污染生態化學

定義

污染生態化學包括化學污染物在生態系統（包括有機體和人群等）中的形成、轉化過程、作用機制及其生態效應（生物效應）與生態毒理效應等內容。它與環境生態學和環境醫學有密切聯繫。現今對環境化學物質(或化學品)的生物效應與生態毒理效應較為重視，許多國家（如美國、日本、法國和前蘇聯等）以及一些國際組織（如世界衛生組織、聯合國環境規劃署、經濟合作和發展組織、國際科聯環境問題委員會等）進行了大量研究，並制定了有毒化學品的試驗指南與評價方法，提供給世界各國參考使用。

污染生態化學作為環境化學的一個重要分支，污染生態化學在逐漸完善其基本理論的同時，通過學科交叉和再融合，在使其自身成熟的過程中，促進或帶動環境化學及其他分支學科的發展。作為應用生態學的重要組成部分，污染生態化學的研究及其成果的應用，已經成為應用生態學發展與學術創新的催化劑。

隨著世界範圍內環境污染的進一步惡化以及由此導致的不良生態效應在生態系統層面上逐漸地由個體向種群、群落、景觀與區域、全球生態系統等高層次水平的不斷擴展，污染生態化學在研究解決這些複雜問題、治理污染環境的過程中得到了發展。不僅如此，污染生態化學還在國家生態安全、人體健康、鄉村城鎮化、環境規劃、工業清潔生產、農牧漁業可持續發展、農產品安全生產、綠色藥物設計和生物多樣性保護等方面發揮了其它學科不可替代的重要作用。

1.1生態系統中典型化學污染物的行為、遷移轉化與歸宿

20世紀50年代以來，隨著幾次大的污染事件的發生，由於其中幾次與重金屬的污染有關，單一重金屬在食物鏈中的傳輸規律以及在土壤-作物、土壤-水系統中的行為、遷移轉化與歸宿得到了比較廣泛的研究。近年來，這些研究正在從一般的化學行為的觀察走向生理生化水平與分子機制的探索，走向對植物根際圈利用根系分泌物、根細胞壁等組織結構抗拒、排斥重金屬吸收的研究，對細胞內重金屬結合多肽的分子動力學，以及重金屬結合肽的螯合作用、區室化作用和解毒過程及其微觀機制的研究。與此同時，國外許多研究者對有毒、有害和持久性有機污染物在生態系統各分室中的行為、遷移轉化與歸宿等也做過比較系統的研究，但過去主要集中在酚類物質、多氯聯苯、氯代烴類農藥、洗滌劑、增塑劑和石油烴，近年來則逐漸轉向於一些新合成的化學品如有機磷農藥、除草劑和有機染料以及多環芳烴、二口惡英和甲基叔丁基醚（MTBE）等。

大量的資料還表明，磷的非點源污染特別是土壤環境中磷的大量過剩和淋失以及由此導致的生態衰退與水體富營養化問題，是西方發達國家一直未能從根本上解決的最近幾年來仍然加劇的問題。因此，生態系統中磷的遷移模型、形態分析及應用化學計量學進行定量描述(例如分配係數Kd、水活性係數Kw和植物有效係數Kp等)是西方發達國家近年來污染生態化學研究的熱點問題之一。在西歐，另一營養類化學污染物硫，則隨著因長期燃煤引起的酸雨問題的解決，硫在生態系統尤其是農業生態系統中顯得越來越缺乏。因此，農業生態系統中硫的補給、有益轉化及生物有效性的研究，最近在西歐有升溫的趨勢。

20世紀90年代以來，由於人們認識到要解決、根除環境污染和生態破壞及其所造成的危害與後果，必須對被污染的環境系統與生物系統之間的相互作用這一動態過程進行系統研究，污染生態過程因此得到了前所未有的重視，今後的重點內容將集中在有生物參與的多介質界面擴散-混合過程、吸附-解吸過程、老化-固定過程、沉澱-溶解過程、絡合/螯合-解絡過程、吸收-排泄過程、累積-放大過程、生物烷基化過程、次生代謝過程、共代謝過程、降解-合成過程和致毒-解毒過程及其生態化學動力學，特別是這些過程對環境中化學污染物的生物毒性和可利用性的影響。也就是說，污染生態化學今後的趨勢將加強對化學污染物在環境中的多介質界面過程（主要包括水-土界面表面擴散與表面吸附過程、土-根界面表面解吸與表面吸收過程和水-土-根界面形態轉化過程等）進行研究與探索。

1.2化學污染物的毒理效應及生態風險分析

早期，大多研究主要集中於大劑量、高風險化學污染物對生物體的急性毒性效應的研究，涉及的環境介質以水體為主。化學物質對水生生物不可逆轉的毒害作用是其研究重點。例如，在西方發達國家，污泥長期使用農田中金屬的植物毒性一直受到重視，有關的研究也比較系統。以後，逐漸過渡到環境中化學污染物劑量-效應相關關係的研究以及QSARs模型的建立，特別是以化學污染物對生態系統結構與功能的影響、對種群和種群的脅迫及其化學機制的研究為核心內容，還涉及到環境污染引起的生物耐受性變化、種群依存關係、能量與物質流動變化及群落結構關係污染引起的生物耐受性變化、種群依存關係、能量與物質流動變化及群落結構關係等科學問題。

近年來，污染生態化學注重於在整體上對低劑量化學污染物長期的、慢性的影響及其生物標誌物進行研究，通過與已滅絕的生物物種從地球上或地球某一區域消失的過程進行比較，就現有化學污染物對珍稀物種、敏感物種以及對生物多樣性脅迫效應作出評價和分析，並深入到分子水平進行主體研究。總的來說，相對於水生生態毒理效應研究，陸生生態毒理學的工作開展相對較晚，有關資料的積累也比較少。

可以說，這是一個非常重要的研究方向，也是西方發達國家一直受到高度重視的熱點問題。至今，在各種國際SCI刊物中，以“環境毒理學或生態毒理學”等字樣命名的刊物就多達10種以上。

1.3生態系統中複合污染化學問題

國外一些學者在水-水生動物系統、大氣（或水、土壤）-植物系統和土壤-微生物系統複合污染等方面做了較多工作，並取得了一些重要成果。但總的看來，水生生態系統複合污染的研究較為系統，而陸生生態系統複合污染的研究還處於起步階段，目前的研究主要放在重金屬之間的交互作用和兩種有機污染物共存時的聯合毒性方面，對同一介質或生態單元中由重金屬和有機污染物之間組成的多種污染物複合污染的研究還很少，有待進一步加強。

現在很多複合污染的研究結果都帶有猜想性，實驗也多以急性毒性實驗為主，長效實驗和蓄積實驗較少，一些生物技術的新方法沒有充分利用，因此今後對複合污染生態效應過程與機理的研究，將更加有賴於研究過程中充分應用分子生物學的各種技術手段。

複合污染更為接近環境的現狀，環境污染也就更依賴於對複合污染的解釋，所以在研究中西方各國正在加強複合污染研究成果的應用。例如，國際上現有的飲用水衛生標準、地表水環境標準、食品衛生標準和土壤環境質量標準僅基於單因子污染的生態效應，應用現有的複合污染研究成果，正確評估水、土壤和大氣（包括室內和室外）環境質量與生態安全性，對複合污染條件下地表水、飲用水和食品安全指標及土壤環境質量基準進行建議，有助於推動更為符合環境實際、更有助於生態安全和人體健康的各種衛生標準和環境標準的制定，更好地服務於環境保護工作和人體健康的要求。

目前世界上大多數國家對化學污染物危險性的評價包括危害分析、暴露特徵指數估算、劑量-效應關係和危險性特徵指數計算等4項主要內容，它們主要是針對單一化學污染物存在條件下的情形，而對一種以上化學污染物的危險性評價和定量表徵，還缺乏必要的研究和可靠的方式，有待研究和發展。

1.4污染環境的快速準確診斷及其方法的標準化

生態系統是否受到了人為污染，其污染程度如何？需要採用靈敏的和有效的方法予以診斷。在確定生態系統確實已經受到了污染，要判斷是否立即需要進行修復以及採用何種方法進行修復，也需要通過對污染進行診斷來回答。污染環境經過修復后，是否達到預定的目標或修復的標準，仍然需要通過修復現場的診斷加以判斷。

由鑒於此，國外比較重視對生態系統污染診斷指標體系（包括物理指標、化學指標、生物學指標、生態學指標和生態毒理學指標等），污染診斷的影響因素，和地表水、污染土壤及地下水診斷方法進行研究。通過研究，目前大體上已經建立的污染環境診斷方法有：敏感植物指示法（如癥狀法、生長量法、清潔度指標法、種子發芽和根伸長抑製法、植物生長半效應濃度法、生活力指標法和斜生柵藻法等）、敏感動物指示法（蚯蚓指示法、線蟲指示法和魚類迴避試驗法等）、敏感微生物診斷法（如微生物數量指示法、微生物群落結構變化法和發光細菌診斷法）和酶學診斷法等。相比較而言，陸生生態毒理診斷方法相對滯后，主要存在2個方面的問題：1）方法之間的可比性較差；2)方法缺乏國際統一性，公認性與規範化不夠。

目前，有關這些方法在國家層面以及在國際組織水平上的標準化，是該研究方向的主要趨勢與基本走向。

1.5環境污染對生態系統健康質量與食物安全的化學脅迫

生態系統健康是指生態系統中物質循環和能量流動的正常方式與良好狀態，反映了人類活動、社會組織、自然系統和人體健康的關係。由於環境複合污染的發生，生態系統中一些植物成分或優勢種、營養循環、土壤有益動物和微生物區系等關鍵生態組分受到損傷，生態系統健康受到干擾和損害，甚至發生一些疑難疾病或新型疾病。在生態系統水平上，環境污染對陸地生態系統的脅迫，則反映在生態系統本身健康質量的下降。例如，當土壤中有益元素或必需元素與污染物發生交互作用造成其正常循環途徑被破壞，土壤健康質量下降，可進一步影響食物的安全性。這就是說，人體健康、食物安全與陸地生態系統健康關係密切。

當前，艾滋病、非洲熱帶病等綜合疑難病症有向北延伸並在溫帶和寒帶地區擴展和紮根的趨勢，肥胖狂症等寒溫帶病則有向南擴展的趨勢，軍團桿菌病、萊姆氏病的發病率在不斷上升，非典型肺炎、新型腦炎、瘋牛病、瘋鹿病和婦女中毒休克綜合症等新型疾病將不時爆發出來。有關這些問題的解決和根治，需要從污染生態化學基礎研究著手，以揭示上述這些新型疾病的起源。

1.6污染環境修復與污染控制生態化學

綠化樹種凈化大氣、水生植物凈化污染水體是污染環境修復的早期工作，在多個方面取得了進展，成功的例子包括街道樹種改良、氧化塘和污水土地處理系統。

近年來，污染土壤及地下水的化學修復和生態修復(包括微生物降解、植物修復和化學-生物聯合修復)逐漸得到重視並成為熱點問題。化學修復又分為原位化學修復和異位化學修復。其中，零伏鐵(Zero-ValentIron)及其化學活性柵(ChemicalReactiveBarrier)技術倍受青睞，它主要針對這一技術的改進及現場應用的化學問題及應用這一技術對土壤及地下水中Cr、As等重金屬和石油烴、MTBE、RDX等有機污染物污染的土壤及地下水的修復及其化學機理(如化學氧化、土壤催化氧化、化學還原、化學聚合、化學脫氯等)與生態因子的影響等。在植物修復方面，國際上已報道的超富集植物已有400多種。但是，在這些超富集植物中，大多是Ni超富集植物（約300種），此外還有Co26種、Cu24種、Se19種、Zn16種、Mn11種和Cd1種，而具有同時超積累多種重金屬的植物尚未見報道。

由於土壤及地下水污染往往呈複合型，當前的修復技術可能只能解決其中某些污染物的污染問題，但對複合型污染土壤及地下水的修復還存在著困難，尤其是土壤及地下水同時受到無機和有機污染物污染時，已有的修復方法更是難以奏效。因此，美國、德國、荷蘭、英國等國家在開闢新的污染土壤及地下水修復途徑方面加大了力度，尤其對化學-生物聯合修復已經看好。

污染控制生態化學的研究，目前也逐漸趨於活躍，主要涉及3個方面的工作：

1）固體廢物處理（如衛生填埋）與資源化的土壤、地下水生態化學調控研究；

2）聯繫到生態系統的脆弱性與化學敏感性，圍繞生態系統退化的生態過程開展研究，在區域或景觀水平上尋求有效的生態調控方法或措施；

3）土壤化學物質（如泥炭、硅鋁酸鹽和鐵錳結核）的提取、加工及在污水處理中的應用。

中國開展污染生態化學有關的研究，可以追溯到20世紀70-80年代，那時主要是結合環境污染的實地調查和污水灌區的環境質量評價，開展了重金屬和農藥在土壤-植物系統中的遷移轉化及生態效應、水體污染物的急性毒性與毒理、大氣污染對植物的急性影響、水生植物凈化污水以及利用種植樹木和高粱進行鎘土改良等研究。但是，這些早期的工作仍然賦予以原有母體學科的特色為主，雖涉及面相當廣，但由於非常分散、零星，系統深入研究不夠，對污染生態化學學科的形成與發展沒有起到關鍵作用。90年代以來，由於污染生態化學在解決環境污染問題中起著越來越重要的作用，國家自然科學基金委員會一直重視這一環境化學新興分支學科的發展，把其中許多有

關的研究內容作為鼓勵研究領域或優先資助領域給予傾斜和重點支持。

中國科學院高度重視、十分支持這一新興學科的發展，於1998年專門設立污染生態化學百人計劃崗位面向國內外公開招聘。與此同時，以污染生態過程為主要研究方向之一的陸地生態過程實驗室被中國科學院批准而成為院重點實驗室並進入首批知識創新行列。2000年初，在中國科學院“引進國外傑出人才”科研項目的支持下，污染生態化學百人計劃團隊得到組建。之後，生態環境研究中心與水生生態毒理學研究有關的實驗室也被批准為院重點實驗室。這些進展，標誌著中國污染生態化學研究進入到一個新的發展水平，從而奠定了中國科學院這一學科在國家層面上的領先地位。隨著污染生態化學與生態過程首屆國際學術會議在瀋陽的成功召開，中國的污染生態化學研究躋身到了國際先進行列並起到了推動該學科發展的領導作用。

儘管如此，中國污染生態化學的研究基礎時至今日仍然十分薄弱，有待進一步強化。在最近國家自然科學基金委員會主持的環境化學學科發展戰略研究報告編寫過程中，參會專家對環境分析化學、環境污染化學、污染控制化學和理論環境化學等環境化學分支學科的意見比較統一，而唯獨對污染生態化學提出了許多異議甚至爭論，可略見一斑。

污染生態化學仍然是一門處於形成中的年輕“弱勢”學科，從學科發展上，不僅需要得到化學、生物學及生態學、地學等已經屬於成熟科學的引導，還需要得到國家和中國科學院層面上的“關照”，把污染生態化學作為優先支持領域加以發展。在研究隊伍建設上，要實施重點培育的原則，給予一定傾斜；在項目的支持上，要突出團隊的作用，避免分散單幹、低水平重複，才能逐漸形成學科優勢；在研究方向布置上，應該做到既要避免重複建設、又不能搞“一言堂”，既有分工、又有合作，才能形成合力，才能通過競爭機制而推動學科的向前發展。

在今後一段時期內，污染生態化學需要加強研究的科學問題有：

1）新型疾病與環境介質（水、土壤和大氣）污染的關係；

2）污染土壤的致毒過程、脫毒緩解及應用；

3）土壤污染生態過程及其化學動力學；

4）化學污染物互作態及其對化學污染物的生態毒性與生物可利用性影響；

5）污染土壤修復基準；

6）生態系統化學污染阻控新方法與新技術。

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