第十章水环境毒理学

第十章水环境毒理学第一节污染物在水体与生物体内的迁移转化第二节污染物的毒性作用及机理第三节水体污染对人及水生生物的影响第四节水域生态毒理学2003年10月15日，神州五号载人航天飞船上天，杨利伟在太空中拍摄到地球是一个兰色的星球。水占地球表面的四分之三，水环境是人类生存空间的重要组成。水环境特点有：1、密度大，具有较大的浮力；2、具有折射性，能将太阳光的一部分反射到大气中，其长波辐射被吸收，水深处则以绿光为主；3、水域中物质循环的速度比陆地快；4、水域具有复杂的垂直分层和流动性；5、浮游生物代谢率高、繁殖快。水域生态环境的组成1.非生物组成：水及主要离子、溶解性气体、微量元素、胶体和悬浮物质等。2.生物组成生产者：各种藻类（浮游植物）。消费者：浮游动物、底栖动物和鱼类等。分解者：水底沉积物表面的数量为最多，因为这里积累了大量的死亡有机物质。随着全球经济和社会的发展，近50年来，生产和生活过程中产生大量的废水，不能循环利用，造成水体污染，严重影响水生生态系统的结构、功能和水资源的利用，还直接危害人类的身体健康。20世纪60年代美国把水中污染物大体分为8类：1、耗氧污染物；2、致病污染物；3、合成有机物；4、植物营养物；5、无机及矿物质；6、土壤、岩石等冲刷下来的沉积物；7、放射性物质；8、热污染。从环境科学的角度，根据污染物的物理、化学和生物性质及其污染特性，水体污染物分为：1无机无毒物质；2无机有毒物质，包括重金属毒性物质和非金属的无机毒性物质；3有机无毒物质；4有机有毒物质，包括农药、酚类化合物、多环芳烃（PAHs）、多氯联苯（PCBs）和表面活性剂。从环境毒理学的角度，水体污染物分为：物理性污染物：包括非溶解性污染物、热污染、及放射性污染。化学性污染物：有机污染物，如酚类、苯类、卤烃类、油类等；无机污染物，如砷、铜、铅、镉、汞、氰化物等。生物性污染：包括致病细菌、致病病毒及寄生虫等。水环境毒理学：就是研究水环境中的外源化学物质对水生生物的毒性作用及其规律的科学。第一节污染物在水体与生物体内的迁移转化一、污染物的来源及其进入水体的途径1.污染物的来源：工业生产排污、城市生活污水、农业灌溉、、大气污染物及固体废弃物的淋溶作用等都是水体污染物的来源，水生生态系统内部产生或贮存的一些污染物质的释放也是一个污染物质的来源，比如有些水生生物自身会产生一些生物毒物。2.污染物进入水体的途径（1）通过大气沉降或污水直接排放进入地表水环境；（2）通过下渗进入地下水环境；（3）通过地表径流进入地表水环境：l在化学品生产、排放、流通和使用过程中，有毒化学物质或直接释放于环境，或随废水排入水体。l由于突发事故造成大量有毒化学品外泄，进而污染水体（如油污染）。l有毒有害废弃物处理、处置不当，有毒化学品经淋溶、渗透等途径进入水体。二、污染物在水体中的分布和转移1.相对静水的水环境的特点（以湖泊为例）湖边缘的潜水湖滨区，在这个区域内生存着大量的水生植物、无脊椎动物和小鱼，在这个区域内形成了完整的食物链关系。由湖滨区向湖心的亚湖滨区，这个区域内的生物相对较少。深水区，在这个区域内由于很少有水的对流运动，水体中氧气的含量也较低，几乎没有生物的活动。另外在湖泊的底部有一些底栖生物存在，他们也可能构成一个独立的生物群落。二、污染物在水体中的分布和转移2.污染物在水体中的分布：一部分以悬浮物的形式分布在水体中还有一部分沉积在水体的底泥中。气象条件和季节等因素会影响到污染物在水体中的分布；污染物的类型；二、污染物在水体中的分布和转移3、污染物在水体中的迁移转化：取决于污染物的性质以及水体的环境特点。有机污染物：通过吸附、挥发、水解、光解、生物富集和生物降解等作用进行迁移转化。重金属：通过沉淀、络合、吸附、氧化还原等反应发生形态间的相互转化及分散和富集过程。三、污染物的吸收1.水生植物和微生物(受其生活型的影响）水生微生物和浮游植物主要是吸收水中的污染物，尤其是离子态的污染物；沉水植物既吸收水中的污染物，又利用底泥中的污染物；挺水植物和浮叶植物的污染物来源最多，水、陆（底泥）、空都有。2.水生动物对污染物的吸收水体中的污染物进入动物体主要有三条途径：动物的体表；鳃和肠道吸收污染物。水生动物对污染物的吸收有如下特点：（1）较小的动物体或处于食物链低营养级的生物，直接从水中吸收污染物是一条主要的途径；而个体较大或处于高营养级的生物，主要通过取食来吸收污染物。（2）同一种动物对不同污染物的吸收途径是不同的。（3）在急性污染的情况下，动物主要从水中吸收污染物；而在慢性污染的情况下，动物主要通过取食来吸收污染物。（4）与食物的供应情况有关，食物充足时，主要通过取食的途径来吸收污染物。四、污染物的代谢水生生物可以通过体内的生物转化作用改变它从环境中吸收的污染物质。污染物质发生生物转化作用以后会影响其在环境及生物体内的分布、积累及其毒性作用。五、污染物的蓄积化学物质的理化性质与其在生物体内的累积和生物富集有密切的关系，其中脂溶性是一个重要的因素。一般不易被生物转化和具有脂溶性的物质容易在生物体内发生蓄积。六、生物富集不同种类生物、处在不同发育期的生物和不同的器官生物富集规律不同。以链鱼为例，其不同器官富集重金属铅的量从大到小的顺序为：鳃＞鳞＞内脏＞骨骼头部＞肌肉。水稻各器官铅的富集量差别很大。各器官含铅量的大小顺序为：根＞叶＞茎＞谷壳＞米。水生维管束植物各器官富集污染物的一般规律与陆生植物相似，但器官之间的差异没有陆生植物明显。它的所有器官都能吸收水中的污染物，都可称为吸收器官。生物在不同生育期接触污染物，体内富集量有明显差异。水稻的根在不同时期对铅富集量大小顺序为：拨节期＞分蘖期＞苗期＞抽穗期＞结实期。七、影响污染物吸收和代谢的因素1.污染物的浓度：2.不同器官的差异：链鱼体内铅的含量：鳃＞鳞＞内脏＞骨骼头部＞肌肉。水稻各器官含铅量为：根＞叶＞茎＞谷壳＞米。3.毒物的性质：渗透力强的种类，能穿透表皮并转移到内部组织，渗透力弱的种类，则多停留在植物表面上。污染物的存在形态直接影响生物对污染物的吸收和积累。如污染物是以离子态、结合态、还是有机物的形式存在。七、影响污染物吸收和代谢的因素4.环境因子：温度、盐度和光照等环境物理因素，比如在较高的温度下，一些贝类的代谢率较高，以至对镉、汞的吸收量也较大。5.生物因素：年龄、体重、不同发育阶段和性别等生物因素对污染物的吸收和代谢有一定的影响。6.食物链和食物网：比较稳定的、能够被生物吸收的、以及不易被生物体代谢分解的污染物质容易通过食物链或食物网进行迁移和转化或者发生富集。水体中的DDT浓度约为0.00005ppm↓浮游生物0.04ppm↓刚毛藻0.08ppm↓网茅0.33ppm↓蛤0.42ppm鱼1.24ppm↓燕鸥3.42ppm↓河鸥幼体55.3ppm成体18.5ppm↓秋沙鸭22.8ppm↓鹭鸟26.4ppm↓银鸥75.5ppm（放大150万倍）第二节污染物的毒性作用及机理一、分子水平的毒性效应由于分子生物学技术的快速发展，使人们可以尽快确定环境污染物的毒性效应进行早期预测。检测的指标包括：DNA损伤、混合功能氧化酶和胆碱酯酶等。鱼脑中乙酰胆碱酯酶的活性下降可以反映出水中有机磷和氨基甲酸酯的污染程度。鱼血清中谷氨酸草酰乙酸转氨酶升高，指示水体中有机氯杀虫剂和汞污染严重、鱼体内肝脏受损。二、细胞与亚细胞水平的毒性效应出现可见症状之前，植物在组织和细胞中出现的生理生化和亚细胞结构等微观方面的变化：1.对植物根、叶细胞核的影响：如镉污染会引起根和叶细胞内核变形，外膜肿大，内腔扩大，严重的核膜内陷。2.对植物根、叶线粒体、叶绿体等细胞结构的影响：如镉污染会使线粒体表现为凝聚性线粒体，膜扩张；铅污染导致叶绿体膜系统溃解，叶绿体呈球形皱缩等。3.对植物根尖细胞分裂和染色体的影响：大麦根尖经重金属离子处理后，细胞有丝分裂指数不同程度下降。重金属对根生长的抑制主要是由于抑制了细胞的有丝分裂。同时，重金属处理后的细胞中，有丝分裂出现异常，染色体畸变率与对照相比显著增高。一般来说，汞和镉的细胞学毒性最大，其次是铅和镍，再其次是铜和锌。4.对植物核仁的影响：在重金属作用下，大麦细胞中核仁的结构和数量也发生很大变化。如出现多核仁现象等。三、个体水平的毒性效应1.对动、植物形态结构的影响：防腐漆添加剂TBT（三丁基锡）可引起软体动物的畸形等。2.对种子生活力的影响：由于种子中蛋白水解酶活性严重受抑制，贮藏蛋白质难以水解为简单氮化合物以满足幼胚发育的需要。（重金属对种子萌发和早期生长发育的影响？）三、个体水平的毒性效应3.对动物生长、繁殖的影响：水体中污染物对动物内脏的破坏作用极明显。（如氯丹使鳟鱼肝脏退化；DDT使鳟鱼鱼苗肝脏出现空泡；有机氯和汞使鱼的肝脏受损导致血清中转氨酶含量增加等）有机氯农药使鱼类、水鸟、哺乳动物的繁殖率下降或幼体死亡率增加（有些激素类物质引起动物只长肉不产卵）。水污染对动物的行为产生严重影响：在含有一定浓度的DDT的水中生长的鲑鱼对低温非常敏感，它被迫改变产卵区，把卵产在温度偏高的鱼苗不能成活的水中；引起鱼类对盐度敏感度改变而改变产卵区。四、种群、群落水平的毒性效应1.种群效应：较高浓度污染物使水生生物种群在短时间内发生种群数量的减少甚至趋于灭亡，而较低浓度下长期接触污染物的生物种群可能对毒物产生耐性和抗性。2.群落效应：关于群落变化的研究多以大型底栖生物为对象，因为其种类和数量多，生活相对固定且易于采集。在受到严重污染之后，一些种类已不复存在，某些种类的种群明显减小，其他的种类具有很大的波动变化。五、生态系统水平的毒性效应在水环境中，污染物影响水生生物种群和群落结构变化，使生态系统结构与功能受到损害。生态系统中的相互作用亦可使水生生物种类组成发生变化。当污染物在一定的时空范围内持续作用于水生生态系统时，生态系统物质循环和能量流动受阻，生态系统健康受到影响，逐步走向衰退。长期环境污染对生态系统的生态效应：1、生物多样性的丧失，包括遗传多样性的丧失、物种多样性的丧失和生态系统多样性的丧失；2、生态系统复杂性降低；3、自我调控能力下降。六、不同生态环境因子对污染物毒性的影响1.水体温度：温度主要影响变温动物的生理过程，改变生物的代谢活动和生物积累能力，同时也影响污染物质的酶的诱导、生物转化作用、停滞时间和毒性大小，如温度增加鱼的好氧量增加，对污染物的吸收量也增加。2.水体pH：鱼类生长的最适pH为5－9；pH在5.5以下时鱼类生长受阻，产量下降；pH在5以下时鱼类生殖功能失调，繁殖停止。鱼胚和鱼苗阶段是鱼类生活周期中对低pH最为敏感而且最易死亡的阶段。某些污染物在酸性条件下对水生生物产生协同作用，如重金属。3.光照：太阳光可以直接诱发有机污染物发生光解作用，不可逆地改变了反应分子，影响其在水环境中的归趋。一个有毒化合物的光化学分解的产物可能还是有毒的。例如，辐照DDT反应的产物DDE在环境中滞留时间比DDT还长。4.水流速和流量的影响：影响污染物在水中的稀释和沉淀量。第三节水体污染对人及水生生物的影响一、水污染对人体健康的影响1.生物地球化学性疾病微量元素虽然在人体内的含量很少，但它们有些是人体必须的组成部分，在一些地区由于某种元素的缺乏或过多，会引起一些地方性的疾病。比如长期饮用含砷量高的水会引起“乌脚病”的发生；长期摄入含氟量高的水可引起氟斑牙和氟骨症。2.急性、慢性中毒当水体中的有害物质超过容许浓度时，饮用后可能产生急性和慢性中毒。如氰化物含量过高时，饮用后会产生急性中毒；但环境中污染物质浓度很低，长期反复接触后也可能产生慢性疾病的发病率或死亡率升高。另外水中的污染物可以通过食物链进入到食物中，对人体健康产生严重的危害。如水俣病和骨通病的发生。我国桂林阳朔镉污染区