1、污染生态学编写说明学校自主开发“校本课程”既是国家课程和地方课程校本化、个性化的有效途径，是对国家课程和地方课程进行再加工、再创造，使之更符合学生和学校特点的发展性尝试，也是充分考虑学校课程资源的基础上，以学校和教师为主体，开发旨在发展学生个性特长的、多样的、可供学生选择的新的课程的创造性过程。校本课程努力实现课程的优化和整合，全面实施素质教育，在“发展性学力”的培养中展现前瞻性的教育和教学思想。校本课程的开发，是一个极具挑战性的工程。多年来我校努力优化课程结构，为培养适应时代发展的高素质人才提供富有特色教育生长点，在探索中形成了“必修课、选修课、活动课”三大板块课程改革及若干重点学科课程改革
2、模式，为校本课程的开发奠定了扎实的基础。就教师本身而言，进一步确立了教师即研究者的信念，在课程开发的实践过程中促进了自身的专业发展，这项活动为教师提供了无限的表现与创造的空间。经过教研组申报、学校进行合理分析与评估确定后，充分利用学校现有条件和资源为学生创设自主发展、自主活动的时间和空间，积极探索和建设符合我校校情的、满足学生发展需求的、能展示教师创造才能的一系列校本课程。应该说，我们这套校本课程开发的理念是尊重学生个体的独特性和差异性，是立足学生本位而不是知识本位，课程本身具有基础性、开放性、科学性、实用性。使得承担课程的老师人尽其才，学生各得其所，学校设施物尽其用。我们也希望在校本课程的开
3、发中得到各级领导和专家的指点，使这项工作更加完善，使这个系列的课程内容更加充实和有效。环境生物学主要探讨生物与受损环境之间的相互作用和调控机理。环境生物学是环境科学、生态学、环境毒理学、环境化学、普通生物学等相关科学的交叉学科，它包含了污染生态学、生态毒理学等不同分支学科的内容，该学科主要研究人类活动对生态系统造成的环境污染、生态破坏对人类及生物产生的效应以及人类和生物对这种环境污染、生态破坏产生的响应，其目的在于为维护人类生态健康，保护和改善人类生存与发展的环境，合理利用自然和自然资源提供科学基础，促进环境和生物相互关系以利于人类的生存和社会可持续发展。通过本课程的学习，帮助学生了解环境污染
4、物在生态系统中的行为和对生物体的危害，以及生物体在净化环境污染中的作用，使学生充分理解环境污染和生物之间的相互作用，更深层次地认识到环境保护的重要性，并达到培养和训练学生认识生物与环境的相互关系及其基本规律，了解和掌握环境生物学的基本知识。通过本课程的学习，学生应掌握环境生物学的基本理论、研究方法和技术，同时拓宽学生的学术视野和知识结构，提高学生整体综合素质，为今后进一步的学习和工作打下良好的基础。 目 录第1章 绪论 1第一节 生态系统 1一、生态系统基本概念 1二、生态系统组成成分和结构 1三、生态系统基本功能 4四、生态系统基本特征 6五、生态系统类型划分 7第二节 生态环境问题 8一、
5、生态系统的化学品污染 8二、全球大气污染与气候变化及生态灾难 8三、酸雨对生态系统的污染 9四、水生生态系统污染与湖泊富营养化及海洋赤潮 9五、臭氧层耗竭及其对人类生态系统的危害 9六、土壤侵蚀与沙漠化加剧及其对生态系统的污染胁迫 10第三节 污染生态学 10一、学科定义与内涵 10二、学科未源及归属 11三、学科分支及划分 11四、学科的基本原理 12五、土壤植物系统污染生态学特征及其指标 13第2章 污染生态过程 15第一节 生态系统中化学污染物的扩散混合过程 15一、大气湍流扩散过程 15二、海洋湍流扩散过程 15三、河流湍流扩散混合过程 16四、土壤污染及扩散过程 16第二节 化学污染
6、物的吸附解吸过程 18一、吸附的一般概念 18二、吸附解吸过程中的几个概念 18三、土壤/沉积物的吸附作用 19四、影响污染物在土壤及其他载体上吸附过程的因素 20五、疏水性有机污染物在土壤沉积物中的吸附机理 22第三节 化学污染物的溶解沉淀过程 23第四节 化学污染物的络合解离过程 23第五节 污染生态系统中的烷基化过程 24一、生物烷基化过程 24二、非生物烷基化过程 25第六节 化学污染物的生物降解合成过程 25一、生物降解过程 25二、共代谢过程 26三、生物合成过程 26第七节 化学污染物的动植物吸收摄取过程 27一、植物吸收过程 27二、动物摄取吸收过程 28第八节 化学污染物的生
7、物累积放大过程 29第3章 污染生态效应及其评价 30第一节 污染生态效应的概念 30一、什么是污染生态效应 30二、污染生态效应的发生及其机制 30三、污染生态效应的基本类型 32第二节 生态系统污染效应 35一、森林生态系统污染效应 35二、草原生态系统污染效应 35三、水生生态系统污染效应 37四、海洋生态系统污染效应 41五、 农田生态系统污染效应 43六、城市生态系统污染效应 46第三节 污染生态效应评价原则与指标体系 46一、污染生态效应评价的重要性 46二、生态效应评价的基本原则 47三、污染生态效应评价指标体系 47第四节 污染生态效应评价的类型与方法 49一、评价的类型 49
8、二、评价的方法 49第五节 污染生态效应评价的内容 50一、生态系统组成、结构与功能变化的研究 51二、污染物的物理化学性质及生态毒理学效应的研究 51三、监测网点的布设与模拟系统的建立 51四、获得生态系统污染的数据 51五、污染生态效应预测研究 52六、提出污染生态效应控制对策 52第六节 案例研究霍林河露天煤矿污染生态效应评价 52一、霍林河矿区自然环境状况 52二、污染生态效应预测研究 53三、污染生态效应预测研究 53第4章 污染生态诊断与监测分析 56第一节 污染生态诊断 56一、生态系统污染诊断的目的和意义 56二、污染生态诊断原理 56三、污染生态诊断方法 60第二节 污染生态
9、监测 69一、什么是污染生态监测 69二、监测点和采样时间的选择 69三、污染生态监测程序及质量保证 72第三节 污染生态分析方法 73一、化学分析法 73二、光谱分析法 76三、色谱分析法 78四、酶学分析法 82第5章 微生物污染生态学 84第一节 微生物生态效应 84一、土壤污染的产生 84二、土壤微生物 84三、微生物功能对土壤生态的指示作用 85四、农药对土壤微生物的生态效应 85五、重金属对土壤微生物的生态效应 88六、有机污染物对土壤微生物的生态效应 91第二节 土壤污染物的微生物净化与修复 93一、生物净化 93二、生物修复 94三、主要生物修复技术 94第三节 植物修复及其对
10、土壤微生物生物修复的促进作用 100一、植物生物修复法的基本假设 100二、植物修复的特点 100三、植物根圈对微生物活性的促进效应 101四、植物根圈化学因素对微生物群落的影响 101五、植物根圈的物理因素 102六、生物可利用性 102七、植物微生物污染物在根圈的相互作用 102八、植物对PAHs脱毒的可能机理 103九、植物对PAHs污染土壤生物修复的短期效应 103十、植物对PAHs污染土壤植物修复的方法论 103十一、影响植物修复的因素 103十二、植物很圈的生物降解过程 104十三、微生物植物相互作用 105十四、植物生物修复研究现状、优缺点及今后任务 107十五、植物修复技术尚待
11、研究的问题 108第6章 生态系统污染控制与污染生态工程 109第一节 污染生态工程学的原理与方法 109一、生态工程学产生的背景 109二、生态系统的自净功能 109三、生态工程学原理 109四、生态工程的建设程序 111第二节 生态系统对环境污染的净化功能 111一、土壤-植物系统及其净化功能 111二、水生生态系统及其净化功能 113三、生态工程系统净化污染物的生态学特征与优势 115第三节 污水生态工程土地处理技术 116一、污水土地处理的总体特征 116二、污水土地处理工艺类型概述 117三、土地处理系统的净化机理 120四、土地处理系统的净化功能 121五、土地处理系统的设计 12
12、1第四节 污水稳定塘处理技术 122一、稳定塘系统分类 122二、兼性塘 123三、厌氧塘 123四、曝气塘 123五、好氧塘 124六、水生植物塘 124七、生态系统塘 124第五节 固体废物处理生态工程 125一、固体废物处理生态工程模式 125二、城市生活垃圾堆肥技术 125三、城市垃圾的蚯蚓处理生态工程方法 126四、污水污泥的堆肥与土地处理利用 127第六节 大气污染防治的生态工程 128一、大气污染的主要类型 128二、植物对大气中化学污染物的净化作用 128三、植物对大气物理性污染的净化作用 129四、植物对大气生物污染的净化效果 129第七节 矿山生态恢复与环境污染控制 130
13、一、矿山开发生态破坏的过程与特征 130二、矿山生态恢复与环境污染控制的生态工程技术 130第八节 污染生态工程的效益分析 130一、污染生态工程的效益 130二、污染生态工程效益评价的基本特点 131三、污染生态工程的效益评价方法 131四、污染生态工程的综合评价指标体系 133五、污染生态工程效益分析实例 133第7章 污染土地就地修复革新技术 136第一节 就地土壤蒸气浸提技术 136一、 一般概述 136二、技术关键 136三、技术创新 137第二节 就地土壤淋洗及泥浆反应器技术 137一、一般概述 137二、技术关键及适用性 137三、泥浆反应器技术 138第三节 就地化学修复及化学
14、活性栅技术 138一、一般概述 138二、技术关键 139第四节 就地生态修复及综合技术系统 140一、一般概述 140二、 技术关键 140第8章 生态系统污染综合防治规划 143第一节 生态系统污染综合防治的概念 143一、什么是生态系统污染综合防治 143二、生态系统污染综合防治的重要性 143三、生态系统污染综合防治规划 143第二节 生态系统污染综合防治规划的指导思想、原则和依据生态系统 143一、指导思想 143二、生态系统污染综合防治规划的原则和依据 144第三节 生态系统污染综合防治规划编制的程序、内容与方法 144一、环境调查与评价 144二、污染生态预测 146三、提出生态
15、系统污染综合防治方案 149第四节 生态系统污染防治规划的实施 150第五节 水污染综合防治规划案例研究 150一、技术支撑 151二、三峡工程区水污染综合防治规划的基础 151三、三峡工程区水污染综合防治规划的建立 152第1章 绪论 生态学，简而言之，是研究生物与环境相互关系及其调控的科学。它是一门既古老、又新颖的科学。其朦胧的生态学思想，最早可追溯到公元前20001000年的古希腊和古代的中国。现代生态学的发展，是解决日益严重的生态环境问题的需要。因此，污染生态学在生态学发展中，只有重要的地位。第一节 生态系统一、生态系统基本概念 生态系统(ecosystem)是生态学也是污染生态学最重
16、要的概念之一。这一概念最早是由英国植物生态学家A.G坦斯利(1ansly)于1935年首先提出的。他认为，生态系统的基本概念是物理学上使用的“系统”整体，这个系统不仅包括有机复合体，而且包括形成环境的整个物理因素复合体。因此生态系统可定义为在任何规模的时空单位内由物理化学生物学活动所组成的一个系统。可以看出，坦斯利定义的实质强调的是生态系统各组分之间功能上的统一性。这一概念在20世纪50年代得到了较为广泛地传播，60年代以后逐渐成为生态学研究的中心。 1971年，世界著名生态学家E.P.奥德姆(Odum)根据许多生态学者的观点，对生态系统这一重要概念进行了科学凝炼，指出：生态系统就是包括特定地
17、段中的全部生物和物理环境的统一体。他认为，只要有主要成分，并能相互作用和得到某种机能上的稳定性，那怕是短暂的，这个整体就可视为生态系统；具体讲，生态系统又可定义为一定空间内生物和非生物成分通过物质的循环、能量的流动和信息的交换而相互作用、相互依存所构成的生态学功能单元。按生物学谱划分的组织层次，生态系统是研究生物群落与其环境间相万作用关系及其作用规律的、所以，生态系统是个功能单位而不是生物学的分类单位。 早在20世纪五六件年代，我国生态学界曾引用过由前苏联生态学家苏卡乔夫(1944)提出的“生物地理群落”这个科学概念，它是指在一定地表范围内相似的自然现象即人气、岩石、植物、动物、微生物、土壤、
18、水文等条件的总和。1965年在哥本哈根国际生态学会上决定，生态系统和生物地理群落是同义语这个决定已被各国广大生态学家所接受，但目前各国使用最广泛的还是生态系统这一术语，我国的情况也是如此。 生态系统可以是一个很具体的概念，一个池塘、一座别墅、一片森林或一块草地都是一个生态系统。同时，它又是在空间范围上抽象的概念。生态系统和生物圈只是研究的空间范畴及其复杂程度不同。小的生态系统联合成大的生态系统，简单的生态系统组合成复杂的生态系统，而最大、最复杂的生态系统就是生物圈。总之，生态系统可以概括为：自然界一定空间的生物与环境之间相互作用、相互制约、不断演变、达到动态平衡、相对稳定的统一整体，是具有一定
19、结构和功能的单位。生态系统的核也问题，是结构、功能及其调节机制。二、生态系统组成成分和结构1生态系统的组成成分 生态系统的组成成分是指系统内所包括的若干类相互联系的各种要素。生态系统由两部分、四个基本成分所组成。两大部分就是生物和非生物环境，或称之为生命系统和环境系统。四个基本成分是指生产者、消费者、还原者和非生物环境。 (1)非生物环境 包括气候因子(如光照、热量、酶水、温度、空气等)和营养因子(无机物质，如C、H、O2、N2及矿质盐分等；有机物质，如碳水化合物、蛋白质、脂类及腐殖质等)以及生物赖以生存的无机介质(土壤和水体)。 随着工农业生产的发展，非生物环境受到了人类活动的强烈干扰。例如
20、，长期的工业燃烧，大气中CO2浓度不断上升，由此导致了全球气温的升高；有毒化学品的长期释放，水体和土壤环境中有害物质大量增加。由于生物和人类本身对非生物环境变化和有毒物质都有一个忍受区间(图1-1)，必须采取适当措施限制CO2的释放、消除化学污染的发生。 (2)生产者 是生物成分中能利用太阳能等能源，将简单无机物合成复杂有机物的自养生物，如陆生的各种植物、水生的高等植物和藻类，还包括一些光能细菌和化能细菌。生产者是生态系统的必要成分，它们将光能转化为化学能，是生态系统所需一切能量的基础。 (3)消费者 是靠自养生物或其他生物为食而获得生存能量的异养生物，主要是各类动物。消费者包括的范围很广。其
21、中，有的直接以植物为食，如牛、马、免、池塘中的草鱼以及许多陆生昆虫等。这些食草动物称为初级消费者。有的消费者以食草动物为食，如食昆虫的鸟类、青蛙、蜘蛛、蛇、狐狸等。这些食肉动物可统称为次级消费者。食肉动物之间又是“弱肉强食”，由此，可进一步分为三级消费者、四级消费者，这些消费者通常是生物群落中体型较大、性情凶猛的种类。消费者中最常见的是杂食性消费者，如池塘中的鲤鱼、大型兽类中的熊等，它们的食性很杂，食物成分季节性变化大，在生态系统中，正是杂食性消费者的这种营养特点构成了极其复杂的营养网络关系。 生态系统中还有两类特殊的消费者，一类是腐食消费者，它们是以动植物尸体为食，如白蚁、秃鹰等；另一类是寄
22、生生物，它们寄生于生活着的动植物体表或体内，靠吸收寄主养分为生，如虱子、蛔虫、线虫和菌类等。 (4)还原者 亦称分解者，这类生物也属异养生物，故又称小型消费者，包括细菌、真菌、放线菌和原生动物。它们在生态系统中的重要作用是把复杂的有机物分解为简单的无机物，归还到环境中供生产者重新利用。大部分自然生态系统都具有上述四个组成成分。一个独立发生功能的生态系统至少应包括非生物环境、生产者和还原者三个组成成分。生态系统四个基本成分间的相互关系和作用见图1-2。2. 生态系统的结构生态系统的结构包括营养结构、物种结构、空间结构和时间结构。 (1)营养结构 生态系统各组成成分之间建立起来的营养关系，构成了生
23、态系统的营养结构(图1-3)，它是生态系统中能量流动和物质循环的基础。一般地，生态系统通过这种营养关系建立起来的链锁关系，又称为“食物链”，可以分为这样四类：捕食性食物链，以植物为基础，其基本形式为：绿色植物一小动物一大动物；碎食性食物链，以碎屑物(由经微生物作用的植物性半降解性物质及微小藻类构成)为基础，其基本形式为：碎屑物一碎屑物消费者一小肉食性动物一大肉食性动物；寄生性食物链，以大动物为基础，由小动物寄生到大动物身上构成，如大型动物一跳蚤一原生动物一细菌一过滤性病毒；腐生性食物链，以腐烂的动植物尸体为基础，由微生物的降解作用构成这类食物链。 在早期的生态学研究中，生态学者大多围绕生态系统
24、内食物网及其相互关系进行研究。近一二十年来，人们对食物网的研究，已取得了重要进展，已经从理论上认识到：食物网很少是环状的；食物链不长，平均为4节；顶极种、中位种、底基种的比例相当稳定；各类链节(底基节、中中节、顶顶节等)的相对比例也很稳定；链节数/物种数比率也相当稳定。考亨指出，食物网理论是非常有用的，它至少能起到的作用包括：引种和有害生物防治结果的预测和估算；自然保护区的生态设计；有毒物质沿食物链的积累与放大；人在自然界的地位和作用。 (2)物种结构生态系统中生物的组成，各类生态系统的差异很大，如水生生态系统的生产者主要是浮游藻类。而森林生态系统中的生产者是一些高达几米，甚至几十米的乔木和各
25、种灌木。而且，即使一个比较简单的生态系统，要全邢搞清它的物种结构也比较困难。在实际工作中，人们主要是以群落中的优势种类，生态功能上的主要种类或类群作为研究对象。目前，一些学者还将生态系统中的物种，按其对资源利用方式划分为同资源功能组和异资源功能组。同资源功能组内物种间竞争激烈，异资源功能组内物种竞争不强。在维持生态系统结构稳定性方面，关键种具有最重要的作用。这种作用，主要表现在，如果系统中不存在关键种、关键种消失或关键种被其他非关键种取代，生态系统面貌就会完全改变。 生态系统中的指示种，具有重要的实际应用价值，它包括对污染生态系统进行诊断、监测以及指示生态系统受到其他人为干扰或破坏，或系统结构
26、和功能的恢复或变异性规律。 (3)空间结构 是生物群落的空间格局状况，包括群落的垂直结构(成层现象)和水平结构(种群的水平配置格局)。例如，一个森林生态系统，在空间分布上，自上而下具有明显的成层现象，地上有乔木、灌木、草本植物、苔藓植物，地下有深根系、浅根系及根系微生物和微小动物。在森林中栖息的各种动物，也都有其相对的空间位置，包括在树上筑巢的鸟类、在地面行走的兽类和在地下打闹的鼠类等。在水平分布上，林缘、林内植物和动物的分布也有明显的不同。 (4)时间结构主要是指物种的时间变化关系和发育特征，构成一个完整的季相。例如，一个位于南方地区的农田生态系统，春天小麦和油菜生长；到了夏季，则变成生长的
27、水稻；到了秋季，开满花的紫云英则又取代了水稻作物。三、生态系统基本功能 生态系统中生物的生产、物质循环以及相应的能量流动和信息传递过程，是生态系统的四大基本功能。1生物生产 生态系统中的生物生产包括初级生产和次级生产两个过程。前者是生产者(主要是绿色植物)把太阳能转变为化学能的过程，故又称之为植物性生产。后者是消费者(主要是动物)的生命活动将初级产品转化为动物能，故称为动物性生产。与生态系统初级生产相对应，是初级生产力这一重要的定量指标。它通常是指太阳能转化为潜在生物质能的速率、单位为每年每平方米产生的千卡生物质能。其中，生物质生产总速率被称为总初级生产力(LPP)。对于植物来说，由于还有一部
28、分能量用于其自身生长的需要，即细胞呼吸(R)。海湾和礁石区是海洋生态系统在单位面积上有着最大总初级生产力的地区；在陆地上，则以潮湿温带森林、燃料辅助农业和湿热带亚热带森林地区的总初级生产力最大。因此，对这些区域的保护，对于维持全球的繁荣、保证人类生活质量，是至关重要的。有关生态系统生产力以及它与输入的营养流之间关系的研究，是生态学最基础的研究课题；而关于化学污染对生态系统生产力影响及其机制的研究，是污染生态学的一个重要内容。2物质循环生态系统中的物质主要是指维持生命活动正常进行所必需的各种营养元素，包括C、H、O、N、P和S等。这些物质也是通过食物链各营养级传递和转化的，从而构成了生态系统的物
29、质流动。物质循环不是单方向的。同一种物质可以在食物链的同一营养级内被生物多次利用生态系统中各种有机物质经过分解者分解成可被生产者利用的形式归还到非生物环境中而被重复利用，周而复始地循环，这个过程分为两个阶段：环境循环阶段和有机体循环阶段(图1-4)。碳循环是生态系统中最重要的营养循环之一。其基本的生物地球化学过程是：大气分室中的碳被陆地分室和海洋分室中的植物和介质吸收后，通过绿色植物的光合作用把无机碳转化为有机碳；然后通过生物学过程、生态化学过程以及人类活动的作用把有机碳转化为CO2再返回大气分室。图1-5描述了这一复杂的基本过程。在这些互逆的转化过程中，包含了有机体分室和大气分室之间的碳转化
30、，大气分室和海洋分室之间的CO2交换，以及矿质燃料的形成与降解和人类活动的干预等这些复杂的过程。在正常情况下，碳进入分解系统和再以CO2的形式从分解系统中排出，二者处于动态平衡状态。 水循环是生态系统中员重要的物质循环之一，它包括蒸发作用、蒸散作用、降水作用、径流与入渗作用等基本过程。具体地说，就是海洋、湖泊和河流中的水被不断地蒸发，变成水蒸气进入大气圈，遇冷则凝结成雨、雪等降落到地面上；降到地面的水有一部分流入江河、湖泊，最后汇入海洋；另一部分渗入地下，成为地下水，部分又被植物吸收；被植物吸收的水。除少量与生物组织结合外，大部分通过蒸腾作用返回到大气或通过排泄作用进入水体。总之，在水循环这一
31、毫不间断的过程中，主要的关键是水存在三态：气态、液态和固态。氮循环对于生态系统的可持续发展，也相当重要。它兼有气体型循环和沉积型循环的特点。由于合成作用的发生，当分子氮被同化为有机氮化合物(诸如蛋白质、核苷酸和维生素等)，使氨的气体型循环转化为沉积型循环。与合成作用过程相反，降解作用过程则使蛋白质降解为氨基酸和氨。这两个“互逆”的转化过程，构成了氮的一个完整的循环体系。在全球水平上，火山喷发和森林火灾则是氮从沉积型循环转化为气体型循环的两个主要自然生物地球化学过程它与合成作用在地质学时间内构成了氮的另一个完整的循环体系(见图1-6)。在生态系统中，磷循环的主要生物地球化学过程包括：岩石的风化(涉及机械的、化学的和生物化学的作用)释放、磷被陆地生物吸收利用及通过降解回到土壤分室、磷在地下水与土壤颗粒之间的交换反应、磷在淡水湖泊中的迁移转化、河流对可溶性磷和颗粒磷的搬运并通过海湾到海洋的迁移。从这些过程，我们可以发现，在生态系统中，以磷酸盐为中心，存在着三支循环路线：二支生物
