水污染生物学

1. 水污染生物学 ---水保所李修岭

2. 主要内容. • 水污染及其对水生生物的影响 • 化学污染物在水中的生物转化 • 水污染的生物处理 • 水污染的生物学监测 • 水体的富营养化

3. 第一节 水污染及其对水生生物的影响 • 水是生命之源,但全球淡水量严重不足 地球表面71%被水覆盖，但其中97%为咸水，人类可以使用的淡水不足0.3%。近几十年来，世界人口增加了60%以上。目前，100多个国家缺水， 13亿人缺少饮用水，10亿人的饮用水不合乎卫生要求。 2. 我国水环境存在三大问题： 2.1 水资源紧缺－ 我国水资源总量2.81万亿M3,虽占世界第6位，但人均拥有量却排在109位 2.2 水资源的浪费－ 工农业与生活用水的严重浪费

4. 2.3 水体的严重污染 大气干湿沉降 农药化肥淋溶 污水地表径流

5. 据报道，我国位于长江下游的上海市，符合饮用水水源国家标准的地表水只剩下1％，水质劣于五类的已占68.6％；无锡市区内已很难找到合格的地表水。长江中下游地区普遍存在有水不能吃的现象。据报道，我国位于长江下游的上海市，符合饮用水水源国家标准的地表水只剩下1％，水质劣于五类的已占68.6％；无锡市区内已很难找到合格的地表水。长江中下游地区普遍存在有水不能吃的现象。

6. 全国70%以上内陆水体已被严重污染，排入长江的废水7年来增加了70亿吨全国70%以上内陆水体已被严重污染，排入长江的废水7年来增加了70亿吨

7. 1999－2006年我国废水排放量

8. 我国废水排放量（亿吨）呈逐年上升趋势 到2007年，全国废水排放总量高达556.8亿吨。2007年的废水排放总量比上年增加3.7%。其中，工业废水排放量246.6亿吨，占废水排放总量的44.3%，比上年增加2.7%；城镇生活污水排放量310.2亿吨，占废水排放总量的55.7%，比上年增加4.6%

9. 国家环保总局局长周生贤指出：我国水环境形势十分严峻：一些地区“有河皆干、有水皆污” ——“水污染状况相当严重”。，2005年，全国七大水系的411个地表水监测断面中有27%为劣V类水质，基本丧失使用功能。重点流域40%以上的断面水质没有达到治理规划的要求。“流经城市的河段普遍受到污染，一些地区已经出现了‘有河皆干、有水皆污’的现象。”近岸海域赤潮和三峡库区支流“水华”现象接连发生。 城市的情况更为严重,全国大、中城市浅层地下水不同程度地遭受污染，约一半的城市市区地下水污染较为严重，大城市的中心地带、城镇周围区，以及排污河道两侧、引污灌溉区污染尤为严重。 此外，河北平原和长江三角洲等区域，浅层地下水已呈现面状污染态势。据统计，今年上半年，全国化学需氧量排放量比去年同期增长了3.7%。第三季度以来，虽然增幅明显回落，但污染物排放总量仍在继续增加。 ——“饮用水安全存在隐患”。周生贤说：“目前，全国有3亿多农村人口存在饮用水不安全问题。”他指出，不少地区符合标准的饮用水水源地呈缩减趋势，有的大城市没有备用水源。环保总局的资料显示，全国113个环保重点城市的222个地表饮用水水源地，平均水质达标率只有72%。 ——“部分流域水资源开发利用程度过高”。周生贤介绍，淮河、辽河水资源开发利用率超过60%，海河超过90%，明显超出合理利用水平，减弱了水体自净能力，致使枯水期基本上没有生态流量，加剧了污染恶化的趋势。 ——“水污染事故频繁发生”。周生贤说，我国不少化工、石化等重污染行业布局在江河沿岸，有的甚至建在饮用水水源地附近和人口密集区，很多企业建厂早、设备陈旧、管理落后、治污设施不健全。 “此外，化学品储运过程中也存在不少漏洞，加上防范措施跟不上，极易造成水污染事故，严重威胁水体安全。　

10. 3. 水污染与水资源保护 全世界每年有数千亿立方米的污水排入江河湖海，淡水水体的污染成为全球性水污染的严重问题。我国每年污水排放量已超过500亿吨，而且每年还在以30％速率递增。水污染与缺水不仅制约了我国经济的发展，而且还造成生态环境的严重退化。 自然条件 化学污染 水污染 污染杂质 物理污染 人为污染 生物污染

11. 化学污染 •  无机污染－－－酸、碱 和一些无机盐类；砷、汞、镉和铅等有毒重金属。 • 有机污染－－－农药、多环芳烃、多氯代芳烃等化学性质稳定，难于被生物所分解的人工合成化学品。 物理污染  悬浮物质污染：固体物和泡沫塑料等水中不溶性物质以及由生活垃圾和采矿、造纸等产生的废物。  热污染：来自于各种工业过程的冷却水，循环水  放射性污染：放射性废水、废物

12. 生物污染  生活污水  医院排污水，废水中的病原微生物  藻类毒素，藻菌次生代谢产物 水污染的定义： 由于人类活动，使水质发生变化，导致水的任何有益的用途受到现实或潜在的损害。

13. 全球关注的水中污染物 • 持久性有机污染物 • 重金属及其金属有机化合物 • 藻毒素 • 内分泌干扰物（环境激素）

14. 持久性有机污染物的特点： • 化学结构稳定，难于生物降解 • 半挥发性，全球迁移，无处不在 • 亲脂性－沿食物链的生物传递与生物放大 • 致癌、致畸、致突变性 • 长期低剂量暴露下的内分泌干扰毒性

15. - Stockholm Convention on 22 May 2001 针对控制POPs污染的全球行动 我国已在2005年5月加入斯德哥尔摩公约，并负有国际履约义务

16. 斯德哥尔摩公约中首批优先控制的持久性有机污染物斯德哥尔摩公约中首批优先控制的持久性有机污染物

17. 4. 污染物与水生生物的相互作用 4.1 污染物对水生生物的影响： 物种减少,甚至灭绝 致死、亚致死效应 生物富集与生物积累 4.1.1 污染物对细菌、真菌的影响： 抑制其生长、代谢和呼吸 使重金属甲基化大大增加毒性

18. 4.1.2 污染物对藻类和高等水生植物的影响: -引起“ 水华”, -抑制藻类的光合作用 -影响核酸的合成与遗传 -影响其对营养物质的摄取 -加速固氮作用,使水质变坏 4.1.3 污染物对水生无脊椎动物及鱼类的影响: -致死、致畸、内分泌干扰 -发育、 生殖、神经与免疫异常

19. 湖北鸭儿湖地图

20. PCDD/F, ug/kg 鸭儿湖1－5号塘表层底泥中的持久性有毒污染物

21. 鸭儿湖1－5号塘水中污染物对大型无脊椎动物，细菌，真菌和放线菌总量的影响鸭儿湖1－5号塘水中污染物对大型无脊椎动物，细菌，真菌和放线菌总量的影响

22. normal abnormal 鴨儿湖白鲢鱼甲基汞的中毒症状

23. 在极低剂量的二恶英暴露下，能对鱼体的发育、生殖、神经和免疫系统产生内分泌干扰作用，从而可诱发一系列致癌、致畸和致突变毒性效应。在极低剂量的二恶英暴露下，能对鱼体的发育、生殖、神经和免疫系统产生内分泌干扰作用，从而可诱发一系列致癌、致畸和致突变毒性效应。 致畸致死 肝细胞损坏 2－5 pg/ml 2,3,7,8-TCDD

24. 污染水体中水生生物的异常发育 喂食三丁基锡的medaka 雌鱼所产下的仔鱼 贻贝的imposex〈左: 雌贝; 右: 雄贝〉 多脚蛙〈原因不明〉

25. 4.2 水生生物对污染物的反馈作用---生物净化： 水体自净(aqueous self-purification)： 天然水体受到污染后，由于自然界物理， 化学等 环境过程的作用会使污染水得到净化的现象 同化容量(assimilative capacity)： 自然生态系统具有一定的容量以同化环境中的污染物 生态系统服务(ecosystem service)： 自然生态系统包括所有的生物，它们对人类提供了一定 限度的生存条件，并且服务与人类

26. 人类活动 污染物 水体自净作用 水生态系统失去平衡 （超过同化容量） （同化容量） 生态系统服务 生物净化

27. 人 类健康 罗非鱼 (tilapia) 钉螺 （中间宿主） 血吸虫 -----马拉维湖中的生态系统服务实例-----

28. . • 第二节 化学污染物在水中的生物转化 微生物（对基质的专一性， 高度的化学专性） 水生生物 （如藻类，高等植物） 生物浓缩（BCF，分配理论） 生物积累 生物放大（水生食物链） 生物降解

29. 105 生物放大 DDT in duck biomagnification DDT in fish 生物积累 DDT in Daphnia bioaccumulation DDT in water 生物浓缩 bioconcentration

30. 水环境中甲基汞的生物放大作用

31. 鸭儿湖中二恶英沿水生食物链的生物放大作用

32. 第三节水污染的生物处理 我国水资源的总体战略：水资源的可持续利用 废水处理－水资源保护的关键 生物处理的原理－人工条件强化下的水体自净作用 好氧－好氧菌----活性污泥法 处理方法 厌氧－厌氧菌---发酵罐/反应器 氧化塘－兼性--藻菌共生系统 酶法－专一性的细菌---固定化酶/细菌法 • 回收有用物质 • 净化环境 • 一水多用，重复使用

33. 香港大学市政工程系实验室的小型厌氧菌---发酵罐/反应器香港大学市政工程系实验室的小型厌氧菌---发酵罐/反应器

34. 光合作用 好气性 降解有机物 氧化塘中的生物学过程

35. 湖北鸭儿湖氧化塘工程平面示意图

36. 人工湿地（Constructed wetland）

37. 工艺原理： 利用人工建造的、可控制的和工程化的湿地系统，通过对湿地自然生态系统中的物理、化学和生物作用的优化组合来进行废水处理。一般由人工基质和生长在其上的水生植物（如芦苇、香蒲等）组成，是一个独特的土壤（基质）-植物-微生物生态系统。当污水通过系统时，其中污染物和营养物被系统吸收、转化或分解，从而使水质得到净化。 方法特点： 　高效垂直流人工湿地是一种高效生态治污技术，具有占地面积相对较小，并能长期稳定运行，工艺先进、技术可靠、高效节能、简便易行、投资运行费用低、可改善生态环境等诸多优点，同时如果选择合适的植物品种还有美化周边环境的作用。 适用范围： 　人工湿地系统是一种污水深度处理技术，特别适用于饮用水源和景观用水保护，处理后的水可以排入饮用水源、景观用水的湖泊、水库或河流中，为这些水体提供清洁的水源。

38. 第四节水污染的生物学监测 4.1 生物监测的意义－早期预报毒性效应 4.2 生物监测指标的要求: 代表性 专一性 灵敏度 可适用性

39. 生物标志物 --- 生物监测的重要工具 • 生物体暴露于污染物的指示信号 • 污染物对生物产生危害效应的指示信号 • 生物体暴露于污染物敏感性的指示信号 • 环境质量退化的早期预报 • 污染物生态风险评价的重要依据

40. 什么是生物标志物 ？ “A biomarker is a xenobiotically-induced variation in cellular or biochemical components or processes, structures, or functions that is measurable in a biological system or sample” (National Research Council, 1987).

41. 为什么我们需要生物标志物？ • 环境保护的最终目的是保护生态系统，生物学效应是我们关注的主要焦点。 • 污染物的存在 ≠ 生物可利用性 ≠ 毒性效应 • 污染物在水环境中以各种形式存在，其生物可利用性和毒性可以随其存在的不同化学形态而发生极大的改变。 • 污染物通常以存在于混合物之中，多种污染物共存时相互间发生交互作用而使毒性改变。

42. 多氯代二苯并呋喃（PCDFs） 多氯代二苯并二恶英（PCDDs）

44. ERF RF

45. 100.0 actual data calc. curve 80.0 60.0 (pmol/min/mg prot.) Specific EROD activity 40.0 20.0 0.0 0.01 0.10 1.00 10.00 100.00 2,3,7,8-TCDD concentration (pg/ml) Standard curve of dose-response relationship for 2,3,7,8-TCDD

46. Comparative results of Micro-EROD Aassay and HRGC/HRMS analysis in several environmental samples

47. 4.3 生物监测研究进展: 4.3.1 生态学—— 指示种类，群落结构和群落功能 4.3.2 毒理学—— 离体、活体毒性试验，原代培养法 4.3.3 生态毒理学—— 利用生物标志物，建立剂效关系，评价 化学污染物对生态系统健康的负面影响

48. 4.3.4 公害评价的基本原理： • 同化容量： 污染物浓度 生物效应浓度 • 公害： 污染物的环境浓度>生物效应浓度

49. Polyurethane Foam Unit (PFU)