1、第五章 陸地生態系統污染生態學v陸地生態系統污染生態系統是污染生態學的一個重要研究領域,以人類賴以生存的陸地生態系統為研究對象,研究污染物在系統中的生態過程,發生規律以及污染物對系統在個體、種群、群落乃至系統水平上的生態效應,探討控制和治理陸地生態系統污染的合理途徑,以求得資源環境的持續發展。第一節 陸地生態系統中主要污染物質及其來源v1.陸地生態系統污染的特點vA.污染來源:工農業生產和居民生活中排出的廢棄物。v農業:人口壓力追求高產、穩產,農業越來越依賴化肥和農藥的使用,造成土壤中農藥和硝酸鹽的積累,并進一步污染地下水；高密度的農業生產活動導致土壤微生物群落結構失衡,一些不良微生物群落成為

2、群落中的優勢種群,形成地域性的生物污染。v工業:一方面人們通過采礦、冶煉、化工提純等技術使本來在環境中呈分散、低濃度存在低物質如重金屬、放射性元素及天然的有機化學品得以濃縮和富集于局部陸地生態環境;另一方面,人工工業合成生產出更多的對于自然界來說相對陌生的物質,如DDT,氟利昂等，這些污染物遠遠超出了陸地生態系統原有的自凈能力。 1987年美國登記的化學品達700萬種,并且以每年1000種的速度增長,同時化學品的產量也在飛速增長。v居民生活污染:生活污水,攜帶大量動植物油類、洗滌劑及N,P等營養物質;生活垃圾。vB.陸地生態系統污染特點:v1)廣泛性v2)復雜性v3)復合型v4)不均衡性v5)

3、不穩定性v2.主要污染物質及其含量與分布vA.主要污染物:包括有機污染物、無機污染物和生物性污染三類。v有機污染物:可根據化學結構和性質不同分為許多亞類:鹵代烴、酚類、鄰苯二酸酯、多環芳烴、多氯聯苯、有機氯農藥、有機磷農藥、氨基甲酸酯等。v無機污染物：N,P和S等營養性污染物;重金屬元素Hg、Cd、Pb、As、Cr、Cu和Zn等;放射性元素污染,銫和鍶的裂變產物;稀土元素。v生物性污染:各類病蟲害、菌類污染。陸地生態系統主要污染物及來源陸地生態系統主要污染物及來源污染物種類污染物種類主要來源主要來源無無機機污污染染物物重重金金屬屬HgHg礦業開采、制制燒堿、汞化物生產等行業廢水和污泥處置礦業開

4、采、制制燒堿、汞化物生產等行業廢水和污泥處置CdCd礦業開采、冶煉、電鍍、染料等行業三廢排放礦業開采、冶煉、電鍍、染料等行業三廢排放CuCu礦業開采、冶煉、銅制品生產等三廢排放礦業開采、冶煉、銅制品生產等三廢排放, ,污泥污泥, ,銅農藥銅農藥ZnZn礦業開采、冶煉、電鍍、紡織工業三廢排放礦業開采、冶煉、電鍍、紡織工業三廢排放, ,含鋅農藥含鋅農藥PbPb礦業開采、冶煉、染料工業三廢排放礦業開采、冶煉、染料工業三廢排放, ,汽車尾氣汽車尾氣, ,農藥農藥CrCr礦業開采、冶煉、電鍍、制革、印染等工業廢水和廢渣礦業開采、冶煉、電鍍、制革、印染等工業廢水和廢渣NiNi礦業開采、冶煉、電鍍、煉油和染

5、料等工業廢水和廢渣礦業開采、冶煉、電鍍、煉油和染料等工業廢水和廢渣AsAs硫酸、化肥、農藥、醫藥、玻璃等工業三廢排放硫酸、化肥、農藥、醫藥、玻璃等工業三廢排放SeSe電子、電器、油漆等工業生產中的三廢排放電子、電器、油漆等工業生產中的三廢排放放放射射元元素素137137CsCs原子能、核動力、同位素生產等行業三廢排放原子能、核動力、同位素生產等行業三廢排放, ,核爆炸核爆炸9090SrSr原子能、核動力、同位素生產等行業三廢排放原子能、核動力、同位素生產等行業三廢排放, ,核爆炸核爆炸其其它它F F冶煉、氟化物生產、肥料生產中的三廢排放冶煉、氟化物生產、肥料生產中的三廢排放鹽、堿鹽、堿紙漿、纖

6、維和化學工業三廢排放紙漿、纖維和化學工業三廢排放酸酸硫酸、石油化工、酸洗和電鍍等工業三廢排放硫酸、石油化工、酸洗和電鍍等工業三廢排放, ,酸雨酸雨有有機機污污染染物物農藥農藥農藥生產和不合理使用農藥生產和不合理使用酚酚煉焦、煉油、合成苯酚、橡膠、化肥和農藥等工業三廢排放煉焦、煉油、合成苯酚、橡膠、化肥和農藥等工業三廢排放氰化物氰化物電鍍、冶金、印染等工業廢水和廢料電鍍、冶金、印染等工業廢水和廢料多環芳烴類多環芳烴類石油、煉焦等工業三廢排放石油、煉焦等工業三廢排放石油石油石油開采、煉油以及石油生產和運輸過程中的泄漏石油開采、煉油以及石油生產和運輸過程中的泄漏有機洗滌劑有機洗滌劑城市廢水和機械工業

7、廢水城市廢水和機械工業廢水有害微生物有害微生物廄肥、醫療衛生廢水、城市污水、污泥和垃圾廄肥、醫療衛生廢水、城市污水、污泥和垃圾vB.優先污染物:是各國政府根據污染物的毒性、出現頻率和環境濃度等因素確立的重點控制污染物。v1977年美國在清潔水法中規定類65類129種優先控制的有毒污染物；隨后聯邦德國、日本、荷蘭和歐共體等國家和組織相繼規定了各自的優先控制污染物黑名單或灰名單；我國1988年頒布了14類68種水中優先控制污染物。v68種作為水中優先控制污染物名單，注有者為推薦近期實施的名單計48種，它們是：1、揮發性鹵代烴類：二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳、1,2一二氯乙烷、1，1，1一三氯乙烷、

8、1，1，2一三氯乙烷、1 , 1 , 2 , 2一四氯乙烷、三氯乙烯、四氯乙烯、三溴甲烷，共計10個。2、苯系物：苯、甲苯、乙苯、鄰二甲苯、間二甲苯，對二甲苯，共計6個。3、氯代苯類：氯苯、鄰二氯苯、對二氧苯、六氯苯，共計4個。4、多氯聯苯，1個。5、酚類：苯酚、間甲酚、2,4一二氯酚、2,4,6一三氯酚、五氯酚、對硝基酚，共計6個。6、硝基苯類：硝基苯、對硝基甲苯、2,4一二硝基甲苯、三硝基甲苯、對硝基氯苯、2,4苯一硝基氯苯，共計6個。7、苯胺類：苯胺、二硝基苯胺、對硝基苯胺、2,6一二氯硝基苯胺，共計4個。8、多環芳烴類：萘、熒蒽、苯并(b)熒蒽、苯并（k）熒蒽、苯并（a）芘、茚并(1,

9、2,3一cd)芘、苯并(g，h，l)芘，共計7個。9、酞酸酯類：酞酸二甲酯、酞酸二丁酯、酞酸二辛酯，共計3個。10、農藥類：六六六、DDT、敵敵畏、樂果、對硫磷、甲基對硫磷、除草醚、敵百蟲,共計8個。11、丙烯腈，1個。12、亞硝胺類:N一亞硝基二乙胺、N一亞硝基二正丙胺,共計2個。13、氰化物，1個。14、重金屬及其化合物:砷及其化合物、鈹及其化合物、隔及其化合物、鉻及其化合物、銅及其化合物、鉛及其化合物、汞及其化合物、鎳及其化合物、鉈及其化合物，共計9個。v3.主要污染來源1)工業污染源：工業廢水、廢渣和廢氣2)農業污染源：化肥、農藥、地膜和生物性污染3)居民生活污染4)特殊行業污水和廢棄

10、物：核技術生產和醫藥衛生行業5)二次污染：酸雨的重金屬活化作用；污染物的全球化遷移，對污染物以外的地區來說是一種二次污染。第二節 污染物在陸地生態系統中的遷移與積累v1.植物吸收與積累v1)植物吸收和積累的普遍性v水溶性污染物通過植物根系吸收；v揮發性污染物通過植物呼吸作用吸收；v極難溶于水,極難揮發的物質,由于植物吸收營養物質過程并不是絕對嚴格的選擇作用,植物對這些污染物也有一定吸收。v2)影響植物吸收與累積的因素A.植物種類、不同生長模式和不同部位對污染物的吸收不同；B.污染物的物理化學特性；C.土壤組成與理化性質：土壤pH值、土壤礦物質和有機質含量、土壤顆粒；D.環境因素：溫度、濕度條件

11、；E.共存污染物的影響。汞在胡蘿卜和白蘿卜可食部位的富集規律研究 楊勇等農業環境科學學報2007,26(1):156- 159幾種重金屬( Cd、Pb、Cu、Zn) 在玉米植株不同器官中的分布特征李靜等中國農學通報 2006，第22 卷，第4 期:444-447v3)葉片吸收與生物監測指示植物v用作監測大氣重金屬污染的苔蘚植物主要有白齒泥炭蘚( Sphagnum rigensohnii ) 、 塔蘚( Hyloconium splendens ) 、赤莖蘚( Pleuroz ium shreberi ) 、澤蘚( Philonotis fontana) 、檜葉金發蘚( Polyt richum

12、juniperinum ) 、匍匐貓尾蘚( Isothecium stoloniferum ) 、密葉絹蘚( Entodon compressus )、長葉鱗葉蘚( Taxi phyllumtaxi- rameum) 等。v歐 洲 國 家 進 行 大 規 模 采 樣 調 查 分 析 , 推 薦 出Hyloconium spllendens 和Pleuroz iumshreberi 兩種苔蘚作為最佳材料。v利用柳杉、紅松、冷杉等植物的敏感性來綜合評價城市環境污染的程度；v用紫花苜蓿、胡蘿卜、菠菜等監測大氣中二氧化硫污染；v用唐菖蒲、郁金香、杏、向日葵監測氟污染；v用矮天牛、煙草、美洲五針松監測光

13、學煙霧；v用棉花監測乙烯；v用柳樹、子貞監測汞；v用復葉槭、落葉松、油松監測氯和氯化氫等等。v地衣是藻菌共生體，最能忍耐惡劣的環境條件，但對大氣污染很敏感，甚至空氣中極少量的有毒物質就可影響它的生長以至死亡。如果發現它的種類、數量、覆蓋度明顯減少，就說明污染嚴重。目前應用地衣監測的方法主要有兩種：(1) 調查污染區的地衣種類、數量和分布；(2) 選擇一種生長在樹干上比較敏感的地衣一般以葉狀地衣為好，把它和樹皮一起切下來，移植到需監測地區同種植物上，定期觀察它們受害程度和死亡率，則可估測該地區大氣污染的影響。v2.動物吸收與積累1)動物吸收途徑：皮膚吸收、呼吸吸收和攝食吸收2)污染物在動物體內的

14、分布：污染物可以通過生物膜，則分布全身；反之，污染物分布將受限制，只在特定部位積累。3)影響污染物在體內遷移的主要因素A.污染物與有機體組成成分特異性結合B.脂肪和骨骼與污染物的親和性4)污染物在動物體內遷移的機理：被動轉運，特殊轉運3.污染物在土壤中的遷移及地下水污染第三節 污染物在陸地生態系統中轉化與降解v1.動物體內的轉化與降解v1)轉化反應類型：氧化、還原、水解和結合反應；v2)影響污染物在動物體內轉化的因素：A.動物種類B.動物的年齡與性別C.動物的營養狀況D.共存污染物的影響v2.土壤中的轉化與降解1)影響污染物微生物降解過程的物理和化學因素A.污染物的化學組成與結構直鏈和支鏈烷烴

15、小分子量芳香烴環烷烴B.污染物的物理狀態C.溫度D.氧氣E.營養元素F.鹽分和pH值2)影響有機物生物降解的生物因素vA.降解有機物的微生物類型vB.適應性：預先暴露于有機污染環境的微生物決定降解速率,可以大大增加對有機物對氧化能力,這種現象稱為適應性。可能的機制：專性酶的誘導和抑制；基因突變產生新的群體;有機體選擇性富集有利于有機物的轉化。3)目前對有機物降解的未知點：A.目前尚未完全了解有機物化學結構與微生物降解能力之間以及化學結構與降解途徑之間的關系；B.有機物降解途徑及中間產物不清楚,無法了解這些中間產物可能的作用；C.微生物降解的數學模擬并不完全；D.由于微生物在有機物存在的條件下基

16、因突變有多種可能性,使得微生物的適應性機理相當復雜。v3.植物對污染物的降解和轉化v）重金屬的生物轉化v植物修復具體的方法歸納起來主要有3 種: (1)植物提取( phytoextraction) 利用植物將金屬從土壤中去除,并集中于植物的可收割部分; (2)植物固定( phytostabilisation) 植物通過降低環境中金屬的可移動性或阻止其移動來達到減少污染物的生物有效性; (3)植物揮發(phytovolatilisation) 通過植物將金屬或類金屬揮發到空氣。v修復的機理可分為7類: (1)植物抽提用植物從土壤中去除污染物,包括持續植物提取( continuous phytoe

17、xtraction) 、誘導植物提取( induced phytoextraction) ; (2)植物蒸發(phytovolization) 使土壤元素中的化學成分揮發; (3)根際過濾( rhizofiltration) 植物的根從流水中去除污染物; (4)植物固定使土壤中的金屬轉變成毒性較小的形式,而不是從土壤中去除金屬; (5)植物鈍化; (6)植物降解轉化; (7)植物催化作用。近年的研究所涉及的部分植物種類近年的研究所涉及的部分植物種類v分子生物學研究發現金屬硫蛋白(met allothionein, MT) 、植物絡合素/植物螯合蛋白(phytochelatin, PC)-其結構

18、式為(r-Glu-Cys) n-Gly, (n= 2 11)。兩類多肽物質在其中起重要作用。各種MT基因和PC合成酶基因已被克隆出來,并應用轉基因技術提高植物MT或PC的表達量,轉基因植物對重金屬的抗受性或富集能力也相應增強,如馬鈴薯和煙草經轉基因后明顯提高了組織內Cu或Cd的濃度,初步顯示了用于植物修復的前景。v目前只證明其中的一小部分, 如Ag+ 、As3+ 、Cd2+ 、Cu2+ 、Hg2+ 、Pb2+ 和Zn2+ 等, 能夠被PCs 絡合從而去除其毒害。v進入植物或動物的As3+和As5+可以被甲基化成毒性較小的單甲基砷酸和二甲基次砷酸(Nissen&BEenson,1982;

19、Peoples,1983)。砷也可以被轉 化 為 砷 糖 、 三 甲 基 胺 基 砷 或 磷 脂(Cooney&Benson,1980;Edmonds&Francesconi,1981).v以亞硒酸鹽(SeO32-)形式進入植物體的硒能被還原成硒代半胱氨酸，如果硒化的氨基酸被合成為蛋白，就會造成蛋白質功能紊亂，這是硒的毒性機制之一。而耐硒植物可以制造大量非蛋白質氨基酸(硒甲基硒代半胱氨酸和硒化胱硫醚),暗示高速合成這些氨基酸是植物解硒毒的一種方法(Brown&Shrift,1982)幾類主要有機污染物幾類主要有機污染物, 清除這些污染物的植物種類和清除機制清除這些污染物

20、的植物種類和清除機制vDDT 及其主要降解產物污染土及其主要降解產物污染土壤的植物修復壤的植物修復v安鳳春莫漢宏鄭明輝張兵v(中國科學院生態環境研究中心, 北京, 100085)v環境化學， 2003 .Vol. 22 , No. 1:19-25v小結v(1) 草在不同污染濃度的土壤中修復能力的差異, 可能是土壤中土著微生物的活性受污染物抑制或激發差異的結果。v(2) 草在不同土壤中修復能力的差異與土壤中pH 值及有機質含量的差異無相關性, 而可能與不同土壤中所存微生物的差異有關。v(3) 選擇能使根際區產生強烈生物降解作用的草品種, 是利用草作為污染土壤修復的關鍵。第四節 污染物對陸地生態系

21、統的生態效應v1.基本概念基本概念v2.污染物對植物的影響污染物對植物的影響v3.植物對環境污染的響應與反饋機制植物對環境污染的響應與反饋機制v4.污染物對動物的影響污染物對動物的影響v5.污染物對微生物的影響污染物對微生物的影響v1.基本概念1)劑量-反應關系2)急性毒性、慢性毒性和蓄積性毒性3)半致死劑量(LD50)和半致死濃度(LC50)4)三致作用:致癌、致畸和致突變第四節 污染物對陸地生態系統的生態效應v1.基本概念基本概念v2.污染物對植物的影響污染物對植物的影響v3. 植物對環境污染的響應與反饋機制植物對環境污染的響應與反饋機制v4.污染物對動物的影響污染物對動物的影響v5.污染

22、物對微生物的影響污染物對微生物的影響v2.污染物對植物的影響1)對植物酶系統的影響2)對植物細胞和細胞器的影響3)對植物器官和組織的影響4)對個體的影響5)對植物群落的影響v酸沉降對森林植物的影響v1) 傷害葉片v葉片是植物與大氣環境進行氣體交換的主要場所，是大氣污染物最先進入植物體的門戶。因此，植物的傷害癥狀最早出現在葉片上。v干、濕沉降都會改變植物葉片表面蠟被層和角質層的物理、化學特性。這些結構對葉片除了起到保護作用外，還可以調節植物的許多生物化學反應。對樹葉表皮的破壞，加速了葉片的老化，使葉片失去活力，變得枯焉甚至掉落、死亡。vGary K. Hogan等用不同pH值的模擬酸雨對suga

23、r maple(Acer saccharum L.)處理12周后發現，pH值3.0是葉片表面出現壞死斑點的閾值。同樣的結果出現在yellow birch (Betula alleghaniensis)，和許多落葉樹種上。v我國貴州、四川的調查資料也表明，降水pH 4.5以下的林區,樹木葉子普遍受害,主要表現在葉子變短，黃葉占總葉的百分比率明顯增加。與降水pH4.5以上的末受害林區相比，馬尾松針葉的長、寬分別下降了17%20% 和14%39% ； 杉木降低了15%20%和7%23% 。黃葉百分率前者增加了10%25%；后者增加了8%23%。v酸沉降時加入森林的低水平的N和S通過施肥效應( f e

24、 r t i l i z a t i o n e ff e c t ) 促 進 生 長(Bridgman,1994)。但是，它也可以加快營養物質從土壤中濾出，加快礦物的風化，Ca、M g 、 K 和 N a 在 酸 化 土 壤 中 濾 出 增 加(Smith,1981)，它們的濾出導致植物營養缺乏；另一方面，Al從土壤中的活化導致對植物的毒性傷害。被酸雨腐蝕的森林被酸雨腐蝕的森林v2) 傷害根系v根系作為植物水分代謝和礦質營養的重要器官，是土壤資源的直接利用者和產量貢獻者，它的生長發育直接影響到地上部莖葉的生長和生物量的高低，并與植物的抗逆性以及森林生態系統的持續發展有關。根系也是一個重要的碳

25、素庫，其呼吸作用是生態系統中重要的反饋途徑之一。v周國逸等,研究酸雨對馬尾松和華山松幼苗的影響，發現在pH值低和Al3+濃度高的土壤淋洗培養液處理下，植物的根呈褐色，根的外表變鈍，根尖部位的生長點出現膠狀物質，根尖膨脹，逐漸向球狀過渡，在根的基部還出現帶斑點的紅色，黃色環帶。v3) 光合速率變化v在一定的范圍內，酸沉降可以促進植物光合速率的增加。而超過一定限度時，光合速率開始下降。當然這種變化也因品種以及實驗條件的不同會有較大的差別。如美國五葉針(Pinus strobes L.)隨著模擬酸雨的pH值從5.6下降到3.0時，一直表現出光合速率的顯著增加。而青岡的凈光合速率隨著模擬酸雨的pH值下

26、降一直呈下降的趨勢。v4) 呼吸作用增加v在酸雨脅迫狀態下，植物的呼吸作用提高的現象比較普遍。單運蜂(1992)發現在pH值為2.0的模擬酸雨下，馬尾松、杉木和火力楠幼樹葉子的暗呼吸速率顯著增大，分別增大55.2%，34.8%和110.9%。呼吸作用增加使植物消耗增多，植物的物質和能量的積累相對減少。這可能是酸雨抑制植物生長的一個重要的方面。v5) 對細胞膜功能的損傷v細胞質膜結構和功能的完整性是植物正常生理生化活動的基細胞質膜結構和功能的完整性是植物正常生理生化活動的基礎。礎。在酸雨脅迫下，加劇了細胞質膜內元素向外流失，影響在酸雨脅迫下，加劇了細胞質膜內元素向外流失，影響了膜的結構和功能。了

27、膜的結構和功能。其中其中Ca2+和和K+對于維持細胞膜正常的滲對于維持細胞膜正常的滲透壓和膜結構和功能的完整性尤為重要。植物汁葉的透壓和膜結構和功能的完整性尤為重要。植物汁葉的pH值值下降是植物細胞膜被破壞最直接的反映。如鄧仕堅等，研究下降是植物細胞膜被破壞最直接的反映。如鄧仕堅等，研究模擬酸雨對抗性樹種火力楠模擬酸雨對抗性樹種火力楠(Michelia macclurei)、中等敏、中等敏感樹種馬尾松感樹種馬尾松(Pinus massoniana) 和杉木和杉木(Cunningha mia- lanceolata)及敏感樹種檫木及敏感樹種檫木(Sassa frastsumu)、水杉、水杉(Me

28、tasequoia glyptost roboides)葉片汁液葉片汁液pH值的影響結值的影響結果發現，以果發現，以pH值值2.0、3.0和和4.5的模擬酸雨連噴的模擬酸雨連噴6 d，火力楠，火力楠pH值分別下降值分別下降0.05、0.05和和0.03，馬尾松、杉木，馬尾松、杉木pH值分別值分別下降下降0.15、0.12、0.09和和0.1、0.09、0.02。檫木、水杉。檫木、水杉pH值分別下降值分別下降0.17、0.11、0.07和和0.2、0.15、0.1。v對細胞膜傷害機理：對細胞膜傷害機理：SO2經氣孔進入葉組織，經氣孔進入葉組織，與水結合形成與水結合形成SO32-或或H SO32-

29、 ，在進一步氧化，在進一步氧化過程中會產生自由基，引起膜質過氧化，從過程中會產生自由基，引起膜質過氧化，從而傷害膜系統。其次，污染物影響細胞膜的而傷害膜系統。其次，污染物影響細胞膜的離子通透性。離子通透性。v6) 對酶活性的影響對酶活性的影響v酸沉降對不同類型酶的影響各不相同。酸沉降對不同類型酶的影響各不相同。就植物防御就植物防御過氧化損害的系統過氧化損害的系統(Antioxidant defense)如超氧化如超氧化物歧化酶（物歧化酶（SOD），過氧化氫酶（），過氧化氫酶（CAT）、精氨酸）、精氨酸脫羧酶和抗壞血酸過氧化酶等來說，酸雨的脅迫作脫羧酶和抗壞血酸過氧化酶等來說，酸雨的脅迫作用引起這些酶活性升高。植物通過這些酶清除體內用引起這些酶活性升高。植物通過這些酶清除體內過多的活性氧，保持植物的正常生長。過多的活性氧，保持植物的正常生長。Velikova等等在模擬酸雨對在