环境污染物在生态系统（2009）

第一章 环境污染物在生态系统中的行为,第一节 环境污染概述 一、环境污染 有害物质或因子进入环境，通过扩散、迁移、转化，使环境系统结构与功能发生变化，对人类以及其他生物的生存和发展产生不利影响的现象。 人类活动可引起环境质量改变，用环境质量标准为尺度，可评定环境是否发生污染以及受污染的程度。,环境污染的类型： 按环境要素 大气污染、水体污染、土壤污染 按污染物的性质 生物污染、化学污染、物理污染 按污染物的形态 废气、废水、固废、噪声、辐射污染 按污染产生的原因 生产污染(工业、农业、交通)和生活污染 按污染涉及范围 全球性污染、区域性污染、局部污染,环境污染不仅具体地指有害物质或因子进入环境系统，导致其结构和功能发生不利于人类及生物正常生存和发展的变化，而且也包含各种变化所衍生的环境效应。 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效果。环境生物效应的机理及其反应过程研究包括：污染物的毒性、毒理、吸收和积累； 多种污染物的拮抗作用和协同作用；生物解毒酶的种类、数量以及解毒机理。,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 环境的酸化、土壤盐碱化、水硬度升高、光化学烟雾的发生。 环境物理效应 物理作用引起的环境效果 热岛效应、温室效应、噪声、地面沉降。,二、污染源,造成环境污染的污染物发生源。指向环境排放有害物质或对环境产生有害物质的场所、设备和装置。 按污染物的来源划分 天然污染源：指自然界自行向环境排放有害 物质或造成有害影响的场所。 人为污染源：指人类社会活动所形成的污染 源，是研究和控制的主要对象。,人为污染源分类： 按排放污染物的种类划分 有机污染源 无机污染源 热污染源 噪声污染源 放射性污染源 病原体污染源（有害生物） 同时排放多种污染物的混合污染源,按污染的主要对象划分 大气污染源 水体污染源 土壤污染源 按排放污染物的空间分布方式划分 点污染源 集中在某一地点或小范围排放污染物 面污染源 在一个大面积范围排放污染物,（一）工业污染源,1.形成工业污染源的环节 原料生产、加工、燃烧、加热和冷却、成品整理等过程使用的生产设备或生产场所。 2.特征：一般属于点污染源，但废渣堆放场和工业区降水径流也构成面源污染。 3.对环境的危害形式 废气、废水、废渣和废热排放，污染大气、土壤和水体；产生噪声、振动、核辐射危害周围的环境。,（二）农业污染源 在农业生产过程中对环境造成有害影响的农田和各种农业设施称为农业污染源。 1.产生过程 不合理施用化肥和农药使用 机械使用 一些农业设施 2.对环境的影响 破坏土壤结构和自然生态系统，导致污染物迁移和转化，危害生物、水体和大气。,(三)交通运输污染源 指对环境造成污染的交通运输设施和设备 运行中发出噪声、引起振动； 运载的有毒有害物的泄漏； 燃油燃烧、城市汽车的尾气。 主要污染物： 一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物、二氧化硫、铅化合物、苯并(a)芘、石油和石油制品，有毒有害的运载物。,（四）生活污染源 人类消费活动产生的废水、废气和固体废物。 污染源污染环境的途径 消耗能源排出废气造成大气污染。 排出生活污水造成水体污染。生活污水中含有机物、合成洗涤剂和氯化物以及致病菌、病毒和寄生虫卵等。 城市垃圾、废塑料、废纸、金属、煤灰和碴土等造成环境污染。,三、污染物,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生存和发展的物质。 污染物划分： 自然界释放 人类活动产生 环境科学中主要研究人类生产和生活排放的污染物。,人类活动中废物产生过程示意图,（一）生产性污染物 通过人类的生产活动造成的污染物。 导致环境污染的原因： 污染物未经处理或处理不力，控制不严而排放到环境中，并达到一定的限度。 影响工业污染物产生的主要因素： 技术经济发展水平 生产工艺及防治措施,（二）生活污染物 随着人口数量的剧增以及消费模式、消费水平的改变，生活废弃物日益增多，并且种类日趋复杂。 1.人类自身的新陈代谢产生的废物 2.生活用品消费过程产生的废物 洗涤剂 高分子化合物 电器,四、优先污染物,指对人类生存环境危害大、在环境中数量增加迅速、其含量接近或超过环境标准的污染物。 美国最早开展优先监测，上世纪70年代就明确规定了129种优先污染物；日本在1986年确定的优先污染物为189种；欧共体在关于水质项目的排放标准的技术报告中，列出了“黑名单”和“灰名单”；我国初步提出的水中优先控制污染物有68种。,第二节 污染物在环境中的迁移与转化,一、污染物在环境中的迁移 污染物进入环境的主要途径： 人类活动过程中无意释放（意外事故） 生产活动正常排放（废水、废气和固废） 人类活动中故意的应用（杀虫剂、农药）,（一）迁移方式 1.机械迁移 机械迁移包括： 水的机械迁移作用，即污染物在水体中 的扩散作用和被水流搬运； 气的机械迁移作用，即污染物在大气中的扩散和被气流搬运； 重力的机械迁移作用。,2.物理化学迁移 物理化学迁移是污染物在环境中迁移的最重要的形式，这种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。 无机污染物 以简单的离子、络离子或可溶性分子的形式在环境中迁移。其物理化学作用包括：溶解沉淀；氧化还原；水解；络合；吸附和解吸。 有机污染物 除上述作用外，还可通过化学分解、光化学分解和生物化学变化等作用实现迁移。,3.生物迁移 污染物通过生物的吸收、代谢、生长、死亡等过程实现的迁移，其过程非常复杂，与各生物种属的生理、生化和遗传、变异作用有关。 生物体对污染物具有选择吸收和积累作用，生物体对污染物也具有降解代谢能力。 生物通过食物链对某些污染物(如重金属和稳定的有毒有机物质)的放大积累作用是生物迁移的一种表现形式。,(二)影响迁移的因素 制约污染物在环境中迁移的因素 1.内部因素 与迁移作用有关的污染物的性质 指组成化合物的能力、形成不同电价离子的能力、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、离子电价、化合物的键性、溶解度等。,迁移的特点 （1）由共价键结合的污染物易进行气迁移，由离子键结合的污染物易进行水迁移； （2）低价离子的水迁移能力大于高价离子的迁移能力； （3）由离子半径差别较大的离子构成的化合物迁移能力较强； （4）重金属离子由于有较高的离子电价，因而具有较强的水解能力和易以络离子的形式进行迁移。,2.外部因素 外部环境的理化条件 酸碱性、氧化还原状态、土壤胶体的种类和数量、络合配位体的数量和性质等。 区域自然地理条件 气候、地形、水文、土壤种类等。气候条件对污染物迁移的影响最为明显，主要表现为两个最重要的气候因子热量和水分之间的配合状况，直接影响污染物在环境中化学变化的强度和速度。,二、污染物的形态和分布,环境中污染物的形态是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。污染物的形态随环境条件的变化而转化。 （一）污染物的形态 一般指价态、化合态、结构态、络合态等，不同形态的污染物在环境中有不同的化学行为，并表现出不同的污染效应。,环境中污染物的形态通常包括： 离子态 能够溶于水的无机污染物易形成离子态； 代换态 水体或土壤溶液中存在的离子或分子态的物质，在物理化学的作用下产生的2相间的代换； 胶体态 污染物以溶胶形式分散在环境中；,有机结合态 由有机物固定或生物吸收积累的污染物； 难溶态 以硅酸盐、碳酸盐、硫酸盐、硫化物、氧化物等形态存在的难溶污染物。 广泛地分布于岩石、土壤、河湖底泥和各种固体废弃物(特别是废渣)中，性质稳定，其中的有毒有害物经过风化和生物分解能够释放出来，具有潜在的污染危害。 （二）污染物的分布,三、污染物在环境中的转化,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称为污染物的转化。 污染物的转化与迁移不同，后者只是空间位置的相对移动。 在现实环境中，环境污染物的迁移和转化往往是伴随进行的。,（一）转化形式 1.物理转化 通过蒸发、渗透、凝聚、吸附以及放射性元素的蜕变等过程来实现的转化。 2.化学转化 通过化学反应发生的转化，如氧化还原反应、水解反应、络合反应、光化学反应等。 3.生物转化 通过生物的吸收和代谢作用而发生的变化。,(二)污染物在大气中的转化 光催化氧化 碳氢化合物和氮氧化物等气态污染物(一次污染物)在紫外线作用下发生光化学氧化反应,产生臭氧、过氧乙酰硝酸酯及其他类似的氧化性物质(二次污染物)。 参与光化学氧化过程的一次污染物和二次污染物的混合物(包括气体污染物和气溶胶)所形成的烟雾现象，称为光化学烟雾。,碳氢化合物和氮氧化物的光化学氧过程： NO2的光解； 碳氢化合物、HO 、O 等自由基和O3氧化； 醛、酮、醇、酸等产物以及中间产物自由基（ RO2、 HO2、 RCO）的生成； 过氧自由基引起NO向NO2转化，导致O3和过氧乙酰硝酸酯生成。 二氧化硫的光化学氧化和金属氧化物催化氧化： 转化为三氧化硫，再溶于大气中的水生成硫酸或硫酸盐，在空气中形成硫酸雾。,(三)污染物在水体中的转化 1.氧化还原作用 （1）水体中的氧化还原体系 含有许多无机及有机氧化剂和还原剂 溶解氧 Fe(III)/ Fe(II)、Mn(IV)/ Mn(II) SO42- / S2-、NO3-/ NO / N2O/N2 有机-C / CO2（氧化） 有机-C / CH4（还原） 这些过程对污染物转化起着重要作用。,（2）氧化还原作用包括化学和生物学过程 化学过程： 将按照热力学原理，依据氧化还原电位高低自发进行。 生物学过程： 受水体中微生物的影响，在微生物参与的能量交换和电子传递中进行，大多数符合热力学原理。 生物学和化学作用可同时进行、相互促进或相互制约（抑制）。,（3）水体氧化还原的特征氧垂曲线 河流受到大量有机物污染时，随着污染源到河流下游一定距离内，溶解氧的变化是由高到低、再逐步恢复到原来的水平，由此可绘制成溶解氧变化曲线。 （4）有机污染物对河流污染的分区性 清洁区：氧及时得到补充，未受污染。,分解区：细菌对有机污染物分解，消耗溶解氧，而通过大气补充的氧不能弥补消耗的氧，因此，水体中溶解氧下降，此时细菌个数增加。 腐败区：溶解氧消耗殆尽，水体进行缺氧分解。 恢复区：有机物降解接近完成，溶解氧上升并接近饱和。 清洁区：水体环境改善，又恢复到原始状态。,2.配合作用 水体中存在的配位体 无机配位体：OH-、Cl-、CO32-、HCO3- 有机配位体：氨基酸、腐殖酸、由废水带入 的洗涤剂、清洁剂、农药和大 分子环状化合物等。 各种配位体可以与水中重金属污染物进行配合反应，改变其性质和存在状态，影响污染物在水体中的迁移、反应和生物效应。,3.生物降解作用 污染物的生物降解过程包括： （1）小分子的污染物被微生物同化吸收，形成新的大分子化合物，使得污染物的性质发生改变。 例如：水体中的微生物，特别是底泥中的厌氧微生物可使得无机汞（Hg2+）转化为一甲基汞或二甲基汞，从而有利于生物吸收，向生物体内转移，并形成新的金属有机大分子。,（2）有机污染物被微生物分解，氧化形成R-OH、RCO-、R-CHO、RCOOH、CO2和水（最终产物）或还原加H2、最终断链，产生CH4（最终产物）。也使得有机污染物的性质发生改变，降低或增加其毒性。 例如：底泥中的厌氧微生物使得芳香化合物、卤代烃转化，开环或脱卤，产生小分子有机物，从而增加了微生物的利用能力，促进有机大分子的生物代谢。,（四）污染物在土壤中的转化 1.污染物性质影响污染物在土壤中的转化及其行。 2.土壤微生物对污染物的降解具有重要的作用。 3.土壤中的固、液、气三相的分布是控制污染物运动和微生物活动的重要因素。 4.土壤的pH、温度、组成及微生物种群和数量是污染物生物转化的重要条件。,四、污染物的生物地球化学循环,生物合成作用：指生物将所吸收的环境化学物质转