污染生态化学

2011年06月科学出版社出版的图书

污染生态化学（pollution eco-chemistry ）是生态化学的重要组成部分。主要研究化学污染物在生态系统中的行为规律及其危害。因此，污染生态化学涉及到环境化学及环境化学物质的结构与活性及其相关的生物化学基础理论。

基本定义

污染生态化学包括化学污染物在生态系统（包括有机体和人群等）中的形成、转化过程、作用机制及其生态效应（生物效应）与生态毒理效应等内容。它与环境生态学和环境医学有密切联系。现今对环境化学物质(或化学品)的生物效应与生态毒理效应较为重视，许多国家（如美国、日本、法国和前苏联等）以及一些国际组织（如世界卫生组织、联合国环境规划署、经济合作和发展组织、国际科联环境问题委员会等）进行了大量研究，并制定了有毒化学品的试验指南与评价方法，提供给世界各国参考使用。

污染生态化学作为环境化学的一个重要分支，污染生态化学在逐渐完善其基本理论的同时，通过学科交叉和再融合，在使其自身成熟的过程中，促进或带动环境化学及其他分支学科的发展。作为应用生态学的重要组成部分，污染生态化学的研究及其成果的应用，已经成为应用生态学发展与学术创新的催化剂。

学科发展

随着世界范围内环境污染的进一步恶化以及由此导致的不良生态效应，在生态系统层面上逐渐地由个体向种群、群落、景观与区域、全球生态系统等高层次水平的不断扩展，污染生态化学在研究解决这些复杂问题、治理污染环境的过程中得到了发展。不仅如此，污染生态化学还在国家生态安全、人体健康、乡村城镇化、环境规划、工业清洁生产、农牧渔业可持续发展、农产品安全生产、绿色药物设计和生物多样性保护等方面发挥了其它学科不可替代的重要作用。

发展现状

系统典型化学污染物行为、迁移转化与归宿

20世纪50年代以来，随着几次大的污染事件的发生，由于其中几次与重金属的污染有关，单一重金属在食物链中的传输规律以及在土壤-作物、土壤-水系统中的行为、迁移转化与归宿得到了比较广泛的研究。近年来，这些研究正在从一般的化学行为的观察走向生理生化水平与分子机制的探索，走向对植物根际圈利用根系分泌物、根细胞壁等组织结构抗拒、排斥重金属吸收的研究，对细胞内重金属结合多肽的分子动力学，以及重金属结合肽的螯合作用、区室化作用和解毒过程及其微观机制的研究。与此同时，国外许多研究者对有毒、有害和持久性有机污染物在生态系统各分室中的行为、迁移转化与归宿等也做过比较系统的研究，但过去主要集中在酚类物质、多氯联苯、氯代烃类农药、洗涤剂、增塑剂和石油烃，近年来则逐渐转向于一些新合成的化学品如有机磷农药、除草剂和有机染料以及多环芳烃、二口恶英和甲基叔丁基醚（MTBE）等。

大量的资料还表明，磷的非点源污染特别是土壤环境中磷的大量过剩和淋失以及由此导致的生态衰退与水体富营养化问题，是西方发达国家一直未能从根本上解决的最近几年来仍然加剧的问题。因此，生态系统中磷的迁移模型、形态分析及应用化学计量学进行定量描述（例如分配系数Kd、水活性系数Kw和植物有效系数Kp等）是西方发达国家近年来污染生态化学研究的热点问题之一。在西欧，另一营养类化学污染物硫，则随着因长期燃煤引起的酸雨问题的解决，硫在生态系统尤其是农业生态系统中显得越来越缺乏。因此，农业生态系统中硫的补给、有益转化及生物有效性的研究，最近在西欧有升温的趋势。

20世纪90年代以来，由于人们认识到要解决、根除环境污染和生态破坏及其所造成的危害与后果，必须对被污染的环境系统与生物系统之间的相互作用这一动态过程进行系统研究，污染生态过程因此得到了前所未有的重视，今后的重点内容将集中在有生物参与的多介质界面扩散-混合过程、吸附-解吸过程、老化-固定过程、沉淀-溶解过程、络合/螯合-解络过程、吸收-排泄过程、累积-放大过程、生物烷基化过程、次生代谢过程、共代谢过程、降解-合成过程和致毒-解毒过程及其生态化学动力学，特别是这些过程对环境中化学污染物的生物毒性和可利用性的影响。也就是说，污染生态化学今后的趋势将加强对化学污染物在环境中的多介质界面过程（主要包括水-土界面表面扩散与表面吸附过程、土-根界面表面解吸与表面吸收过程和水-土-根界面形态转化过程等）进行研究与探索。

化学污染物的毒理效应及生态风险分析早期

化学污染物的毒理效应及生态风险分析早期，大多研究主要集中于大剂量、高风险化学污染物对生物体的急性毒性效应的研究，涉及的环境介质以水体为主。化学物质对水生生物不可逆转的毒害作用是其研究重点。例如，在西方发达国家，污泥长期使用农田中金属的植物毒性一直受到重视，有关的研究也比较系统。以后，逐渐过渡到环境中化学污染物剂量-效应相关关系的研究以及QSARs模型的建立，特别是以化学污染物对生态系统结构与功能的影响、对种群和种群的胁迫及其化学机制的研究为核心内容，还涉及到环境污染引起的生物耐受性变化、种群依存关系、能量与物质流动变化及群落结构关系污染引起的生物耐受性变化、种群依存关系、能量与物质流动变化及群落结构关系等科学问题。

近年来，污染生态化学注重于在整体上对低剂量化学污染物长期的、慢性的影响及其生物标志物进行研究，通过与已灭绝的生物物种从地球上或地球某一区域消失的过程进行比较，就现有化学污染物对珍稀物种、敏感物种以及对生物多样性胁迫效应作出评价和分析，并深入到分子水平进行主体研究。总的来说，相对于水生生态毒理效应研究，陆生生态毒理学的工作开展相对较晚，有关资料的积累也比较少。

可以说，这是一个非常重要的研究方向，也是西方发达国家一直受到高度重视的热点问题。至今，在各种国际SCI刊物中，以“环境毒理学或生态毒理学”等字样命名的刊物就多达10种以上。

生态系统中复合污染化学问题

国外一些学者在水-水生动物系统、大气（或水、土壤）-植物系统和土壤-微生物系统复合污染等方面做了较多工作，并取得了一些重要成果。但总的看来，水生生态系统复合污染的研究较为系统，而陆生生态系统复合污染的研究还处于起步阶段，目前的研究主要放在重金属之间的交互作用和两种有机污染物共存时的联合毒性方面，对同一介质或生态单元中由重金属和有机污染物之间组成的多种污染物复合污染的研究还很少，有待进一步加强。

现在，很多复合污染的研究结果都带有猜想性，实验也多以急性毒性实验为主，长效实验和蓄积实验较少，一些生物技术的新方法没有充分利用。因此今后对复合污染生态效应过程与机理的研究，将更加有赖于研究过程中充分应用分子生物学的各种技术手段。

复合污染更为接近环境的现状，环境污染也就更依赖于对复合污染的解释，所以在研究中西方各国正在加强复合污染研究成果的应用。例如，国际上现有的饮用水卫生标准、地表水环境标准、食品卫生标准和土壤环境质量标准仅基于单因子污染的生态效应，应用现有的复合污染研究成果，正确评估水、土壤和大气（包括室内和室外）环境质量与生态安全性。对复合污染条件下地表水、饮用水和食品安全指标及土壤环境质量基准进行建议，有助于推动更为符合环境实际、更有助于生态安全和人体健康的各种卫生标准和环境标准的制定，更好地服务于环境保护工作和人体健康的要求。

目前，世界上大多数国家对化学污染物危险性的评价包括危害分析、暴露特征指数估算、剂量-效应关系和危险性特征指数计算等4项主要内容，它们主要是针对单一化学污染物存在条件下的情形，而对一种以上化学污染物的危险性评价和定量表征，还缺乏必要的研究和可靠的方式，有待研究和发展。

污染环境的快速准确诊断及其方法的标准化

生态系统是否受到了人为污染，其污染程度如何？需要采用灵敏的和有效的方法予以诊断。在确定生态系统确实已经受到了污染，要判断是否立即需要进行修复以及采用何种方法进行修复，也需要通过对污染进行诊断来回答。污染环境经过修复后，是否达到预定的目标或修复的标准，仍然需要通过修复现场的诊断加以判断。

由鉴于此，国外比较重视对生态系统污染诊断指标体系（包括物理指标、化学指标、生物学指标、生态学指标和生态毒理学指标等），污染诊断的影响因素，和地表水、污染土壤及地下水诊断方法进行研究。通过研究，目前大体上已经建立的污染环境诊断方法有：敏感植物指示法（如症状法、生长量法、清洁度指标法、种子发芽和根伸长抑制法、植物生长半效应浓度法、生活力指标法和斜生栅藻法等）、敏感动物指示法（蚯蚓指示法、线虫指示法和鱼类回避试验法等）、敏感微生物诊断法（如微生物数量指示法、微生物群落结构变化法和发光细菌诊断法）和酶学诊断法等。相比较而言，陆生生态毒理诊断方法相对滞后，主要存在两个方面的问题：（1）方法之间的可比性较差；（2）方法缺乏国际统一性，公认性与规范化不够。

目前，有关这些方法在国家层面以及在国际组织水平上的标准化，是该研究方向的主要趋势与基本走向。

环境对生态系统健康质量与食物安全胁迫

生态系统健康是指生态系统中物质循环和能量流动的正常方式与良好状态，反映了人类活动、社会组织、自然系统和人体健康的关系。由于环境复合污染的发生，生态系统中一些植物成分或优势种、营养循环、土壤有益动物和微生物区系等关键生态组分受到损伤，生态系统健康受到干扰和损害，甚至发生一些疑难疾病或新型疾病。在生态系统水平上，环境污染对陆地生态系统的胁迫，则反映在生态系统本身健康质量的下降。例如，当土壤中有益元素或必需元素与污染物发生交互作用造成其正常循环途径被破坏，土壤健康质量下降，可进一步影响食物的安全性。这就是说，人体健康、食物安全与陆地生态系统健康关系密切。

当前，艾滋病、非洲热带病等综合疑难病症有向北延伸并在温带和寒带地区扩展和扎根的趋势，肥胖狂症等寒温带病则有向南扩展的趋势，军团杆菌病、莱姆氏病的发病率在不断上升，非典型肺炎、新型脑炎、疯牛病、疯鹿病和妇女中毒休克综合症等新型疾病将不时爆发出来。有关这些问题的解决和根治，需要从污染生态化学基础研究着手，以揭示上述这些新型疾病的起源。

污染环境修复与污染控制生态化学

绿化树种净化大气、水生植物净化污染水体是污染环境修复的早期工作，在多个方面取得了进展，成功的例子包括街道树种改良、氧化塘和污水土地处理系统。

近年来，污染土壤及地下水的化学修复和生态修复（包括微生物降解、植物修复和化学-生物联合修复）逐渐得到重视并成为热点问题。化学修复又分为原位化学修复和异位化学修复。其中，零伏铁（Zero-ValentIron）及其化学活性栅（ChemicalReactiveBarrier）技术倍受青睐，它主要针对这一技术的改进及现场应用的化学问题及应用这一技术对土壤及地下水中Cr、As等重金属和石油烃、MTBE、RDX等有机污染物污染的土壤及地下水的修复及其化学机理（如化学氧化、土壤催化氧化、化学还原、化学聚合、化学脱氯等）与生态因子的影响等。在植物修复方面，国际上已报道的超富集植物已有400多种。但是，在这些超富集植物中，大多是Ni超富集植物（约300种），此外还有Co26种、Cu24种、Se19种、Zn16种、Mn11种和Cd1种，而具有同时超积累多种重金属的植物尚未见报道。由于土壤及地下水污染往往呈复合型，当前的修复技术可能只能解决其中某些污染物的污染问题，但对复合型污染土壤及地下水的修复还存在着困难，尤其是土壤及地下水同时受到无机和有机污染物污染时，已有的修复方法更是难以奏效。因此，美国、德国、荷兰、英国等国家在开辟新的污染土壤及地下水修复途径方面加大了力度，尤其对化学-生物联合修复已经看好。

研究内容

污染控制生态化学的研究，目前也逐渐趋于活跃，主要涉及三个方面的工作：

（1）固体废物处理（如卫生填埋）与资源化的土壤、地下水生态化学调控研究；

（2）联系到生态系统的脆弱性与化学敏感性，围绕生态系统退化的生态过程开展研究，在区域或景观水平上寻求有效的生态调控方法或措施；

（3）土壤化学物质（如泥炭、硅铝酸盐和铁锰结核）的提取、加工及在污水处理中的应用。

国内研究

中国开展污染生态化学有关的研究，可以追溯到20世纪70-80年代，那时主要是结合环境污染的实地调查和污水灌区的环境质量评价，开展了重金属和农药在土壤-植物系统中的迁移转化及生态效应、水体污染物的急性毒性与毒理、大气污染对植物的急性影响、水生植物净化污水以及利用种植树木和高粱进行镉土改良等研究。

但是，这些早期的工作仍然赋予以原有母体学科的特色为主，虽涉及面相当广，但由于非常分散、零星，系统深入研究不够，对污染生态化学学科的形成与发展没有起到关键作用。90年代以来，由于污染生态化学在解决环境污染问题中起着越来越重要的作用，国家自然科学基金委员会一直重视这一环境化学新兴分支学科的发展，把其中许多有关的研究内容作为鼓励研究领域或优先资助领域给予倾斜和重点支持。

重视态度

中国科学院高度重视、十分支持这一新兴学科的发展，于1998年专门设立污染生态化学百人计划岗位面向国内外公开招聘。与此同时，以污染生态过程为主要研究方向之一的陆地生态过程实验室被中国科学院批准而成为院重点实验室并进入首批知识创新行列。2000年初，在中国科学院“引进国外杰出人才”科研项目的支持下，污染生态化学百人计划团队得到组建。

之后，生态环境研究中心与水生生态毒理学研究有关的实验室也被批准为院重点实验室。这些进展，标志着中国污染生态化学研究进入到一个新的发展水平，从而奠定了中国科学院这一学科在国家层面上的领先地位。随着污染生态化学与生态过程首届国际学术会议在沈阳的成功召开，中国的污染生态化学研究跻身到了国际先进行列并起到了推动该学科发展的领导作用。

尽管如此，中国污染生态化学的研究基础时至今日仍然十分薄弱，有待进一步强化。在最近国家自然科学基金委员会主持的环境化学学科发展战略研究报告编写过程中，参会专家对环境分析化学、环境污染化学、污染控制化学和理论环境化学等环境化学分支学科的意见比较统一，而唯独对污染生态化学提出了许多异议甚至争论，可略见一斑。

学科展望

污染生态化学仍然是一门处于形成中的年轻“弱势”学科，从学科发展上，不仅需要得到化学、生物学及生态学、地学等已经属于成熟科学的引导，还需要得到国家和中国科学院层面上的“关照”，把污染生态化学作为优先支持领域加以发展。

在研究队伍建设上，要实施重点培育的原则，给予一定倾斜；在项目的支持上，要突出团队的作用，避免分散单干、低水平重复，才能逐渐形成学科优势；在研究方向布置上，应该做到既要避免重复建设、又不能搞“一言堂”，既有分工、又有合作，才能形成合力，才能通过竞争机制而推动学科的向前发展。

学科问题

在今后一段时期内，污染生态化学需要加强研究的科学问题有：

（1）新型疾病与环境介质（水、土壤和大气）污染的关系；

（2）污染土壤的致毒过程、脱毒缓解及应用；

（3）土壤污染生态过程及其化学动力学；

（4）化学污染物互作态及其对化学污染物的生态毒性与生物可利用性影响；

（5）污染土壤修复基准；

（6）生态系统化学污染阻控新方法与新技术。

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