關于生物對污染物的吸收和遷移1第1頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2一、基本概念■污染物、毒物與毒性■劑量第2頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五3污染物（pollutant）■

《辭海》：進入環境后能直接或間接危害人類的物質，如火山灰、二氧化硫、汞等；■

《中國大百科全書·環境科學卷》：進入環境后使環境的正常組成發生直接或間接有害于人類的變化的物質。■進入環境后使環境的正常組成發生直接或間接有害于生物生長、發育和繁殖的變化的物質（王煥校等，2000）。這類物質有自然排放的，也有人類活動產生的。環境科學研究的主要是人類生產和生活排放的污染物。第3頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五4污染物的性質

■一種物質成為污染物，必須在特定的環境中達到一定的數量或濃度，并且持續一定的時間。■污染物會在環境中發生轉化，即具有易變性。第4頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五5優先污染物（Prioritypollutant）

■由于有毒物質品種繁多，不可能對每一種污染物都制定控制標準，因而提出在眾多污染物中篩選出潛在危險大的作為優先研究和控制對象，稱之為優先污染物。■

1988年我國初步提出水中優先控制污染物黑名單，共14類68種。14類分別是：揮發性鹵代烴、苯系物、氯代苯類、多氯聯苯、酚類、硝基苯類、苯胺類、多環芳烴類、酞酸脂類、農藥、丙烯醛、亞硝胺類、氰化物、重金屬及其化合物。第5頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五6第6頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五7持久性有機污染物

持久性有機污染物（PersistentOrganicPollutants,POPs），指一類具有半揮發性、難降解、高脂溶性等理化性質，可進行遠距離甚至全球尺度的遷移擴散，并通過食物鏈在生物體內濃縮積累，對人體和生態環境產生毒性影響的有機污染物。如DDT，PCB等。第7頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五8POPs的主要環境特點■持久性；■生物累積性；■長距離運輸；■生物毒性。第8頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五9首批列入《關于持久性有機污染物的斯德哥爾摩公約》受控名單的12種POPs■有意生產——有機氯殺蟲劑：滴滴涕、氯丹、滅蟻靈、艾氏劑、狄氏劑、異狄氏劑、七氯、毒殺酚；■有意生產——工業化學品：六氯苯和多氯聯苯；■無意排放——工業生產過程或燃燒生產的副產品：二惡英（多氯二苯并-p-二惡英）、呋喃（多氯二苯并呋喃）第9頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五10環境激素（EnvironmentalEndocrineDisruptors,EEDs）■環境激素，是指那些由于人類活動而釋放到環境中，且能干擾生物體正常激素功能，引起內分泌紊亂，使生殖機能失常的化學物質，也稱為“環境荷爾蒙”、“外因性內分泌干擾物質”。■環境激素包括二惡英（TCDD）、二氯二苯氯乙烷（DDT）、多氯聯苯（PCBs）、石棉、汞、鎘及其化合物、苯乙烯、聚碳酸脂塑料等有害物質。第10頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五11揮發性有機物（VolatileOrganicCompounds,VOCs）第11頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五12一些能污染環境和危害健康的VOCs第12頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五13持久性有毒物（PersistantToxicitySubstances,PTS）第13頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五14毒物（toxicant）■毒物（toxicant）是指對有機體產生有害作用（毒作用）的化學物質（P198）。■毒物是指在一定條件下，較小劑量就能對機體產生損害作用或使機體出現異常反應的外源化學物（李建政等，2006）。■能對人畜魚禽或其他生物體顯示體內毒性的那些環境污染物又可稱為環境毒物（何燧源，2002）。環境毒物可分為化學性的、生物性的和物理性的三類。第14頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五15毒性（toxicity）■毒性是指一種物質對生物體易感部位產生有害作用的性質和能力。■毒性分級：在我國，常見的是將毒物分為劇毒、高毒、中等毒、低毒和微毒這五級。第15頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五16二、劑量

■一般指給予機體的或機體接觸的外源化學物數量。毒理學常用的劑量概念如下：▲安全濃度(safeconcentration)▲最大無作用濃度（maximalnoeffectlevel）▲最小有作用濃度（minimaleffectlevel）▲效應濃度（effectiveconcentration）▲致死濃度(lethalconcentration)第16頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五17概念解釋■安全濃度（safeconcentration）：生物與某種污染物長期接觸，仍未發現受害癥狀，這種不會產生受害癥狀的濃度稱之為安全濃度。■最大無作用濃度（maximalnoeffectlevel）：未能觀察到任何損害作用的最高劑量。■最小有作用濃度（minimaleffectlevel）：能使生物體開始出現毒性反應的最低劑量。■效應濃度（effectiveconcentration）：在某一期限內導致某一特殊反應的毒物濃度。

第17頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五18概念解釋致死濃度（lethalconcentration）：一次染毒后引起受試動物死亡的濃度。致死濃度分絕對致死濃度、半數致死濃度和最小致死濃度等（指一次染毒后引起受試動物個別死亡的濃度）。第18頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五19二、植物對污染物的吸收與遷移（一）植物對污染物的吸收（二）植物對污染物的遷移第19頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五20（一）植物對污染物的吸收■植物對化學物的吸收是一個復雜的生理過程，它一方面與吸水有關系，另一方面又有它的獨立性，同時對不同離子的吸收還有選擇性。■植物吸收污染物的主要器官是根，但葉片也能吸收污染物。第20頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五21（一）植物對污染物的吸收1.根部的吸收■根尖是植物根部吸收環境化學物的主要部位，其中根毛部是根部吸收最活躍的區域。根部對土壤溶液中離子的吸收過程可以分為幾個步驟：▲將離子吸附到根細胞表面；▲離子通過自由空間（外部空間）進入皮層內部；▲離子通過內部空間進入木質部；▲離子進入導管。第21頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五22

根毛及其放大圖根毛土壤水分土壤顆粒根毛第22頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五23步驟之一：將離子吸附到根細胞表面■水溶態的污染物到達根表面，主要有兩個途徑：一條是質體流途徑（massflow），即污染物隨蒸騰拉力，在植物吸收水分時與水一起到達植物根部；另一條是擴散途徑，即通過擴散而到達根表面。■在土壤中，重金屬的擴散一般遵循Fick的第二法則，它的平均擴散距離為：√x2=√2DT，式中D是擴散系數(cm2/s)，t是時間(s)。第23頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五24步驟之一：將離子吸附到根細胞表面■土壤中重金屬離子的擴散系數為：Zn2+

：3×10-10cm2/s；Mn2+

：3×10-8cm2/s。如用上述公式求算100天內Zn2+

和Mn2+

移動的平均距離，則Zn2+：x=7.2×10-2cm=0.72mm；Mn2+：x=7.2×10-1cm=7.2mm。■結果證明兩種重金屬移動速度(擴散)是很慢的，只是靠近根部的重金屬才能通過擴散作用到達根表面。可見，污染物主要通過質體流途徑到達根表面。第24頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五25步驟之一：將離子吸附到根細胞表面■根部細胞在吸收離子的過程中，同時進行著離子的吸附與解吸附。這時，總有一部分離子被其他離子所置換。由于細胞的吸附具有交換性質，因此也稱交換吸附。■質膜表層有陰陽離子，其中，主要是H+、HCO3-，這些離子主要是由于呼吸放出的CO2和H2O生成的H2CO3所離解出來的。第25頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五26根土粒K+H+土粒K+根H+接觸交換第26頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五27根H++HCO3-

土粒K++HCO3-CO2H2OK+K植物根部通過土壤溶液和土粒進行離子交換第27頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五28第28頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五29步驟之二：離子通過自由空間（外部空間）進入皮層內部

■根部有一個與外界溶液保持擴散平衡、自由出入的外部區域，稱為自由空間或外部空間。包括根部的細胞壁、胞間層和細胞間隙等部分。■離子和水分就是通過自由空間迅速地由根表面到達皮層內部。■植物的細胞壁是污染物進入植物細胞的第一道屏障，在細胞壁中的果膠質成分為結合污染物提供了大量的交換位點。第29頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五30質外體運輸共質體運輸木質部內皮層皮層表皮根毛質外體運輸H2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2O第30頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五31第31頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五32步驟之三：離子通過內部空間進入木質部■除外部空間外，根部還有一個逆濃度梯度主動進入細胞的、不能擴散的內部區域，稱為內部空間。■當離子被吸附在細胞膜表層后，經主動轉運、被動轉運和膜動轉運等方式進入細胞內。■離子也可以經過胞間連絲從一個細胞轉運到另一個細胞，由表皮運至木質部。第32頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五33第33頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五34

物質的跨膜轉運

■被動轉運（簡單擴散、易化擴散）■主動轉運■膜動轉運（胞吞和胞吐）：轉運過程中細胞膜結構發生變化。此種轉運過程具有特異性，生物膜也呈現主動選擇性并消耗一定的能量。

胞吞作用是將細胞表面的顆粒物轉運入細胞內的過程；胞吐作用是將顆粒由細胞內運出的過程。第34頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五35第35頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五36膜動轉運第36頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五37步驟之四：離子進入導管離子從導管周圍的薄壁細胞向導管轉運的機理還不能確定，有兩種可能的方式：一是被動性地隨水分流動而進入，二是導管周圍薄壁細胞對離子選擇性地轉運。第37頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五38（一）植物對污染物的吸收2.地上部分的吸收■植物地上部分的營養體包括葉、枝條和莖干，對外源化學物吸收的主要器官是葉片，而莖干部和枝條有較厚的外皮層保護，可以有效地阻止環境化學物的吸收。■環境化學物可以通過氣孔進入葉內，也可以從角質層透入。植物葉片表面覆蓋著的角質層是由多糖和角質（脂類化合物）組成的保護層，無結構，不易透水，但是角質層有裂縫，呈細微的孔道，可讓溶液通過。第38頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五39氣孔結構和開關機理第39頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五40第40頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五41用硝酸鉛涂葉片各部位鉛增加量(%)（王煥校等，1985）第41頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五42（二）植物對污染物的遷移■環境化學物在植物體內遠距離運輸的主要是由維管系統完成，其運輸通道包括向上的木質部導管和向下的韌皮部篩管。■在植物根部外皮層和內皮層之間有一特殊結構，稱為凱氏帶（caspariansstrip），可以控制被根系吸收的外源污染物的運輸。凱氏帶是內皮層細胞在側壁和橫壁上的部分加厚并木質化和栓質化形成的。第42頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五43三、動物對污染物的吸收和遷移（一）動物對污染物的吸收■動物對污染物的吸收一般是通過呼吸道、消化道、皮膚等途徑。▲經呼吸道吸收▲經消化道吸收（主要途徑）▲經皮膚及其他途徑的吸收（表皮和真皮）第43頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五44（二）動物對污染物的遷移■污染物在動物體內遠距離運輸的主要途徑是循環系統，其通道由血管和淋巴管構成。■經消化管吸收的外源化學物首先進入肝門靜脈，再被輸送到肝臟進行生物轉化；經呼吸道吸收的外源化學物運輸特點是它們不先經肝臟解毒，而是經肺循環直接進入循環系統而分布于全身組織細胞。由皮膚吸收的外源化學物進入毛細血管網和淋巴管網，亦不先進入肝臟解毒。

第44頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五45四、微生物對污染物的吸收和遷移（一）微生物對污染物的吸收■革蘭氏陽性菌的細胞壁有一層很厚的、網狀的肽聚糖結構，在細胞壁表面存在的磷壁酸質和糖醛酸磷壁酸質連接到網狀的肽聚糖上。磷壁酸質的磷酸二酯和糖醛酸磷壁酸質的羧基使細胞壁帶負電荷，具有離子交換的性質，能與溶液中帶正電荷的離子進行交換反應。■革蘭氏陰性菌的細胞壁中，兩層膜之間只有很薄的一層肽聚糖結構，因此，一般說來它們固定污染物的量比較低。第45頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五46第46頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五47第47頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五48革蘭氏染色操作步驟第48頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五49（二）生物體對污染物的遷移■污染物吸附到細胞表面后，由于細胞的能量轉移系統在物質轉運過程中不能區分電荷相同的代謝必需物和污染物，所以可通過攝取必要的營養元素主動吸收重金屬離子。■在金黃色葡萄球菌中，Cd2+是通過Mn2+吸收系統進入