環(huán)境生物學緒論

1、緒論第一節(jié)環(huán)境科學概述,一、環(huán)境科學與環(huán)境問題1、環(huán)境科學：是以“人類與環(huán)境”這對矛盾為對象，而研究其對立統(tǒng)一關系的發(fā)生與發(fā)展、調(diào)節(jié)與控制，以及利用與改造的科學。1）、“人類--環(huán)境”系統(tǒng)是以人類為中心的生態(tài)系統(tǒng)。環(huán)境科學也就是以這個系統(tǒng)為對象，研究其發(fā)生與發(fā)展、調(diào)節(jié)與控制，以及利用與改造的科學。2）、環(huán)境科學是一門綜合性學科，涉及到自然科學、人文社會科學和工程技術等廣泛領域。,2、環(huán)境問題的由來與發(fā)展,1）、萌芽階段（工業(yè)革命

2、以前，即18世紀60年代以前）人類誕生時，作為天然食物的采集者和捕食者，人類對環(huán)境的影響不大。隨后，人類學會了培育、馴化植物和動物，開始了農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)，這在生產(chǎn)發(fā)展史上是一次大革命。而隨著農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)的發(fā)展，人類改造環(huán)境的作用也越來越明顯地顯示出來，但與此同時也發(fā)生了相應的環(huán)境問題，如大量砍伐森林、破壞草原、刀耕火種、盲目開荒，往往引起嚴重水土流失，水旱災害頻繁和沙漠化。,2）、環(huán)境問題的發(fā)展惡化階段（工業(yè)革命至20世紀50年代

3、前）在十八世紀60年代至十九世紀中葉，生產(chǎn)發(fā)展史上出現(xiàn)了又一次偉大的革命——工業(yè)革命。工業(yè)革命使建立在個人才能、技術和經(jīng)驗之上的小生產(chǎn)被建立在科學技術成果之上的大生產(chǎn)所代替，大幅度地提高了勞動生產(chǎn)率，增強了人類利用和改造環(huán)境的能力。工業(yè)革命大規(guī)模地改變了環(huán)境的組成和結構，從而也改變了環(huán)境中的物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)，擴大了人類的活動領域，同時也帶來了新的環(huán)境問題。,這期間工業(yè)發(fā)達的城市和工礦區(qū)排出大量廢棄物，污染事件不斷發(fā)生。如：1873-

4、1892，英國倫敦多次發(fā)生可怕的有毒煙霧事件；十九世紀后期，日本足尾銅礦區(qū)排出的廢水污染了大片農(nóng)田；1930年12月，比利時嗎斯河谷工業(yè)區(qū)由于工廠排出的有害氣體，在逆溫條件下造成了嚴重的大氣污染事件?？傊?，由于蒸汽機的發(fā)明和廣泛使用以后，大工業(yè)日益發(fā)展，生產(chǎn)力有了很大的提高，環(huán)境問題也隨之發(fā)展且逐步惡化。,3)、環(huán)境問題的第三階段（二十世紀50年代至70年代）震驚世界的公害事件接連不斷： 1952年12月的倫敦煙霧事件

5、； 1953-1956年日本的水俁病事件； 1961年的四日市哮喘病事件； 1955-1972年的痛痛病事件。,形成環(huán)境問題第三階段的主要原因：人口迅猛增加。1900年世界人口為16億，1950年為25億，經(jīng)過50年人口約增加了9億。都市化的速度加快。1900年擁有70萬以上人口的城市，全世界有299座；到1951年迅速增到879座。工業(yè)不斷集中和擴大，能源的消耗大增。1900年世界能源消費量還不到10億噸

6、煤當量，至1950年就猛增至25億噸煤當量。,4）、環(huán)境問題的第四階段（1980年以后）第四階段是伴隨環(huán)境污染和大范圍生態(tài)破壞。人們共同關心的影響范圍和危害嚴重的環(huán)境問題主要是全球性的大氣，如“溫室效應”、臭氧層破壞和酸雨；大面積生態(tài)破壞，如大面積森林被毀、草場退化、土壤侵蝕和沙漠化。二十世紀八十年代突發(fā)性的嚴重污染事件迭起。如： 1984年12月印度博帕爾農(nóng)藥泄漏事件； 1986年4月蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站泄漏事故；

7、 1986年11月萊因河污染事故。,環(huán)境問題第三階段和第四階段有很大的不同：影響范圍不同。危害程度不同。污染源不同。,印度博帕爾農(nóng)藥泄漏事件,萊茵河,危害程度不同第三階段環(huán)境污染雖然對經(jīng)濟造成損害，但問題還不突出。第四階段不但明顯損害人群健康，每分鐘因水污染和環(huán)境污染而死亡的人數(shù)全世界平均達到28人；而且全球性的環(huán)境污染和生態(tài)破壞已威脅到全人類的生存與發(fā)展，阻礙經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展。,污染源不同第三階段的污染來源尚不太復雜，

8、較易通過污染源調(diào)查弄清產(chǎn)生環(huán)境問題的來龍去脈，如水俁病是汞中毒。第四階段的污染源眾多，不但分布廣、而且來源復雜，如赤潮。,補充（一）全球性的環(huán)境問題,1. 全球變暖的危機——溫室氣體排放人類的生存和文明的繁榮與氣候條件密切相關，氣候條件發(fā)生的微小變化，都可能會給人類帶來嚴重的災難性影響。近30年來，地球上的氣候發(fā)生了異常的變化，全球變暖的步伐突然加快，北美出現(xiàn)了歷史上少有的熱浪，非洲長達7年的干旱等等。這些氣候異?，F(xiàn)象及其給人類

9、帶來的嚴重影響，引起了人們的廣泛關注。 問題：溫室效應的機理是什么？,100年來地球表面溫度已上升了0.3-0.6℃，地表溫度的升高也將導致冰川融化，海平面上升。地表溫度的升高，使得某些地區(qū)在短時間內(nèi)發(fā)生急劇的氣候變化，諸如高溫天氣、颶風、暴雨之類的極端天氣的頻率增多。全球氣候變化可能導致一些脆弱的生態(tài)系統(tǒng)如珊瑚礁正處于海溫升高的危險之中。由于氣候條件的不利變化，將對生物物種、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等產(chǎn)生影響。如一些候鳥的種群已經(jīng)有所減少。

10、此外，氣候變化很可能通過各種機制對人類健康和生存產(chǎn)生影響。例如，它會對淡水的利用率和糧食產(chǎn)量產(chǎn)生不利影響，對瘧疾、登革熱和血吸蟲病等傳染病的分布和季節(jié)傳播起到促進作用。,全球變暖的危機——溫室氣體排放,溫室效應增強是導致全球變暖的一個重要原因。由于化石燃料的燃燒和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，人類向大氣中排放大量溫室氣體，其所產(chǎn)生的溫室效應直接影響到地球的輻射收支，導致地球表面溫度升高。幾種溫室氣體所引起的溫室效應增強的作用分別為：二氧化碳55%，氯

11、氟烴24%，甲烷15%，一氧化二氮6%。如果要把大氣中的溫室氣體濃度穩(wěn)定在目前水平，就必須立即大幅度減少二氧化碳的排放量。,全球變暖的危機——溫室氣體排放,,2. 臭氧層的破壞與耗竭——臭氧損耗物質(zhì)的惡果 20世紀70年代后半期以來，科學家發(fā)現(xiàn)在南極上空12-23 km的大氣平流層內(nèi)，臭氧含量開始逐漸減少，尤其在秋季（9-11月）大幅度減少。1985年10月，英國科學家法爾曼等人在南極南緯60°哈雷灣觀測站發(fā)現(xiàn)：在過去1

12、0-15年間，每到春天，南極上空的臭氧濃度就會減少約30%，近95%的臭氧被破壞。從地面上觀測，高空的臭氧層已極其稀薄，稱為臭氧空洞，直徑達上千公里。美國“云雨7號”衛(wèi)星觀測表明，此洞呈橢圓形，大小與美國國土面積相似。日本環(huán)境廳發(fā)表的一項報告稱，1998年南極上空臭氧空洞面積已達到歷史最高記錄，為2720萬平方公里，比南極大陸還大約1倍。,臭氧層遭到破壞，其吸收紫外線輻射的能力將大大減弱，導致到達地球表面的紫外線強度明顯增強。紫外

13、線輻射的增強，會使人體免疫功能下降，皮膚癌、白內(nèi)障和呼吸病患者增加；同時會導致海洋浮游生物、蝦蟹幼體大量死亡，小麥、水稻等農(nóng)作物減產(chǎn)，氣溫上升，給人類健康和生態(tài)環(huán)境帶來嚴重危害。,臭氧層的破壞與耗竭——臭氧損耗物質(zhì)的惡果,臭氧層的破壞主要是由于制冷劑、發(fā)泡劑、推進劑、洗凈劑和膨脹劑中所含人工合成的鹵碳化合物的大量排放，這些物質(zhì)被稱為臭氧損耗物質(zhì)（ODS），在對流層中十分穩(wěn)定，壽命可長達幾十年甚至上百年。ODS化合物隨大氣團運動上升到平

14、流層后，在強烈的紫外線照射下分解出含氯的自由基。這些自由基與臭氧分子發(fā)生反應，使臭氧分子成為普通氧分子，從而導致臭氧層的破壞。,臭氧層的破壞與耗竭——臭氧損耗物質(zhì)的惡果,緒論第二節(jié) 一（二）,3. 生態(tài)系統(tǒng)服務功能的喪失——生物多樣性銳減 生物多樣性是指所有來源的形形色色的生物體，這些來源包括陸地、海洋和其他水生生態(tài)系統(tǒng)及其所構成的生態(tài)綜合體，它包括物種內(nèi)部（遺傳多樣性）、物種之間（物種多樣性）和生態(tài)系統(tǒng)的多樣性?，F(xiàn)存的生物能提供多

15、種環(huán)境服務，如調(diào)節(jié)大氣中的氣體組成、保護海岸帶、調(diào)節(jié)水循環(huán)和氣候、形成并保護肥沃土壤、分散和分解廢棄物、吸收污染物等。生物多樣性也為食物和農(nóng)業(yè)提供遺傳資源，構成了世界食物安全的生物基礎并維持人類的生計。然而，生物所提供的環(huán)境服務多數(shù)既不為人所知，也沒有得到適當?shù)慕?jīng)濟評價。生物多樣性對于人類社會經(jīng)濟的發(fā)展具有歷史的、現(xiàn)實的和未來的價值。,全球生物多樣性正在以空前的速率發(fā)生改變。這種改變的主要驅動力，是土地植被覆蓋的變化、氣候改變、環(huán)境

16、污染、對自然資源的掠奪性獲取以及外來物種的侵入。在過去30年間，物種多樣性的減少凸現(xiàn)為主要的環(huán)境問題。引起物種減少的最重要因素是棲息地的減少和退化。例如，森林和草地開墾為耕地可導致當?shù)貏又参镂锓N的滅絕。在過去30年里，全世界約有120萬平方公里的陸地被開墾為耕地。在最近的全球調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，棲息地的減少是影響83%的瀕危哺乳動物和85%的瀕危鳥類的主要因素。,,生物多樣性的減少將威脅到人類的食物供應，木材、醫(yī)藥和能源的來源，娛樂與旅游的

17、機會，并且干擾了生態(tài)的基本作用，如調(diào)整水流量、水土保持、消納污染物、凈化水質(zhì)以及碳和營養(yǎng)物的循環(huán)等。,,緒論第二節(jié) 一（二）,4. 河流與海洋污染的威脅——污水廢水排放 世界主要河流半數(shù)以上已經(jīng)遭到嚴重的耗竭和污染，河流周圍的生態(tài)系統(tǒng)受到破壞，威脅著人們的健康和生計。城市的發(fā)展伴隨著嚴重的水污染問題，如不完備的污水處理系統(tǒng)或未經(jīng)處理的城市污水給水體帶入大量營養(yǎng)物質(zhì)、金屬和有機污染物。工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的各種污染物，工業(yè)跑冒滴漏或工

18、業(yè)和運輸發(fā)生的事故性污染也會造成水污染?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)大量使用農(nóng)用化學物，有很多途徑可以使農(nóng)用化學物質(zhì)，如農(nóng)藥、化肥等轉移到水體中。,海洋污染是一種全球性污染現(xiàn)象。南極企鵝體內(nèi)脂肪中已檢出DDT，說明污染影響范圍之廣。造成海洋污染最主要的原因，是石油勘探開發(fā)和船舶的海損事故，如油輪擱淺、觸礁、船舶碰撞、石油井噴、石油管道破裂等。大批港口、城市的興起和擴建，大量有害有毒物質(zhì)傾瀉于近海，超過了近海自身的凈化能力，使優(yōu)美純凈的海洋環(huán)境及海洋

19、資源受到嚴重污染。海洋石油污染給海洋生態(tài)帶來了一系列的有害影響，其中包括：使海洋產(chǎn)氧量減少，影響海洋生物的生長與繁殖，從而對整個海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響；降低海洋生產(chǎn)力，從而對人類產(chǎn)生影響等。,河流與海洋污染的威脅——污水廢水排放,補充：（二）我國環(huán)境問題嚴峻,,1. 沙塵暴我國沙漠化及沙塵暴危害日趨嚴重。沙漠化面積從二十世紀50、60年代的每年1560多平方公里，70、80年代的2100平方公里，發(fā)展到90年代的2460平方公里，20

20、05年已發(fā)展到3436平方公里。每年沙漠化吞噬的土地相當于一個中等面積的縣，造成的直接經(jīng)濟損失達500多億元，更為嚴重的是，沙漠化所引發(fā)的沙塵暴也日益頻繁。不僅北京地區(qū)的沙塵暴較為嚴重，西安、沈陽等絕大多數(shù)北方城市都在遭受沙塵暴的襲擊。沙塵暴已經(jīng)波及到了南京、上海等地。過去，沙塵暴主要發(fā)生在春季，而現(xiàn)在即便是冬天也出現(xiàn)揚沙和沙塵暴天氣，2005年冬一些地區(qū)出現(xiàn)的“黃雪”便是一例。,沙塵暴,荒漠化與沙塵暴的成因有兩個方面，一是自然因

21、素，如拉尼娜（反厄爾尼諾）天氣現(xiàn)象。二是人類不合理地經(jīng)濟社會活動，如濫墾、濫牧、濫采、濫伐、濫用水資源是導致?！岸驙柲嶂Z”現(xiàn)象是指南美赤道附近, 約北緯4度至南緯4度，西經(jīng)150度至90度之間, 幅度數(shù)千公里的海水帶的異常增溫現(xiàn)象?？赡苁翘窖蟮谆鹕奖l(fā)或地殼斷裂噴涌出來的熔巖的加熱作用造成洋流變暖，進而導致信風轉弱和逆轉。另有人則推斷，也許是因為地球自轉的年際速度不均造成的。每當?shù)厍蜃赞D的年際速度由加速變?yōu)闇p速之后，便會發(fā)生厄爾

22、尼諾現(xiàn)象。,2. 森林、草原的生態(tài)功能急劇衰退中國森林面積覆蓋率僅為13.92％；人工林樹種單一，病蟲害嚴重；土地退化嚴重,已占國土面積的16％;水土流失面積約占國土面積的38％；全國約有1.7億人口受到荒漠化危害;鹽堿化土地面積占國土面積的8.5％;優(yōu)質(zhì)耕地面積逐年減少，近10年來，每年減少36萬hm2；草地退化面積約占可利用草場的1/3，目前仍以2萬km2的速度增長。,3. 水體生態(tài)平衡嚴重失調(diào)，自然災害日趨頻繁

23、河流斷流日益加重，尤以黃河最為突出；洞庭湖面積已減少了38％；全國缺水城市達300多個，日缺水量1 600萬t；濕地面積不斷縮小，東北三江平原500多萬km2自然濕地目前僅剩200多萬km2，且瀕臨消失的危險。河流區(qū)域性污染嚴重，廣大水系中38％的河段達到或好于地表水3類標準, 1/3以上河段的水體喪失了使用功能。酸雨問題仍然突出，酸雨覆蓋面積約占國土面積的30％.,4. 生物多樣性銳減 全國有15％～20％的動植物種類受到

24、威脅，高于世界平均水平。大熊貓、金絲猴、東北虎、華南虎等20個珍稀物種分布區(qū)域縮小，種群數(shù)量驟減。在聯(lián)合國《國際瀕危物種貿(mào)易公約中》列出的640種瀕危物種中，中國占了1/4。,5. 能源結構性污染突出，工業(yè)污染排放量仍高 大氣污染歸因于以煤炭為主的能源結構和過低的治理水平。1998年我國萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值SO2排放量26kg，遠高于發(fā)達國家的水平。2000年全國SO2排放總量1995萬t，居世界第一。煙塵排放總量1 165萬t；

25、工業(yè)粉塵排放量1 092萬t。水環(huán)境質(zhì)量繼續(xù)惡化，工業(yè)城市廢水中的化學需氧量COD為1 389萬t，在全球均處于高位。幾大水系中，淮河、海河、遼河的水質(zhì)污染狀況已明顯制約了這些流域地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展。,6. 城市污染嚴重 在空氣污染方面，1999年對335個城市進行了綜合分析，在335個城市中，40.5％的城市超過空氣質(zhì)量三級標準，處于中度或嚴重污染狀態(tài)。大城市的汽車尾氣污染日益突出，占空氣NO2污染負荷的50％。1999年全球空

26、氣污染最嚴重的10個城市中，我國占7個，全國600多座城市的大氣環(huán)境沒有幾個達到世界衛(wèi)生組織規(guī)定的標準。在水污染方面， 2000年全國年排污水總量達415.1億t，相當部分未經(jīng)處理直接排入水域。全國城市河段水質(zhì)為5類或劣5類占52％。在噪聲污染方面，多數(shù)城市的噪聲污染處于中等水平，重點城市的區(qū)域噪聲處于輕度或中度污染水平。在垃圾污染方面，城市年產(chǎn)量約為1.4億t。垃圾無害化處理率僅為10％左右，垃圾糞便處理率61.8％，廢棄塑料

27、的“白色污染”問題越來越突出。,,7. 農(nóng)村環(huán)境問題日趨突出 由于傳統(tǒng)的粗放型生產(chǎn)方式，導致農(nóng)業(yè)環(huán)境質(zhì)量下降。牲畜養(yǎng)殖污染物排放數(shù)量大，濃度高，每頭豬的廢物排放量是人的6～7倍，牛則達到20倍。農(nóng)田污水灌溉面積比20世紀80年代增加了1.6倍。農(nóng)藥化肥的過量使用，土壤污染成為潛在的環(huán)境問題。生活污水直接排放到河流或地下水中，導致水體污染。,第二節(jié)、環(huán)境生物學概述,一、環(huán)境生物學定義 環(huán)境生物學（Environm

28、ental Biology）是研究生物與受人類干擾的環(huán)境之間相互作用規(guī)律及其機理的科學，是環(huán)境科學的一個分支學科。1、干擾：人類對生態(tài)系統(tǒng)的污染、影響、破壞2、研究對象:生物與受人類干擾的環(huán)境3；目地：應用生物學理論與方法來控制治理環(huán)境污染，監(jiān)測和評價環(huán)境質(zhì)量，維護生態(tài)平衡和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展二、環(huán)境生物學的研究內(nèi)容與任務,闡明環(huán)境污染的生物學或生態(tài)學效應：探索從分子到生態(tài)系統(tǒng)各級生物水平上環(huán)境污染的效應及其作用機理，研究并發(fā)展環(huán)境

29、質(zhì)量的生物學監(jiān)測與評價的方法，這是認識環(huán)境問題的過程，可為進行有效的環(huán)境管理，以及解決環(huán)境問題提供科學依據(jù)。探索生物對環(huán)境污染的凈化原理，提高生物對污染凈化的效率：隨著時間的推移，環(huán)境污染狀況日趨嚴重，僅僅靠天然自凈能力已無法及時地或充分地凈化環(huán)境中的污染物。因此，環(huán)境生物學就要研究如何利用生物技術和生態(tài)學方法進一步提高生物對污染的凈化能力。探討自然保護生物學和恢復生態(tài)學的原理與方法：了解在人類利用和改造自然的過程中，對自然資源更新

30、能力的影響或危害程度，探索合理利用自然資源的途徑。,,三、環(huán)境生物學的研究方法,野外調(diào)查和試驗： 對人為干擾的環(huán)境進行現(xiàn)場調(diào)查和試驗，通過對環(huán)境因素的確定和對生物各個層次效應的研究，探索環(huán)境中物理、化學或生物因素對生物或生態(tài)系統(tǒng)影響的基本規(guī)律。這種試驗可以以自然環(huán)境為試驗對象，也可根據(jù)研究目的的需要人工設計，以利于控制。,,2、實驗室試驗：通過實驗室的試驗手段，可以進行環(huán)境污染的生物效應和生物凈化過程及其機理的研究。這種研究的優(yōu)點是條件

31、控制比較嚴格，試驗過程可以多次重復，對結果分析比較可靠。但其最大的弱點，或者說，研究者必須盡量注意的是實驗室的條件與野外自然狀態(tài)的區(qū)別，用實驗室的結果去解釋自然環(huán)境的情況必須十分小心。,3、模擬研究：在系統(tǒng)分析原理的基礎上，利用計算機和近代數(shù)學的方法，在輸入有關生物與環(huán)境相互關系規(guī)律的作用參數(shù)后，根據(jù)一些經(jīng)驗公式或模型，進行運算，得到抽象的結果，研究者根據(jù)具體的專業(yè)知識，對其發(fā)展趨勢進行預測，以達到進一步優(yōu)化和控制的目的。,四、環(huán)境生物

32、學的發(fā)展趨勢,1. 生態(tài)毒理學研究發(fā)展 生態(tài)毒理學（Ecotoxicology）是研究環(huán)境壓力對生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的種群和群落的生態(tài)學和毒理學效應，以及物質(zhì)或因素的遷移途徑和與環(huán)境相互作用規(guī)律。生態(tài)毒理學是邊緣學科，是由化學、生態(tài)學和毒理學等學科交叉而發(fā)展起來。,,2. 環(huán)境污染的生物凈化研究趨勢目前廢水生物處理技術發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在：發(fā)展各種對水量、水質(zhì)和毒物等沖擊負荷耐受能力強的工藝，提高出水水質(zhì)的穩(wěn)定性；開發(fā)各種

33、具有高生物相濃度、高傳質(zhì)速度的反應器，以及高負荷下的運轉方式；好氧與厭氧過程結合的各種工藝；微生物的懸浮生長與附著生長相結合，以維持微生態(tài)系統(tǒng)中的生物多樣性；物理和化學方法結合，使生物處理的適用性極大提高，改善生物處理的微生態(tài)系統(tǒng)；研究開發(fā)對高濃度有機廢水、生物難降解物質(zhì)、氮磷營養(yǎng)物質(zhì)等能有效去除的新工藝和新方法。,,3. 環(huán)境生物技術的發(fā)展環(huán)境質(zhì)量的生物監(jiān)測與評價技術的發(fā)展：生物監(jiān)測指標的完善；建立各種生物監(jiān)測手段，其

34、中生物傳感器技術應用具有廣闊的前途。污染凈化和受損環(huán)境修復的生物技術：大量人工合成化合物進入自然環(huán)境，其中許多人工合成物質(zhì)的結構是原來環(huán)境中所沒有的，難于被天然微生物迅速降解轉化。這就需要通過改變生物的遺傳特性，使生物能夠適應，并以這些污染物作為營養(yǎng)物質(zhì)，同時將其分解轉化。這就需要生物工程技術和生物治理技術的發(fā)展。,,保護生態(tài)學,研究生物多樣性的保護；自然保護技術；自然保護區(qū)的建設；協(xié)調(diào)人類與環(huán)境的關系。,,保護