全 文 ：污染生态化学 : 现状与展望 3
周启星 3 3 　孙铁珩　
(中国科学院沈阳应用生态研究所陆地生态系统痕量物质生态过程开放研究实验室 ,沈阳 110015)
【摘要】　随着生态学和环境化学的发展和交叉 ,形成了一门新的学科 ———污染生态化学. 目前 ,它的主要研究
内容包括化学污染物的迁移转化及其微观生态化学过程、化学污染物的生态效应与毒理及生态风险评价、全球
变化的生态化学、生态系统中化学污染物的分析与监测和污染控制生态化学等 5 个方面. 在知识创新的科学目
标指导下 ,污染生态化学今后的工作必须加强从理论上进行突破 ,在对基础研究进行深入的同时 ,应该特别注
意开展一些应用研究 ,从而实现该学科的技术目标和实践目标.
关键词 　污染生态化学 　环境化学 　应用生态学
Current situation of pollution eco2chemistry and its prospects. ZHOU Qixing , SUN Tieheng ( L aboratory of Ecolog2
ical Processes of Trace S ubstances in Terrest rial Ecosystems , Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of Sci2
ences , S henyang 110015) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2000 ,11 (5) :795～798.
As a new discipline , pollution eco2chemistry comes into being with the development and intersection of ecology and en2
vironmental chemistry. Main contents of the subject were summarized : 1) movement and transformation of chemical
pollutants and their microcosmically eco2chemical processes ; 2) ecological effects , eco - toxicology and ecological risk
assessment of chemical pollutants ; 3) ecological chemistry of global changes ; 4) analyses and monitoring of chemical
pollutants in ecosystems ; 5) eco2chemistry for pollution control. Under the guidance of knowledge innovation as its
scientific goal , the research on pollution eco2chemistry will be devoted to a theoretical breakthrough. While doing a
through basic research , we should pay attention to related applied research , in order to implement the technological
and practical goal of the discipline.
Key words 　Pollution eco2chemistry , Environmental chemistry , Applied ecology.
　　3 中国科学院“引进国外杰出人才”及“百人计划”资助项目.
　　3 3 通讯联系人.
　　2000 - 02 - 28 收稿 ,2000 - 04 - 24 接受.
1 　引 　　言
污染生态化学主要阐述生物体与其污染环境相互作
用的化学机理与化学过程及其调控的化学 ,是应用生态
学的一个重要组成部分 ,是生态学与环境化学相融合、相
交叉的产物[19] . 不过 ,污染生态化学作为一门独立的生
态学分支学科还不成熟. 目前 ,在英美发达国家尚未出
现”污染生态化学”的专著 ,更没有”污染生态化学”的教科
书.通过 SCI 数据库的检索表明 ,“生态化学 ( Ecological
Chemistry)”和“污染生态化学 (Pollution Eco2Chemistry)”这
一术语仅仅在最近 4 年内才出现过 5 次.不过 ,这并不表
明污染生态化学的研究不重要或者开展得不多. 大量的
文献表明[1 ,5 ,15 ,17 ,21] ,与污染生态化学有关的研究早已是
相当活跃. 至今 ,污染生态化学研究的基本内容已经确
立.在过去的20 年中 ,这一领域的研究甚至成了应用生态
学研究的基本内容之一[5 ,23 ,24] .
2 　化学污染物的迁移转化及其微观生态化学过程
　　化学污染物在环境中的存在、行为、迁移转化与归
宿的研究 ,是环境化学的重要前沿领域[19 ] . 90 年代以
来 ,许多应用生态学家对这一问题的兴趣逐渐增强 ,他
们从生态学的角度出发 ,把解决问题的焦点放在化学
污染物迁移转化的微观生态化学过程的研究上[15 ] . 其
中 ,受到关注的化学污染物主要有 :重金属 ( Cu、Zn、
Ni、As、Se、Cd、Hg、Tl、Pb 和 Cr 等 ) 、NO -3 、PO3 -4 、
PAHs、CFCs、PCDDs、PCDFs、酚类、石油烃、某些杀虫
剂 (如有机锡) 、有机染料和洗涤剂等. 例如 ,N 和 P 由
于与水体的富营养化作用有关 ,它们在生态系统各分
室间迁移与循环的微观生态化学过程 ,是应用生态学
家关注的主要问题之一. 特别是 ,P 的非点源污染以及
土壤环境中 P 的大量过剩与淋失及其由此导致的生
态衰退问题 ,是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[3 ,4 ,9 ] . 因此 ,生态系统中 P
迁移转化的微观生态化学过程 ,采用形态分析及应用
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. 又如 ,在西
欧 ,随着因长期燃煤引起的酸雨问题的解决 ,S 在农业
生态系统显得越来越缺乏[12 ] . 因此 , S 在生态系统中
迁移转化的微观生态化学过程及生物有效性的研究 ,
应 用 生 态 学 报 　2000 年 10 月 　第 11 卷 　第 5 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Oct . 2000 ,11 (5)∶795～798
最近在西欧有升温的趋势 ,其目的在于既解决 S 的化
学污染问题 ,又不致出现 S 的生态缺乏现象.
化学污染物的微观生态化学过程是污染生态化学
研究的中心问题. 例如 ,石油烃等化学污染物在地下水2土壤2(空气)2植物系统的迁移转化及其运动 ,涉及到
诸如生态水解过程、生态淋溶过程、生态扩散过程、生
态化学吸附/ 解吸过程、生态挥发过程、生态界面渗透
过程、生态降解过程、与生长有关的毒稀释过程、生态
化学适应与生态化学进化过程、生态激活过程和生态
积累放大过程等微观生态化学过程 (图 1) ,它们在各
个等级水平上包涵了环境化学与生态学相交叉的内
容 ,体现了微观生态过程的复杂性机制[5 ,15 ,18 ] .
图 1 　石油烃在生态系统迁移转化所涉及的生态化学过程
Fig. 1 Eco2chemical processes involved in transformation of oil hydrocarbons
in ecosystems.
　　近年来 ,生态因子交互作用对化学污染物迁移转
化及其生态化学过程的影响和生态介质组分 (例如土
壤有机酸、腐植物质、粘土矿物、铁铝氧化物以及根际
微生物)对化学污染物的交互作用 ,受到了人们格外的
重视[6 ,24 ] ,已成为美国、英国和加拿大一些应用生态
学者的研究命题. 例如 ,Myneni 等[18 ]对 Fe ( Ⅱ, Ⅲ) 氧
化物影响 Se 迁移转化进行了研究 ,Neale 等[20 ]就臭氧
耗竭和垂直混合对南极浮游植物光合作用的交互效应
进行了研究. 特别是 ,美国自然科学基金已资助这方面
的研究课题累积达数十项之多.
3 　化学污染物的生态效应与毒理及生态风险评价
生态系统对外来化学污染物的不良反应 ,包括不
适、毒害、疾病、功能丧失甚至死亡或消失 ,表现为生物
个体、种群、群落水平上的差异[1 ,8 ,20～22 ] . 污染生态化
学注重于在整体上对化学污染物长期的、慢性的影响
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.
有关化学污染物对活有机体以及对生态系统结构
和功能的影响和作用 ,主要强调生态毒理学的机制 (表
1) ,目前的研究大致包括[5 ,8 ,15 ,25～27 ] : (1) 化学污染物
的生态暴露分析 ,通过同一物种不同群落的化学污染
物暴露的比较研究 ,或通过不同生态型的遗传分化 ,筛
选、发现耐污染或抗性强的生物群落、生态型及其化学
的、亚分子的和分子的机制并加以利用 ; ( 2 ) 建立
QSARs 毒性预测的系统模型 ,对未进入环境的新合成
的有机化学品的潜在危害进行分析 ; (3)生态效应因果
分析、暴露2效应相关分析、剂量2效应相关分析 ,主要
表 1 　化学污染物的生态毒理学保护与非保护机制
Table 1 Ecotoxicologically protective and non2protective mechanisms of chemical pollutants
生态毒理机制
Ecotoxicological mechanism
实例
Example
后果或效应
Consequence or effect
保护
Protective
1) 单氧酶等代谢酶的诱导
Induction of monooxygenases
使有机化学污染物 ( PAHs、PCBs 和杀虫剂等) 转化为水溶性
代谢产物的速率增加 ,因而增加了排泄的速率
Increase in metabolism and excretion rate
2) 金属硫因的诱导
Induction of metallothionein
与金属束缚的速率和几率增加 ,使金属的生物有效性降低
Decreasing metal bioavailability
非保护
Non2protective 1) 酸性代谢产物的产生Formation of acid metabolines 促进金属的溶解 ,增加对植物的毒性Increase in metal solubility and phytotoxicity
2) 乙酰胆碱酯酶等受到抑制
Inhibition of acetylcholinesterase
有机磷水解过程受到抑制 ,毒害作用的时间延长
Prolong harmful effects
3) DNA 加合物等的形成
Formation of DNA adducts
可能导致基因突变或死亡
Cause gene mutation or death
针对多个物种产生的毒性效应 ,确定生态系统最低毒
性响应值和化学污染物的临界浓度 ; (4) 旨在为生态
管理提供科学依据的污染生态系统的生态风险分析与
生态毒理学诊断及其指标体系的研究 ; (5)从分子水平
上对化学污染物的生态效应进行研究 ,建立分子片断
生态毒理学模型 ; (6)污泥长期使用农田中金属的植物
有效性、毒性及预报 ; (7) 化学污染物对水质及土壤健
康质量的生态影响和演化规律.
4 　全球变化的生态化学
主要通过温室效应联系到 C、N 及其不同化学形
态 (CO2 、CH4 、NO、N2O 和 NO2 等) 在全球尺度上或至
697 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　11 卷
少是大范围的区域水平上的化学作用机理与化学变化
过程的研究 ,特别是全球 CO2 浓度升高对宏观生态化
学过程影响的研究更受重视[1 ,7 ,10 ] . 氧硫化碳 ( COS)
作为硫的还原形式 ,由于可能导致全球致冷效应 ,因而
联系到“全球生态工程”在最近几年也逐渐受到重视 ,
有关 COS 与硫化氢、二甲基硫之间相互转化的生态过
程及远距离迁移动力学研究 ,代表了一个重要的领
域[15 ,22 ] .
由于温室效应 ,全球水的循环更趋不均匀化 (表
2) . 因此 ,一方面是土壤的侵蚀及其造成的生态问题 ,
另方面是干旱带来的沙漠化问题[5 ] . 这两个问题有关
的宏观生态化学过程与化学反应机理的探索 ,也一直
是污染生态化学研究的一个重要内容.
表 2 　温室效应与全球水的循环变化
Table 2 Greenhouse effect and changes in global cycles of water
变化参数
Variety
parameter
平均增加幅度
Average
increment
变化特点
Features of changes
地表气温
Earth’s surface
air temperature
1. 5～2. 8 ℃ 夏季增温幅度最大 ,冬季基本
上不增温或成降温趋势 ,欧洲
的增温幅度将比亚洲小 ,青藏
高原可能是增暖较大的一个
区域
海洋表面水温
Sea2surface
water temperature
1. 1～1. 4 ℃ 北半球海温增高值大于南半
球海温增高值
降水量
Precipitation
0. 04～0. 08mm·d - 1 北半球中高纬度地区增幅最
大 ,热带地区略有增加 ;各地
区降水量相对集中 ,特别是热
带地区的降水在时间上将更
为集中 ,易导致洪涝灾害 ;城
市地区增幅比乡村大 2～5 倍
总云量
Total cloudage
0. 6 %～0. 9 % 变化主要发生在热带地区 ,其
趋势几乎与降水变化趋势相
反
海冰范围的变化
Sea/ ice area
全球将减少 20 %
20 % global decrease
土壤湿度
Soil humidity
0. 02cm 因地区和季节有差异 ,高纬度
地区变湿 ,但我国华东和东北
地区将变干
　　Pb 及其有机金属化合物与衍生物作为全球化学
污染物 ,联系到树木年轮、湖泊和海洋沉积物核心
(Sediment Core)的分析 ,对于漫长时间尺度上全球生
态化学问题的探索 ,同样是人们感兴趣的研究课
题[5 ,9 ,15 ,27 ] .
5 　生态系统中化学污染物的分析与监测
概括地说 ,这主要涉及有机污染分析的色谱技术
和金属污染分析的原子吸收发射光谱技术. 其中 ,色谱
技术又包括气相色谱和液相色谱. 因此 ,归根到底是仪
器的使用问题. 近年来 ,在污染生态化学分析中 ,核磁
共振光谱技术 (NMR)还得到了广泛的应用[2 ] . 特别是
与计算机技术和现代统计技术相结合 ,使污染生态化
学分析得到了迅速发展.
生态系统中污染物的监测由于涉及源、迁移机制
和目标生物 3 个环节 ,主要研究包括源的特性及污染
物释放速率、进入生态系统各分室中的化学污染物及
其数量与分布特征、到达生物体的数量和形态等. 不可
否认 ,化学污染物的生态监测也受到了一定程度的重
视 ,其主要方法目前有群落结构分析法、生物标志法、
微生物化学指示法、生物积累法和生物评价法
等[2 ,5 ,21 ] .
6 　污染控制生态化学
611 　废物处理的生态化学机制
目前 ,主要涉及两个方面 :其一 ,随着污水产量的
日益上升和处理难度的不断增加 ,人们通过对污水处
理生态化学机制的研究 ,以期改进现有的污水处理方
法 ,或发现高效处理污水的新方法 ;其二 ,现有的垃圾
土地填埋技术的一个棘手的问题 ,就是垃圾淋滤液的
次生化学污染. 因此 ,为了解决这一难题 ,人们开展了
有关垃圾填埋淋滤液发生的生态化学过程及其化学机
制的研究. 此外 ,西方国家还致力于研究的污水或固体
废物处理的新技术主要有 :生物技术、等离子弧光技
术、熔盐摧毁技术和超热水技术等. 有关这些新技术对
污水或废物处理的化学问题的研究也在开展.
612 　土壤与水化学过程的生态调控
联系到生态系统的脆弱性与化学敏感性 ,主要围
绕土壤退化的化学过程或水质恶化的化学过程开展研
究[5 ] ,在区域或景观水平上寻求有效的生态调控方
法.特别是通过缓解全球环境变化措施的采用 ,例如 ,
通过减少 N2O 释放消除可能的全球变暖 ,间接地达到
对土壤与水化学过程的生态调控.
613 　污染土壤及地下水化学修复及其生态化学机制
主要包括污染土壤及地下水的化学修复技术及其
机理 (化学氧化、土壤催化氧化、化学还原、化学聚合、
化学脱氯等)与生态因子的作用等. 特别是零伏铁 ( Ze2
ro2Valent Iron) 及其化学活性栅 ( Chemical Reactive
Barriers)技术近年来倍受青睐[11 ,13 ] . 目前的研究主要
涉及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 Cr、As 等重金属和石油烃、
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. 经验表明 ,这一技术具有良好的发展前景.
7 　展 　　望
污染生态化学是一门新兴的边缘学科 ,其科学目
标在于知识的创新 (图 2) . 也就是说 ,它基于环境化学
的基本原理 ,采用现代生态学的实验方法和手段 ,对现
有这两门学科的知识进行交叉和延伸 ,以形成自己的
理论体系和方法论. 在今后的若干年内 ,污染生态化学
7975 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　周启星等 :污染生态化学 :现状与展望 　　　　　　　　　
图 2 　污染生态化学的研究目标及其平衡关系
Fig. 2 Goals and their balance relationships of pollution eco2chemistry .
将解决基础理论研究大大落后于具体的实践这一最为
基本的问题. 因此 ,其基础理论的研究将是一个重点内
容. 通过研究 ,可以明确“污染生态化学”的科学定义及
主要内涵 ,阐明污染生态化学的学科定位以及基本原
理与研究的方法论. 污染生态化学的基础研究 ,今后的
方向 ,将是特别注意与全球和区域生态环境变化问题
相结合[14 ,16 ] ,侧重于对复合污染条件下水2土壤2植物2
动物系统典型化学污染物的宏观生态化学过程及微观
分子反应机理进行研究.
污染生态化学由于是一门应用性十分强的学科 ,
它不仅直接渗入到环境管理与生态风险的评价中 ,更
在环境治理工程方面有它独特的实际应用[13 ] . 因此 ,
必须特别注意对生态化学修复技术和生态化学活性栅
技术进行研究 ,因为它们代表了污染生态化学应用研
究的方向.
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作者简介 　周启星 ,男 ,1963 年 5 月生 ,博士 ,研究员 ,博士生导
师 ,中国科学院第二批“引进国外杰出人才”入选者. 主要从事
污染生态化学和污染控制化学的研究 ,发表学术论文 80 多篇 ,
出版学术专著 7 部. E2mail : Zhouq @mail. sy. ln. cn , 或 Zhouqix2
ing @hotmail. com.
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