环境生物学(普通高等学校环境科学与工程类专业系列教材)

**章绪论 本章导读 环境生物学是一门阐述生物与环境之间相互关系的学科。环境生物学不仅可以用来评价环境质量和污染物的生物效应，而且可以用于治理环境污染。环境生物学是应用生态学，是一门结合生物技术来治理环境污染物的学科，它能有效地控制和治理环境污染，监测和评价环境质量，维护生态系统的平衡，实现人类环境的可持续发展。本章论述了环境生物学的定义、内涵、作用，还有与相关学科的关系及其发展历程、趋势。 **节环境生物学定义与内涵 一、环境概述 （一）环境的定义 环境（environment）一词的含义在生态学和环境科学中是有差别的。环境是一个相对的概念，即相对于一个特定的主体而言，环境的一般含义指某一特定生物体或生物群体所处的空间以及对其产生影响的全部外界因素的集合。在生态学中，环境通常定义为生物与其环境之间的相互关系。显然，生态学中环境概念突出环境的自然特性，主体是生物，而环境是与生物（群）体相关的所有外界因素（通常被区分为生物的和非生物的因素两大类）的集合。在环境科学中，一般以人类为主体，环境是指人类所处的空间以及能与人类发生相互作用的全部外界因素的集合，涉及地球表面与人类相关的各种自然要素及其总和。环境科学中的环境概念在保留环境自然特性的同时，强调其人文特性。它既是人类生存所依赖的空间，也是人类开发利用的对象。 环境是人类生存的物质基础，人类的生产、生活等一切活动都离不开自然环境，它与自然生态系统中的结构和功能密切相关。人类通过生产和消费从自然界中获取生存资源，然后又将使用过的自然物质和各种废弃物归还给自然，从而参与了自然界的物质循环和能量的流动，也就是说人类只是自然环境的一个有机组成部分。 （二）环境问题的产生 人类在发展初期，需求的物质不多，使用大自然的资源有限，砍伐、狩猎等造成的环境问题有限，自然生态系统的恢复能力和正常功能都未遭到过多破坏。随着人类智慧的提高、人口的增加，人类需要的生活物资也相应变多，人类开始发展农业和畜牧业，生存的空间需求变大，人类改造自然环境能力也变强，树木大量砍伐、草原过度放牧、大量圈地饲养动物引起了水土流失、沙漠化、瘟疫等，自然环境发生巨大改变。 18世纪后半叶开始，蒸汽机的发明，代表着**次工业革命的到来，人类的生产能力获得了巨大发展，人类利用和改造自然的能力大大提高。在工业生产初期，废水、废气、废渣等无节制排放，人类对此并没有采取相应的处理，环境污染程度不断加剧。另外，相伴而来的都市化进程、农业化和交通运输的发展也引来很多环境问题，使人类生存的环境越来越恶劣。20世纪，震惊世界的八大环境公害事件相继发生，在工业发达的国家，大气、水体、土壤、噪声、核辐射等环境污染对人类的生存造成了巨大的威胁。1972年在斯德哥尔摩召开的联合国**次人类环境会议上，通过了《联合国人类环境会议宣言》（简称《人类环境宣言》），推动了各国政府和人民积极应对环境问题，维护地球家园，造福全人类。近半个世纪以来，人类一直关注环境污染的治理，开始走向了发展与污染并存、不断治理的时代。由于发展中国家仍需要发展经济，工业是他们的主要发展目标，加上发达国家将本土污染严重的企业都选择性外迁到发展中国家，因此从全球角度来讲，世界环境污染仍然是人类需要解决的问题，温室效应、臭氧层被破坏、雾霾天气频发、酸雨、河流湖泊富营养化、土地沙漠化、固体废弃物增加、生物多样性减少等全球性问题尤为突出。 在生态破坏和环境污染问题中，生态破坏是人类对自然资源的不合理开发引起的，其造成生态失调、生物多样性减少和生产量下降，主要表现为植被破坏、水土流失、土地沙漠化等。环境污染是人类活动所引起的环境质量下降而有害于人类及其他生物的生存和发展的现象。环境污染的产生有一个量变到质变的过程，当环境本身的自净速度比不上被污染的速度时，环境就受到了污染。生态破坏和环境污染这两类问题相互影响和相互作用。环境问题的实质是人类活动超出了环境的承受能力，对其所赖以生存的自然生态系统的结构和功能产生了破坏作用，导致人与其生存环境不协调。 二、环境生物学的定义 （一）生物与生物学 生物是随着地球环境的演化而产生的，是地球环境演化的产物。一切生物都离不开环境，生物必须从环境中获得必需的能量与物质，并且受各种外界环境因素的影响。因此，生物的起源、演化、生存和发展都与环境演变密切相关。生物学是研究生命现象及其机理和规律的学科。地球上各种生物及其运动都是生物学的研究对象，由于地球上生物种类繁多，形态结构复杂，生活习性多样，所以生物学的研究内容非常广泛。 （二）环境生物学 目前，几个较为典型的环境生物学（environmental biology）的定义为：①是生态学的分支学科，以A.G.Tansley提出的生态系统概念作为主要的理论基础；②是研究生物与受人类干扰的环境之间相互作用规律及其机理的科学，是环境科学的一个分支学科；③主要研究异常环境条件与生物系统之间的相互关系；④是研究受污染环境与生物之间相互关系的学科；⑤是研究人类干预造成的异常环境与生物相互作用规律及机理，并应用生物学理论和方法控制污染、监测和评价环境质量、维护系统健康和人类生命系统稳定的一门学科。 环境生物学是环境科学的一个重要分支学科，同时也是一门具有交叉性、边缘性以及综合性的学科，研究内容繁多，涉及的学科领域广泛，对于环境生物学的研究内容、研究对象、研究目的和研究任务等内容，仍有分歧和争论。 现在，环境生物学的定义是研究生物与受人类干扰的环境之间相互作用规律及其机理的科学，是环境科学与工程的一个分支学科。受人类干扰的环境是指人类对生态系统造成的污染和人类活动对生态系统的破坏和影响，主要是对自然资源的不合理利用，如森林乱砍滥伐、草原过度放牧、稀有资源的不断开采等。现在一般将环境生物学狭义理解为污染环境生物学。它以研究受污染的生态系统为核心，向两个方面发展，从宏观上研究环境中污染物对生态系统产生的影响及其反作用，从微观上即在细胞和分子水平上研究污染物对生物产生毒害的作用和机理。另外，也要结合其他相关学科（如污染生态学、环境毒理学、环境生物技术、保护生态学），探索新的知识，发展新的技术和方法，从微观、动态、机理、调控等多个方面推动环境生物学的发展，以便人类更有效地评价环境质量、控制污染、恢复和管理环境。 三、环境生物学的内涵 （一）环境生物学的研究内容 环境生物学的研究对象是被人为干扰的环境条件以及在此环境中的生物。为了合理利用有限环境资源，人类采用科学方法抑制和避免不良自然现象对环境的不利影响，促进人类和环境能够沿着可持续发展的道路稳步前进。 环境生物学主要研究内容包括环境污染引起的生物效应和生态效应及其机理，生物对环境污染的适应及抗性机理，利用生物对环境进行监测、评价的原理和方法以及自然保护等；生物或生态系统对污染的控制与净化的原理与应用；自然保护生物学和生态学及生物修复技术，以及探索生物包括人与自然的关系等。其目的在于为人类维护生态系统健康，保护和改善其生存与发展的环境，合理利用自然和自然资源，为研究受污染环境的治理提供科学基础，促进环境和生物相互关系的和谐发展，以利于人类的生存和社会的可持续发展。 （二）环境生物学的学科特点 （1）具有学科交叉性和综合性的特点。环境生物学涉及环境科学、生物学、生态学、医学、生理学和地理学等众多学科领域。环境本身就是一个多因素构成的复合体，影响因素众多，这就决定了环境生物学本身具有各种学科综合交叉的显著特征。另外，作为一门新兴的交叉性学科，环境生物学围绕环境和生物这两个基本研究实体对象，应用相关学科的理论和原理开展研究。　　 （2）具有显著的基础理论性特点。环境生物学自身的学科性质决定了该学科具有典型的基础理论性，即环境生物学学科理论知识本身就是自然知识的基础知识。人们应用环境生物学原理和方法，对相关的环境污染进行修复和治理，还可以将其应用到环境污染监测和评价中，为人类社会可持续发展服务。 （3）具有明显的时代特征。由于环境生物学是一门综合性学科，其研究的对象和内容随着人类认识水平的提高和发展而变化。特别是随着各种新技术手段的出现、新的生物学理论的提出，环境生物学中相关内容必定发生相应的变动和发展。现代卫星遥感技术的出现，使得环境生物学研究范围扩大到整个地球；电子显微技术的出现，使得环境生物学可以在生物分子、细胞、组织和器官水平上开展深入研究。总之，随着时代进步，人类对环境和生物认识水平和研究手段的不断提高和发展，环境生物学必将，在宏观和微观两个生态层次水平上不断进步。 （三）环境生物学的任务 21世纪以来，环境问题的不断出现引起了各个国家的关注，环境生物学作为环境科学的一个分支，也在不断发展中应对各种新出现的环境问题。 （1）阐明环境污染的生物学或生态学效应。在分子到生态系统各级水平上探索环境污染的效应及其作用机理，研究并发展环境质量的生物学监测与评价的方法，探索生物与环境相互作用的过程与机理，这是认识环境问题的过程，可为进行有效的环境管理、解决环境问题提供科学依据，这也是进行其他环境科学研究的基础。 （2）探索生物对污染环境净化的原理，提高生物对污染净化的效率。在自然环境中，由于环境具有一定的环境容量，污染物一般会通过物理、化学和生物作用，逐步得到净化。但目前环境污染状况日趋严重，仅仅依靠天然自净能力已无法及时地或充分地净化环境中污染物。因此，环境生物学需要探索生物降解污染物的过程和分子机理，研发利用生物进行大气、水和土壤污染治理的技术方法，提出如何利用生物技术和生态学方法进一步提高生物对污染的净化能力，探明生物与环境协同发展的途径。 （3）探讨自然保护生物学和恢复生态学的原理与方法。了解在人类利用和改造自然的过程中人类对自然资源更新能力的影响或危害程度，探索合理利用自然资源的途径，保护生物多样性，实现人类与自然的和谐发展。 （四）环境生物学的研究方法 环境生物学是一门基础理论性学科，同时也是一门应用性很强的学科，是一门涉及学科范围广的综合性学科，所以它形成了自己的一套研究方法体系。 （1）室外调查和试验法。对破坏或污染的环境进行现场实地调查和试验，通过对各种环境因子的测定、调查和研究，来探索、完善环境生物学，是环境生物学中*重要的研究方法之一。只有通过室外调查才能真正了解污染物在环境中的迁移、分布、转化和归宿及其生物效应，也只有通过现场试验（中试规模）才能真正检验某项生物净化技术的可靠性和可操作性及需要解决的问题。实际上很多污染净化技术如活性污泥法、生物膜法、氧化塘等都是通过对自然净化现象的观察而总结出来的。 （2）实验室试验研究。在实验室中，通过控制各种影响因素模拟污染物对自然环境污染的过程，探索污染的生物效应和生物净化过程等机理。实验室处于人工可控情况下，具有很强的稳定性和可重复性，各种影响因素便于控制，能及时调整研究方案，是研究生物学的主要方法之一。当然，实验室也有不足之处，它毕竟与自然环境是有差异的，某些自然因素不易被控制，很多自然过程还难以在实验室重现，将实验室得出的结果应用到室外环境还需进行多次模拟、整合，以保证试验的准确性。 （3）模拟预测。将试验数据利用公式得出结果，并经过计算机软件的数学模型处理，得出概括性的结果，从而对发展趋势进行预测。经过多次的现场试验数据和参数的选择，得到不断更新的拟合度，并根据拟合度获得*佳的模型，环境模拟不仅能预测污染物在环境中的变化规律，而且可以模拟污染物对生物的效应和在水体、土壤中降解转化的规律，从而为分析环境质量演变规律提供理论依据。 在实际的研究过程中，采取什么样的研究方法，往往取决于研究本身，包括具体研究内容、研究目的和要求达到的效果、实验条件的约束、