环境工程微生物学第一章.环境污染的生物效应.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第一章 环境污染物在生态系统中的行为,本章将讨论以下内容：,环境污染概述,污染物在环境中的迁移与转化,污染物在生物体内的生物转运和生物转化,污染物在生物体内的浓缩、积累和放大,生物对污染物在环境中行为的影响,环境污染物在生态系统中的行为,1.1 环境污染概述,什么是环境污染（Environmental Pollution）？,通常，环境污染主要指人类活动所引起的环境质量下降而有害于人类及其它生物的正常生存和发展的现象。而自然过程引起的同类现象称为自然突变或异常。,环境污染的分类,生物污染,化学污染,物理污染,按污染物性质,废气污染,废水污染,固体废弃物污染,噪声污染,辐射污染,按污染物形态,环境效应环境污染所导致的环境变化,环境生物效应：指各种环境因素变化而导致生态系统变异的结果。,环境化学效应：在多种环境条件的影响下，物质之间的化学反应所引起的环境效果。如：酸雨、光化学烟雾等。,环境物理效应：物理作用引起的环境效果。如热污染、噪声污染等。,污染物（Pollutant）,污染物定义,指,进入环境后使环境的正常组成结构、状态和性质发生变化，直接或间接有害于人类的生存和发展的物质。,污染物分类,生产性污染物和生活污染物,一次污染物和二次污染物：,二次污染物是指进人大气的一次污染物之间相互作用或一次污染物与正常大气组分发生化学反应，以及在太阳辐射线的参与下引起光化学反应而产生的新的污染物，它常比一次污染物对环境和人体的危害更为严重。,优先污染物,（,Priority Pollutant,）：,指在众多的污染物中筛选出的潜在危险大的作为优先研究和控制对象的污染物，亦称优先控制污染物。,主要针对下列污染物：有毒有机化学污染物、生物难降解性物质、具有生物积累性、三致性的污染物,小结,环境污染的特点：,影响范围大,作用时间长,污染物浓度低、情况复杂,污染容易、治理难,1.2 污染物在环境中的迁移与转化,1.2.1 污染物在环境中的迁移,迁移,指污染物在环境中发生的空间位置的移动及其引起的富集、分散和消失的过程。,污染物进入环境的途径,（,1,）人类活动过程中无意排放,（,2,）工业三废,（,3,）人类活动过程中故意应用,注：,进入环境的污染物可以在各个环境要素（水、气、土）中发生迁移并输送到很远的距离。,污染物在环境中的迁移方式,机械迁移,（1）水的作用,（2）气的作用,（3）重力的作用,物理化学迁移,污染物在环境中迁移的最重要的形式。,（1）溶解沉淀作用、络合螯合作用、吸附解吸作用、氧化还原作用、水解作用,（2）化学分解、光化学分解、生物化学分解,生物迁移,例：生物通过食物链对重金属的放大积累作用,影响迁移的因素,内部因素,污染物自身的物理化学性质：组成该物质的元素所具有的组成化合物的能力、形成不同的电价离子能力、水解能力、形成络合物的能力、被胶体吸附的能力,原子的电负性、离子半径、电价、离子电位和化合物的键性、溶解度等都是影响迁移的主要理化参数。,外部因素,酸碱条件,氧化还原条件,胶体的种类、数量,络合配位体的数量、性质,1.2.2 污染物的形态和分布（,Form and Distribution of Pollutant）,污染物的形态,指环境中污染物的外部形状、化学组成和内部结构的表现形式。,污染物的存在形态包括：,价态，如,Cr,（,VI,）、,Cr,（,III,）,化合态，如有机汞和无机汞,结构态，如同分异构体,络合态，金属离子与其它离子或分子结合,几种重要的形态分类,离子态,代换态,胶体,有机结合态,难溶态,污染物的分布,污染物的分布,定义：指污染物在环境多组分间分布，不仅指在环境空间的浓度分布，而且还指污染物不同形态、不同相态之间的分配。,例：汞形态的分布,1.2.3 污染物在环境中的转化（Transformation of Pollutant）,转化的定义,指污染物在环境中通过物理、化学或生物的作用改变形态或转变成另一种物质的过程。,转化的形式,物理转化,化学转化,生物转化,转化的结果：,两种可能：污染物转化为无毒物质或易降解结构,污染物的毒性增强或转化为难降解结构,大气中的转化：以光化学氧化、催化氧化反应为主,例一：光化学烟雾（Photochemical Smog）,光化学烟雾是大气中氮氧化物和碳氢化合物在紫外线照射下反应生成的多种污染物的混合物。,光化学烟雾最具危害的两种物质是臭氧(O,3,)和过氧乙酰硝酸酯(peroxyacetylnitrates,PAN)。,例二：酸雨（Acid Rain）,大气中的转化,图12光化学烟雾实例,*,*,图1-3光化学烟雾形成过程,自然源、电厂以及内燃机等排放出的污染物在大气中发生化学反应产生导致酸沉降的化学物质。,图14 酸沉降形成示意图,水体中的转化,水体中的转化主要通过下列途径：,氧化还原作用,天然水体本身是一个氧化还原体系，含有多种无机、有机氧化剂和还原剂，如,DO,、,Fe,3+,、,Mn,4+,、,S,2,、,有机化合物等，对污染物的转化起重要作用。,水体中的氧化还原类型、速率和平衡，在很大程度上决定了水中重要污染物的性质。如：厌氧性湖泊,水体中的许多氧化还原反应均为微生物催化反应。,配合作用,无机配位体：,OH,、,Cl,、,CO,3,2-,、,HCO,3,等,有机配位体：,生物降解作用,土壤中的转化,土壤是环境中微生物最活跃的场所，故生物降解起重要作用。,氧垂曲线（Oxygen Sag Curve）,氧垂曲线的定义,在河流受到有机物污染时，由于有机物的氧化分解作用，水体的,DO,发生变化。从污染源到河流下游一定距离内，可绘制一条,DO,逐渐变化的曲线，称之为氧垂曲线。,根据有机物在水体中分解变化和,DO,的变化，可把受污河流分成几段,:,清洁区：未受污染,分解区,腐败区,恢复区,1.2.4 污染物的生物地球化学循环,生物地球化学循环的概念,指生物的,合成作用,和,矿化作用,所引起的污染物周而复始的循环运动过程。,注：,合成作用,指生物（主要是绿色植物）将吸收的环境化学物质转变为生物体本身的有机物质的过程。,矿化作用,指生物通过代谢作用（包括微生物的分解作用）将生物体的有机物质转化为无机物质或简单的有机物。,循环过程,循环机理,1.3 污染物在生物体内的生物转运和生物转化,1.3.1生物转运,生物转运（Biotransport or Biotransport）的概念,生物转运：是指环境污染物经各种途径和方式同生物机体接触而被吸收、分布和排泄等过程的总称。这些过程都需要通过细胞的膜结构。,细胞膜（生物膜）有多种：细胞质膜、内质网膜、线粒体膜、核膜等；它们基本的化学组成、分子结构、功能有共同的特征。,一般细胞膜由蛋白质分子和脂质分子（主要是磷脂类）组成,细胞质膜结构图,污染物透过细胞膜的方式,特点 方式,浓度梯度,有无载体,是否耗能,其它特点,简单扩散,高浓度,低浓度（顺）,无,否,脂溶性有机化合物的主要转运方式,滤过过程,通过膜上的亲水性孔道,主动转运,低浓度,高浓度（逆）,有,耗能,水溶性大分子化合物的主要方式,易化扩散,高浓度,低浓度（顺）,有,否,胞饮作用,内吞物质为液体,吞噬作用,内吞物质为固体物质,表11 污染物透过细胞膜的方式,污染物的吸收（Absorption of Pollutant）：指污染物在多种因素影响下，自接触部位透过体内细胞膜进入血液循环的过程。,动物吸收的主要途径有：呼吸系统、消化管和皮肤,（1）呼吸系统吸收特点:,吸收对象主要针对气体、蒸汽、气溶胶等形式的污染物。,吸收方式多以被动扩散的方式，通过呼吸膜吸收入血。,主要部位例如：肺，肺泡数量多，表面积大，遍布毛细血管，便于污染物经肺迅速吸收进入血管。,（2）消化管吸收特点：,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。,（3）皮肤吸收：如有机磷农药可透过完整皮肤引起中毒。,植物吸收的主要途径：,（1）根部吸收以及随后随蒸腾流而输送到植物各部分；,（2）通过植物叶片上的气孔从周围空气中吸收污染物，是植物对大气污染物吸收的主要方式；,（3）有机化合物的蒸汽经过植物地上部分表皮渗透而摄入体内,污染物的体内分布,指环境污染物随血液或其它体液的流动，分散到全身各组织细胞的过程。,污染物的排泄,指进入机体的环境污染物及其代谢产物被机体清除的过程。,排泄的主要途径是通过肾脏进入尿液和通过肝脏的胆汁进入粪便，有的环境污染物还可随同呼出的气体、汁液等排出体外。,3.2 污染物在体内的生物转化,生物转化（Biotransformation）的概念,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。,注,1,：,外源化合物,（,Xenobiotic,compounds,）,指除了营养元素及维持正常生理功能和生命所必需的物质以外，存在于环境之中，可与机体接触并进入机体引起机体发生生物学变化的物质。又叫外来化合物或外源性生物活性物质。例如：药物、日用化学品、食品添加剂、环境污染物等。,生物外源性物质是指那些人工合成的，具有不被现有降解酶系所识别和作用的分子结构和化学键序列的化合物，简而言之，就是不能被生物降解的化合物。如,DDT,、,六六六、多氯联苯、染料、塑料、合成橡胶等。,注,2,：,内源性化合物,指生物机体正常的生理活动产生的物质。,注,3,：,酶（,Enzyme,）,是由活细胞产生的，能在体内和体外起同样催化作用的一类具有活性中心和特殊构象的生物大分子，包括蛋白质和核酸。,注,4,：生物转化的主要场所是肝脏，其它有肺、胃、肠、皮肤等。,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,、,NH,2,）,或进一步使这些活性基团暴露。,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）或带有某些基团的外源性化合物与细胞内物质结合反应。,排出体外,外源性化合物,一级代谢物,结合产物,（二级代谢物）,毒害作用,过程I（相I反应）,图15 生物转化过程示意图,过程II（相II反应）,相I反应的主要类型：,氧化反应：微粒体混合功能氧化酶参与的反应，例如脂肪族羟化,非微粒体反应,还原反应：微粒体还原,非微粒体还原,水解反应,相II反应的主要类型：,微生物对生物外源性物质的转化作用,微生物对生物外源性物质的转化主要有以下几种形式：,脱卤（主要是脱氯），如DDT的脱氯,还原，将生物外源性物质上的取代基，特别是硝基，进行还原；,水合反应，如对有机氰的水合反应，形成无毒的含氮有机化合物,图DDT的微生物转化,TNT的微生物转化,影响生物转化的因素,物种差异和个体差异,由各自的遗传因素决定，主要表现在体内酶的种类和活力不同上。,饮食营养状况,蛋白质、无机盐、维生素等营养缺乏时会不同方式地影响生物转化作用。,生理因素,年龄因素,性别因素,激素和昼夜规律：机体在每日不同时间的生物转化能力有高低差异，与内分泌功能的昼夜规律有关。,代谢酶的抑制和诱导,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,1.4 环境污染物在生物体内的浓缩、积累和放大,基本概念：,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。,生物浓缩系数,K,BCF,（,Bioconcentration,Factor,）,K,BCF,物质在生物体内的浓度,/,物质在环境介质中的浓度,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。,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。,思考：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？,这正是由于生物放大作用造成的，这样的生物外源性物质必须满足以下两个条件：一、难以生物降解；二、具有亲脂性。,思考：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）,，,K,BCF,生物放大：营养级,，,K,BCF,生物浓缩系数的测定,平衡浓缩系数：物质交换达到动态平衡时的浓缩系数。,测定方法：优缺点,实验室饲养法：条件易于控制，但数值不够准确,野外调查法：数值标准，但技术难度大，可能时间周期长,动力学方法：节省试验时间，更适合大个体生物,影响因素,生理因素：如生物的生长、发育、大小、年龄,环境因素：如污染物的浓度、化学形态、环境温度、pH值、光照条件及季节,表12汞在水生物中的富集,生物类型,汞浓度（ppm）,浓缩系数,食肉娃鱼,1-2,10000-20000,小鱼,0.1-0.3,1000-3000,低等动物,0.02-0.05,200-500,植物,0.01-0.02,100-200,海水,0.0001,生物浓缩机理和浓缩模型,q,v,C,Bi,V,B,C,B,V,T,C,T,K,2,C,T,q,v,C,Bo,血液,组织,图16 生物体某一组织生物浓缩的机理模型,由此可知：生物组织中化合物的浓度不仅与该化合物在该组织中的代谢速率有关，还与进出组织的血液中的化合物浓度差成正比。,影响生物浓缩的因素,生物种的生物学特征,不同组织器官的影响,不同生育期,与性别的关系,污染物的性质,污染物浓度和作用时间,环境条件,1.5 生物对污染物在环境中行为的影响,1.5.1生物污染（Biological Pollution）,环境中的病原微生物（Pathogenic Microorganism）,例如：沙门氏菌、霍乱弧菌、肠道病毒等,水体的富营养化,（Eutrophication）,概念：指大量的氮磷等营养元素物质进入水体，使水中藻类等浮游生物旺盛增殖，从而破坏水体的生态平衡的现象。,不良后果：,微生物代谢产物产生的污染,硫化氢,酸性矿水,硝酸和亚硝酸,微生物毒素,指微生物在其生长、代谢过程中所产生的毒素，可污染食品和环境，危害人类健康。如黄曲霉毒素、葡萄球菌肠毒素、藻类毒素等。,酸性矿水 反应式？,成因,由黄铁矿（,FeS,2,）,氧化所产生的硫酸引起，微生物与形成酸性矿水的整个过程密切相关。当,pH3.5,时，铁细菌即氧化亚铁硫杆菌可催化铁的氧化，其它如氧化硫硫杆菌和氧化亚铁铁杆菌都与酸性矿水的形成密切相关。,危害,酸性矿水中最有破坏性的组分是硫酸，有直接的毒性及其他不良影响。,防治,利用碳酸钙矿石中和过量酸性矿水，但,Fe(III),往往同时存在，反应后，,pH,上升，,Fe(OH),3,立即覆盖在碳酸钙矿石的表面成为不透水层，这种保护效应阻止了碳酸钙对酸的进一步中和。,1.5.2 金属的生物转化,金属的毒性,影响因素：金属的浓度、金属的存在状态,例如，六价铬比三价铬毒得多；甲基汞的毒性比其他的汞化合物毒性大得多；有机锡比无机锡毒，有机锡中的烷基锡比芳香基锡毒，烷基锡中三烷基又比其他烷基锡毒。,金属的微生物转化,微生物对金属的毒性转化，主要是,氧化还原,和,甲基化作用,。,汞的转化,汞的存在形式,无机汞：零价的金属汞与一价汞盐几乎不溶,;,二价汞盐除了硫化汞、碘化汞外几乎均可溶解,有机汞：汞易和有机基团形成化合物，通常是以共价键连接在碳原子上形成有机汞。,汞化合物的毒性,难溶的汞,生物吸收困难，毒性很小,易溶的汞,容易吸收，毒性很强（其中甲基汞的毒性最强）,毒性体现：生物的神经系统受到伤害，神经麻痹以致引起死亡。,实例：日本的水俣湾甲基汞中毒事件就是典型的汞污染事件。这类汞中毒一般都不是通过直接饮用水被汞污染造成，而是由于甲基汞在食物链积累并由水中的鱼类向上传递给人而引起的。,汞的甲基化,汞的甲基化是由微生物形成的。,鱼类体表粘液中有许多含有甲基化辅酶的微生物，他们将无机汞转化为甲基汞，动物和人体肠道肠道中的细菌大部分也具有这种功能，因此甲基汞中毒是由微生物造成的。,汞甲基化微生物：,细 菌,甲烷菌、匙形梭菌、荧光假单胞菌、大肠埃希氏菌、产气肠杆菌、巨大芽孢杆菌,真 菌,粗糙链孢霉、黑曲霉、酿酒酵母等。,过程如下：,Hg,2+,Hg,+,-CH,3,Hg(CH,3,),2,甲基化辅酶,甲基化辅酶,-CH,3,-CH,3,甲基汞的降解,事实上通常情况甲基汞在天然水体中的浓度十分低，这是由于不仅存在汞的甲基化，同时还存在甲基汞的降解，甲基汞可被生物还原为金属汞。,甲基汞降解微生物：柠檬酸杆菌、假单胞菌、节杆菌、,隐球菌等。,小结,生物意义：汞的甲基化与脱甲基化通常保持着一个动态的平衡，从而使环境中的甲基汞浓度维持在低水平。,但是，在有机污染严重、pH较低的环境中，容易形成和释放甲基汞，对生物的危害较大。,一方面甲基汞溶于水被鱼、贝吸收浓缩，,另一方面甲基汞还会逸出水体，进入大气，使污染扩大。,其它重金属的转化,与汞相似，,重金属普遍可被微生物甲基化,;,甲基化的重金属普遍毒性提高，这些金属包括砷、硒、铅、锡、镉、锑等。,重金属生物转化的环境效应:,微生物通过分泌作用或呼吸作用排出形成的有机金属化合物，是微生物具有的一种对有毒金属解毒方式；但被排出的金属化合物，可能比其原形态对高等生物具更大的危害性。,另一方面，微生物可将化合态的重金属转化还原为单质形式，这种转移方式可暂时或永久地将金属从生物接触的环境中清除出去。,思考题,污染物在环境中的迁移方式和转化途径有哪些？,什么是生物转运和生物转化？污染物透过细胞膜的方式有哪些？有何特点？,什么是生物浓缩、生物积累、生物放大和浓缩系数？,