数法（IPC）是以分析叶片中污染物含量为基础，监测大气污染的一种方法。•2）生物指数法评价水质用的生物指数，主要是依据不利环境因素（如各种污染物）对生物群落结构的影响，用数学形式来表现群落结构指示环境质量的状况。•污染量指数法：KIPC=Cm/CC式中：Cm为监测点