1、大气生态毒理学Atmosphere ecological toxicology2013年10月24日摘要生态毒理学是一门新兴学科。本文集中阐述了生态毒理学的发展历史、定义、基本原理和研究内容，并侧重介绍了大气生态毒理学。大气环境的污染问题越来越受到人们的重视。无论是对植物、昆虫还是我们人类本身，大气污染问题带来的各种问题都不容忽视。大气污染对人体的影响有三个途径：食用被大气污染的食物或水体，皮肤与污染空气接触，污染气体进入人的呼吸系统。大气污染对人体最大最直接的伤害表现为对人体呼吸系统的损害并增加各类疾病患病的风险。关键词：生态毒理学，大气污染 ，呼吸系统疾病，解决措施1 绪论随着人类文明的发
2、展，科学技术日益进步，人类对地球资源的开发利用越来越导致众多环境问题的出现，气候变暖，生态破坏，以及土地、水和大气污染等利用越来越导致众多环境问题的出现，气候变暖，生态破坏，以及土地、水和大气污染等。二十年前，随着生态环境问题的日益突出，产生了一门新兴学科，那就是生态毒理学。生态毒理学用多学科理论包括生理、生态、化学、医学、毒理学和数学等来解释自然界中污染物的暴露风险。因此，生态毒理学不仅是一门科学，而且是环境基准推导和标准制定以及污染防治中应用性很强的工具，已成为上世纪九十年代至今最有生命力的新兴学科之一。1.1生态毒理学发展历史20世纪90年代以前（是生态毒理学的奠基和初创期）：1969年
3、法国科学家Rene Truhaut首次提出“生态毒理学”概念。1972年“生态毒理和环境安全学会”在欧洲成立，成员包括欧洲、远东和北美等国。1972-1985年在日本、德国、法国、奥地利、丹麦和意大利举行了一系列与生态毒理学相关的学术研讨会。1979年北美成立了“环境毒理和化学学会”。10年后在欧洲有了分支学会。1988年在丹麦的哥本哈根举行了第1届欧洲生态毒理学学术研讨会，并一直延续至今。1989年“生态毒理和环境安全学会”在都柏林举行了首次单独以“生态毒理学”为主题的国际会议。 20世纪90年代以来（是生态毒理学高速发展时期）：1990年以来，生态毒理学研究重点集中于：微量毒物的长期效应、
4、生态系统健康和生态风险评价三个方向。1992年英、美部分科学家首次提出“分子生态学”概念，将生态学研究基础从宏观拓展到微观。1995年中国毒理学会成立生态毒理专业委员会并召开了第1届全国性学术研讨会。1997年在法国召开了第1届欧洲分子毒理学大会。1998年在我国召开了有关的国际生态毒理学专题研讨会。2002年生态毒理专业委员会召开第2届全国生态毒理学研讨会。1992年De Kiruijf将生态毒理学定义为用多学科理论（生理、生态、化学和毒理学）解释自然界中污染物的作用过程和暴露风险。它不仅是一门科学而且是污染防治中应用性强的一种工具，用于支持环境政策、法律、标准和污染控制。生态毒理学是研究外
5、源化学、物理和生物因素对生物体和环境生态系统的损害效应及其机理，以及预防、救治或改善措施的综合性学科，是环境基准研究和环境标准制定与修订的基础，是实施污染控制的工具。因此，它实际上是“可持续发展”战略的一种技术支撑。几乎所有在1980年代欧美各国出台的环境标准与管理方法中都需要生态毒理技术，如土壤质量标准的制定与修订，水质标准的制定与修订，化学品和排放物的安全性评价，产品生物降解能力测试，生物技术产品的管理，污染治理与修复的效果评估等，都需要生态毒理学参与并起着关键的技术支撑作用。当前，面对日益严重的环境复合污染的健康风险评估、新物质与新型材料(如纳米材料)以及转基因产品等的生物安全性与生态风
6、险、中医药产品毒性评估等新问题时，毫无例外地需要生态毒理学知识和技术作为支撑。1.2生态毒理学的定义 20世纪80年代以来在生态毒理学中发展较快的技术之一是模拟生态系统，它包括微生态系统和中生态系统，其中以微生态系统的研究成果最多。所谓微生态系统即微型的模拟生态系统，它的定义是“人工环境的试验系统，是一个世界的缩小，一个整体的代表”。美国国家科学委员会的定义是“将天然系统的样本放入人工容器内并在实验室环境中维持的系统，功能类似而结构不完全等同于天然系统，这类系统的能力在于它能以近似自然的方式检验许多生物与环境过程的最终结果”。这是其他研究技术所无法比拟的。整个生态系统是一个整体，它决不是部分的
7、总合，对生态问题的分割研究是有很大局限的，而在系统水平上可以得出更为实际的结果。但它也不同于野外研究，它毕竟是受控系统。在近十几年的研究中模拟生态系统几乎用于各种污染的生态效应研究，如重金属、农药、有机物的污染、综合性排放物以及最近提出的生物安全问题等等。主要应用领域有河流污染的早期报警、水生生态系统恢复过程研究、化学品、农药的生态风险评价、综合性污染物的风险评价、沉积物生态效应、生物安全评价。微生态系统的组成部分主要有（以水生态系统为例）：基本单位，储水库，过滤系统，动力系统和条件控制系统（温度，光照，流量，毒物分配和控制）五大系统。美国环保局（USEPA）、美国食品和药物管理局（FDA）均
8、将从该系统获得的数据作为决策的依据并列入法规程序中。1996年12月美国国家科学委员会向政府提出的“21世纪研究重点”的报告中，第三个重点领域“化学品与环境的关系”所建议的研究内容是“降低化学品进入环境后的不利影响，发展实验性的微生态系统用于污染预测中”。1.3生态毒理学的基本原理1.3.1环境毒物的剂量效应关系原理是指污染物对生物危害的程度取决于污染物的毒性和进入机体的剂量，它们具有一定的相关关系，即定量个体剂量效应关系（描述不同剂量的环境毒物所引起的生物“ 个体” 的某种生物效应的强度，以及两者之间的依存关系）和定性群体剂量效应关系（反映不同剂量环境毒物引起的某种生物效应，在一个群体（试验
9、动物或植物群落）中的分布情况，即该效应的发生率，实际上是环境毒物的剂量与生物体的质效应之间的关系）。1.3.2环境毒物的结构活性相关原理首先是指化学结构功能团与毒性的关系：无机毒物随着分子量的增加，其毒性增强；有机毒物中的氢原子，被卤族元素取代，其毒性增强，取代的越多，毒性也就越大；芳香族环境毒物引入羟基后，由于极性增强而使其生物毒性提高，而且羟基越多，毒性越大；苯中引入羟基而成为苯酚，易与蛋白质中的碱性基团发生反应，导致与酶蛋白有较强的亲和力，促使其生物毒性增强；多羟基芳香族环境毒物的生物毒性很大。其次，是指结构活性相关的广义性：不仅指毒物化学结构本身，还涉及毒物的物理化学特性、量子化学特性
10、和立体化学特性，其中物理化学特性包括水溶性、脂溶性、熔点、沸点、蒸汽压力、电离常数、辛醇水分配系数、活化能、反应热、氧化还原电位、介电参数、偶极力矩、电荷比等，量子化学特性包括原子量、键能、共振能和电子密度等，立体化学特性包括分子容积、形状及表面积、次结构形状和分子反应能力等。此外，光学异构体具有明显的毒性差异，一般左旋异构体对生物机体的作用较大，右旋体往往无作用。1.3.3毒理作用的多层次效应原理生态系统尤其是生物组分对环境毒物作用的反应，表现为产生各种不同类型的毒性效应甚至相反的解毒作用。毒性效应包括急性中毒效应、亚急性中毒效应和慢性中毒效应，或者是个体、种群和系统水平的不良效应，或者是分
11、子、细胞和器官水平的不良效应，包括基因突变或基因表达的改变，在基因、mRNA 、蛋白或代谢水平引起的改变，表现在细胞水平如细胞增值或分化等的改变或细胞代谢能力的改变等。动物和人体发生的一些疾病，通常也是环境毒物作用的结果，由于环境条件不同以及生物体各组织器官的不同，发生疾病的类型差异很大。1.3.4毒理生态动力学原理生态系统是一开放系统，毒物能够从外界进入生态系统，并在系统内与各组分之间进行各种化学的或生物化学的反应，将会可逆地或不可逆地干扰系统正常的循环规律和生态化学过程，甚至造成细胞的损伤或对系统的破坏。毒物进入生态系统与各组分的毒性反应，大致可分为暴露阶段、化学动力学和生物动力学等3 个
12、阶段。暴露阶段的反应包括了各种毒物彼此之间以及温度、光和湿度等生态因子对其所造成的影响而发生的所有过程，包括化学转化与分解以及微生物生物降解等过程对毒物毒性产生的影响，以及毒物经由皮肤粘膜或呼吸道及肠胃道上皮细胞进行生物体的过程。毒物化学动力学阶段的反应，也称毒理宏观动力学(Toxicokinetics) ，包括了毒物被吸收至生态系统生命组分或生物体、机体体液的运输、组织及器官内的分布及累积、毒物的生物学转化与代谢、毒物的排除以及有机体代谢物的排除等。毒物生物动力学阶段的反应，也称毒理微观动力学(Toxicodynamics)，乃是指以包含了分子、离子或胶体形式存在的毒性物质与细胞上或细胞内部
13、的特定作用部位（即受体）的交互作用，最后乃产生毒性效应。1.3.5环境毒物的生态适应性原理涉及回避反应（鱼类、虾、蟹、水鸭、鹅和一些水生昆虫经常具有避开水中毒物或污染物，游向非污染清洁区的行为和能力；一些植物的叶子呈针状、鳞片状，或者叶片覆盖蜡质，叶面密生叶毛，以及气孔凹陷或者气孔及时关闭等反应，都在一定程度上减少或阻止环境毒物进入生物机体，或者避免有害气体的侵袭）、抗性（指生物体抵御环境毒物导致不良效应的能力。1.4生态毒理学的研究内容生态毒理学的研究内容包括理论生态毒理学、实验生态毒理学和应用生态毒理学，理论生态毒理学涉及大气生态毒理学、水生生态毒理学、陆生生态毒理学，植物生态毒理学、动物
14、生态毒理学、微生物生态毒理学、分子生态毒理学等则归属实验生态毒理学，工业生态毒理学、农业生态毒理学、矿区生态毒理学、城镇生态毒理学以及军事生态毒理学。本论文着重阐述的是大气生态毒理学。2 大气生态毒理学我们赖以生存的地球离不开大气环境，大气是人类赖以生存和发展的必不可少的环境要素之一。然而人口的增多，人类活动频繁，自然因素影响使大气污染严重。大气污染通常是指由于人类活动和自然过程引起某种物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到了足够的时间并因此而危害了人体的舒适，健康和福利或危害了环境环境的现象。按污染的范围，大气污染可分为：局部地区大气污染，区域性大气污染，广域性大气污染和全球性大气污染。燃料
15、的燃烧是造成大气污染的主要原因；石油工业和化工工业大规模的发展也增加了空气中污染物的种类和数量；在农业方面，由于各种农药的喷洒而造成的大气污染也是不可忽视的问题。2.1大气污染对植物的影响众所周知绿色植物通过光合作用保持着大气层中O2和CO2 的循环。大气污染对生物构成了严重的危害。各种各样的大气污染物对于植物来说完全是新出现的环境因素，植物所表现出的不同抗性、以及对空气污染的敏感程度，成为指示性的评定大气环境的重要指标。大气污染对植物的生长发育有很多方面的危害，首先，大气污染可以伤害植物的细胞和细胞器。细胞的膜系统在大气污染的作用下 ，通透性被破坏， 引起水分子和离子平衡失调 ，造成代谢紊乱
16、。破坏严重时，细胞内分隔作用消失，细胞器崩溃，导致最后死亡。其中膜类脂是污染物的一个主要作用点。O3能使膜类脂发生过氧化，干扰其生物合成过程；植物接触SO2产生伤害乙烯使植物花、叶、果等器官脱落；HF是一种强酸，能对植物产生灼烧型伤害；除此以外，形成的酸雨对陆地和森林系统都会造成长期而巨大的破坏。植物对大气污染物表现出的适应态就是净化环境，主要是通过叶片吸收大气中的有毒物质，某些物质在植物体内分解消化。植物对环境的适应性取决于其遗传特性，其抗性也有阈值，过高的环境污染物浓度，植物会枯萎甚至死亡。2.2大气污染对昆虫的影响以昆虫为代表的节肢动物群落是生态系统的重要组成部分，并在维持生态系统的结构
17、和功能方面发挥着极其重要的作用。伴随19世纪产业革命出现的污染问题目前仍然是困扰世界的难题之一，在广大发展中国家污染问题尤为严重。环境污染已经越来越多的受到人们的关注和重视。大气污染物作为一个新的环境胁迫因素的介入，势必会引起长期协同进化形成的昆虫一植物一天敌之间动态平衡的变更或破坏，进而导致昆虫种群的变动。而土壤重金属污染对人类的生存和生态维持构成了严重威胁。对人工饲养的昆虫进行暴露实验，若将许多昆虫直接暴露于SO2、O3和NOx之下，其发育进度、存活率、产卵量锐减。由大气和酸雨的输送而附着在植物表面的有毒物质被昆虫摄入后也会引起昆虫的变异和死亡，植食性昆虫更加明显。在大气污染环境下，植物体
18、中营养物质的变化，特别是可溶性氮的增多将改善昆虫的食物质量，从而提高昆虫的相对生长率和繁殖力。另一方面是植物产生的次生代谢产物的质和量的变化。多数次生代谢物对植食性昆虫具有化学保卫功能。它可以分为微量即显示毒性的生物碱和萜类等质的防卫物质以及通过阻碍食物消化而发生作用的多元酚，单宁和木质素等量的防卫物质。不少研究都证实这些物质对植食性昆虫的生存率、生长发育和繁殖等产生负面影响。大气污染物如果给这些次生代谢物生成过程带来某些变化，那么昆虫的适应度也将受到很大的影响。2.3大气污染对人体的影响大气污染对人体的影响主要表现为对人体呼吸系统的影响而引起呼吸系统疾病。呼吸系统疾病是指感冒、气管炎、支气管
19、炎、肺炎等呼吸道的急慢性炎症，是常见的多发疾病，危害较大。呼吸道疾病是由多种病毒感染所引起的。呼吸道疾病的发病率与大气污染和气象条件的变化有着直接的关系。当大气污染严重时，呼吸道疾病的发病率明显上升。美国的研究人员在研究纽约地区呼吸道疾病与污染物之间的关系时。得出如下结论：呼吸道疾病与污染物之间有明显相关呼吸道疾病出现的高峰比污染物浓度高峰落后36h。在流动人口中，呼吸道疾病在污染严重区最多，中度污染区次之，轻度污染区最少。当太气中的污染严重时，人们能够明显感觉到呼吸困难，喉咙发痒，从而引起咳嗽等呼吸系统疾病，气管炎、支气管炎的发病与大气污染存在着密切的关系。空气污染特别是颗粒物污染对居民的呼
20、吸疾病和肺功能有不利影响。关于大气污染对人群健康影响的研究，国内外已有很多研究，一般多集中在儿童、哮喘病人等特殊人群的研究。本次研究探讨了煤烟型大气污染对成人呼吸系统疾病和症状发生的影响。由于影响成人呼吸系统疾病和症状发生的因素很多，诸如年龄、性别、吸烟、接触粉尘史、接触有毒气体史、家庭燃料以及父母是否患有慢性支气管炎、肺气肿、哮喘、肺癌等等，因此在分析煤烟型大气污染对成人呼吸系统疾病和症状发生的影响时，采用了多因素Logistic回归模型对其影响进行了分析，结果表明，在控制了相关影响因素后，煤烟型大气污染物SO2、TSP、PM10、PM2.5对成人呼吸系统疾病和症状的发生有一定的影响。以一次
21、强沙尘天气对北京城区的影响为例。沙尘天气是指在特定地理环境和大尺度环流背景下诱发的一种灾害性天气，分为：浮尘、扬沙、沙尘暴和强沙尘暴四类。其中浮尘指尘土、细沙均匀地浮游在空中，使水平能见度小于10km；扬沙指大风将地面尘沙吹起，使空气混浊，水平能见度在l10km以内。据统计，北京地区自1970-2001年间的沙尘天气累计233次，主要以浮尘和扬沙为主，其中扬沙148次，浮尘70次。发生沙尘天气时，空气中较大粒径的颗粒往往会在发源地附近依靠重力作用降落，而较小粒径的颗粒则会随气流输送至其它地方，研究证明粒径小于12um的颗粒可以传输至7000km外造成污染，所以沙尘对非发源地的污染以细颗粒物为主
22、。PM10可吸附重金属、硫酸盐、有机物、病毒等，而且由于粒径较小，可被人体吸入，对人体呼吸系统造成很大伤害，引起急性和慢性支气管炎、哮喘、肺炎、甚至肺癌等呼吸道疾病，对易感人群(老人及儿童)伤害更大。大气污染对人的身体健康的影响不可忽视。3 结语大气污染的治理需要全社会一起努力，应该重点从以下几点解决：（1） 合理安排工业布局和城镇功能分区。应结合城镇规划，全面考虑工业的合理布局。工业区一般应配置在城市的边缘或郊区，位置应当在当地最大频率风向的下风侧，使得废气吹响居住区的次数最少。居住区不得修建有害工业企业。（2） 加强绿化。植物除美化环境外，还具有调节气候、阻挡、滤除和吸附灰尘，吸收大气中的
23、有害气体等功能。（3） 加强对居住区内局部污染源的管理。如饭馆、公共浴室等的烟囱、废品堆放处、垃圾箱等均可散发有害气体污染大气，并影响室内空气，卫生部门应与有关部门配合、加强管理。（4） 控制燃煤污染。采用原煤脱硫技术，可以除去燃煤中大约40%一60%的无机硫。优先使用低硫燃料，如含硫较低的低硫煤和天然气等。改进燃煤技术，减少燃煤过程中二氧化硫和氮氧化物的排放量。例如，液态化燃煤技术是受到各国欢迎的新技术之一。它主要是利用加进石灰石和白云石，与二氧化硫发生反应，生成硫酸钙随灰渣排出。对煤燃烧后形成的烟气在排放到大气中之前进行烟气脱硫。开发新能源，如太阳能，风能，核能，可燃冰等，但是目前技术不够
24、成熟，如果使用会造成新污染，且消耗费用十分高.（5） 加强工艺措施。加强工艺过程。采取以无毒或低毒原料代替毒性大的原料。采取闭路循环以减少污染物的排除等。加强生产管理。防止一切可能排放废气污染大气的情况发生。综合利用变废为宝。例如电厂排出的大量煤灰可制成水泥、砖等建筑材料。又可回收氮，制造氮肥等。（6）区域集中供暖供热设立大的电热厂和供热站，实行区域集中供暖供热，尤其是将热电厂、供热站设在郊外，对于矮烟囱密集、冬天供暖的北方城市来说，是消除烟尘的十分有效的措施。（7）交通运输工具废气的治理。减少汽车废气排放。主要是改时发动机的燃烧设计和提高油的燃烧质量，加强交通管理。解决汽车尾气问题一般常采用
25、安装汽车催化转化器，使燃料充分燃烧，减少有害物质的排放。转化器中催化剂用高温多孔陶瓷载体，上涂微细分散的钯和铂，可将NOX、HC、CO等转化为氮气、水和二氧化碳等无害物质。另外，也可以开发新型燃料，如甲醇、乙醇等含氧有机物、植物油和气体燃料，降低汽车尾气污染排放量。采用有效控制私人轿车的发展、扩大地铁的运输范围和能力、使用绿色公共汽车(采用液化石油气和压缩燃气)等环保车辆，也是解决环境污染的有效途径。（8）烟囱除尘。烟气中二氧化硫控制技术分干法（以固体粉末或颗粒为吸收剂）和湿法（以液体为吸收剂）两大类。高烟囱排烟烟囱越高越有利于烟气的扩散和稀释，一般烟囱高度超过100m效果就已十分明显，过高造
26、价急剧上升是不经济的。应当指出这是一种以扩大污染范围为代价减少局部地面污染的办法。随着科技的进步，人们的物质生活水平日益提高，但环境问题越来越严重，特别是大气环境问题，大气环境生态毒理学还有待各方面的研究。参考文献1周启星.生态毒理学基本原理概论. 南开大学环境科学与工程学院.20092程艳丽，唐英章.生物标志物在大气环境生态风险评估的应用.中国科学检验检疫研究院3金银龙，王汉章，纪建光. 煤烟型大气污染对成人呼吸系统疾病及其症状影响的研究. 中国预防医学科学院环境卫生与卫生工程研究所.北京4张云，叶万辉. 大气污染对植食昆虫的影响及作用机制. 中国科学院.广州5杨成，贺华中，黄亮. 大气污染
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