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文档简介
5. 污染物的毒性 5.1 毒物 5.2 毒物的毒性 5.3 毒物的联合作用 5.4 毒作用的过程 5.5 毒性作用的生物化学机制 毒物指进入生物机体后能使体液和组织发生生物化学的变化,干扰或 破坏机体的正常生理功能,并引起暂时性或永久性的病理损害,甚至 危及生命的物质。 毒物与非毒物之间不存在绝对的界限。进入机体的物质的量等限制因 素的改变,有可能使毒物变为非毒物,反之亦然。大多数环境污染物 质都是毒物。 毒物的种类: 按作用机体的主要部位,可分为作用于神经系统、造血系统、心血管系统 、呼吸系统、肝、肾、眼、皮肤的毒物等。 根据作用性质,毒物可分为刺激性、腐蚀性、窒息性、致突变、致癌、致 畸、致敏的毒物等。 在环境化学研究中最引人关注的毒物包括重金属、放射性元素、化学 农药、苯及其同系物、稠环芳烃、氯代烃、酚、氰、n-亚硝基化合物 、胺类化合物、多氯代二苯并恶英(pcdd)和多氯代二苯并呋喃( pcdf)等。 2,3,7,8-四氯二苯并二恶英(tcdd)是目前已知的有机毒物中毒性最强的 化合物,其毒性是ddt的10000倍,只要摄入0.000001g就会严重损害人体 健康。 不同毒物或同一毒物在不同条件下的毒性,常有显著的差异。影响毒物 的毒性的因素很多,也很复杂。概括来说包括: 1) 毒物的化学结构及理化性质(分子立体构型、分子大小、官能团、溶解 度、电离度、脂溶性等) 2)毒物所处的机体因素(机体组成、性质等) 3)机体暴露于毒物的状况(剂量、浓度、暴露时间、频率、总时间、部位 及途径) 4)生物因素(生物属种差异、年龄、体重、性别、遗传及免疫情况、营养 及健康状况等) 5)生物所处的环境(温度、湿度、气压、季节及昼夜节律的变化、光照、 噪声等) 其中,关键因素是毒物的结构与性质和毒物的剂量(浓度)。 毒理学中把毒物剂量(浓度)与引起个体生物学的变化,如脑电、心电 、血相、免疫功能、酶活性等的变化称为效应。把引起群体的变化,如 肿瘤或其他损害的发生率、死亡率等变化称为反应。研究表明,毒物的 剂量(浓度)与反(效)应变化之间存在着一定的关系,称为剂量-反 (效)应关系。大多数毒物的剂量-反(效)应关系呈s形。 根据剂量大小引起毒性作用快慢的不同,将毒物作用分为急性、慢性、 亚急性(慢性)三种。 高剂量毒物在短时间内进入机体致毒为急性毒作用。 低剂量毒物长期逐渐进入机体,累积到一定程度后而致毒为慢性中毒。 介于上述两者之间的为亚急性(慢性)毒作用。 急性毒作用一般以半数有效剂量(ed50)或半数有效浓度(ec50)来表 示。ed50和ec50分别是毒物引起一群受试生物的半数产生同一毒作用所 需的毒物剂量和毒物浓度。 ed50和ec50数值越小,毒物的毒性越高,反之,则毒性越低。 半数有效剂量或半数有效浓度,若以死亡率作为毒作用的观察指标,则 称为半数致死剂量(ld50)或半数致死浓度(lc50)。 慢性毒作用以阈剂量(浓度)或最高允许剂量(浓度)来表示。 阈剂量是指在长期暴露毒物下会引起机体受损害的最低剂量。 最高允许剂量是指长期暴露在毒物下,不引起机体受损害的最高剂量。 阈剂量或最高允许剂量越小,毒物的慢性毒性越高,反之,慢性毒性越小 。 两种或两种以上的毒物,同时作用于生物体所产生的综合毒性称为 毒物的联合作用(交互作用)。毒物的联合作用通常分为四类: (1)协同作用 指联合作用的毒性大于其中各个毒性成分单独作用毒性的总和。就 是说,某一种毒物的存在能够增加其他毒物对生物体的毒性,使混 合毒物的毒性增加的作用。 产生协同作用的机理相当复杂,不同的毒物之间所产生协同作用的机 理也不相同。通常从一种毒物可以促进生物体对另一种毒物成分的吸 收加强、降解受阻、排泄迟缓、蓄积增加或产生高毒代谢物等方面加 以分析研究。 (2)相加作用 指联合作用的毒性等于其中各毒物成分单独作用毒性的总和。 当各毒物成分的化学结构近似、性质相似,互相之间没有影响时,其 联合作用往往呈现毒性相加作用,如丙烯腈与乙腈、稻瘟净与乐果等 。 (3)独立作用 各毒物对生物体的侵入途径、作用部位、毒性作用机理均不相同 ,其联合作用中各毒物生物学效应彼此无关,互不影响,即独立 作用的毒性低于相加作用,但高于其中单项的毒性,如苯巴比妥 与二甲苯。 (4)拮抗作用 指联合作用的毒性小于其中各组分单独作用毒性的总和,即其中 某一毒物成分的存在能够减小其他毒物对生物体的毒性,使混合 物的毒性降低的作用。 毒物之间的抗拮作用机理也相当复杂,不同毒物之间的拮抗作用机 理、大小也不同。现在多从某一毒物的存在能够抑制生物体对其他 毒物的吸收、加速降解、加速排泄或产生低毒代谢物等方面加以分 析研究。如二氯乙烷与乙醇、亚硝酸与氰化物、硒与汞、硒与镉、 铁与锰等的拮抗作用。 自机体暴露于某一毒物至其出现毒性,一般要经过三个过程。 (1)毒物被机体吸收入体液后,经分布、代谢转化,并有一定程度的排 泄,这一过程对毒物毒作用具有重要影响。 其间,毒物或被解毒,转化为无毒或低毒代谢物(非活性代谢物)而陆续排 出体外;或被增毒转化为毒性更大的代谢物(活性代谢物)而到达靶器官中 的受体;或不被转化直接以原形毒物到达靶器官中的受体。 靶器官是毒物首先在机体中达到毒作用临界浓度的器官。 受体是靶器官中相应毒物分子的专一性作用部位。受体成分几乎都是蛋白质 分子,通常是酶,非酶的受体有鸦片类型受体(神经受体)等。 (2)毒物或活性代谢产物与其受体进行原发反应,使受体改性,随后引 发生物化学效应。如酶活性受到抑制、细胞膜破裂、干扰蛋白质合成、 破坏脂肪和糖的代谢、抑制呼吸等。 (3)引起系列病理生理的继发反应,出现在整体条件下可观察到的毒作 用的生理和(或)行为的反应,即致毒症状。 对人和动物来说,有机体体温增高或降低,脉搏加快、减慢或不规则,呼吸 速率增加或减小,血压升高或降低,中枢神经系统出现幻觉、痉挛、昏迷、 动作机能不协调、瘫痪等症状,以及呼吸系统、血液系统、循环系统、消化 系统和泌尿系统等方面的症状。 对于植物来说,则有叶片失绿黄化,乃至枯焦脱落,使生长发育受到阻碍等 症状。 (1)酶活性的抑制 常见的酶活性抑制剂包括有机磷农药、氨基甲酸酯类农药和重金属离 子等。机制有三种类型: 第一是有些有机化合物与酶的共价结合,这种结合往往是通过酶活性 内羟基进行。例如有机磷酸酯、氨基甲酸酯等与乙酰胆碱酯酶的结合 : 这一结合使乙酰胆碱酯酶失活,造成不可逆的抑制,而乙酰胆碱是一种神 经传导物质,在神经冲动的传递中起着重要作用。在正常的情况下机体内 的乙酰胆碱量是一定的,而乙酰胆碱酯酶失活后造成机体内乙酰胆碱的累 积,将使神经过分受刺激,引起机体痉挛、神经麻痹等神经中毒症状,以 致死亡。 第二是重金属与含巯基的酶强烈结合,涉及的重金属离子主要是 pb2+、hg2+、cd2+、ag+、cu2+等。此酶巯基常在酶活性中心之外 ,帮助维持酶分子的构象,对于酶活性来说是很重要的。重金属 离子与含巯基的酶进行可逆非竞争性的结合,使酶失活。 这些重金属离子也能抑制巯基在酶活性中心之内的酶,可能也是 通过重金属离子与巯基结合来实现的。 第三是某些金属取代金属酶中的不同金属。金属酶是金属离子为 辅酶或是辅酶一个成分的酶类。一个有关的例子是cd(ii)可以取代 锌酶中的zn(ii),因为两者性质和离子半径都很近似的缘故。碱性 磷酸酶、醇脱氢酶和碳酸酐酶等一些锌酶被cd2+取代后便失活。 (2)致突变作用 致突变作用是指生物细胞内dna改变引起的遗传特性突变的作用 。这一突变可遗传至后代。具有致突变作用的污染物质称为致突 变物质。致突变作用又分为基因突变和染色体突变两类。 基因突变是指dna中碱基对的排列顺序发生改变,包括碱基对的 转换、颠换、插入和缺失四种类型。 转换是同型碱基之间的置换,即嘌呤碱被另一嘌呤碱取代,嘧啶 碱被另一嘧啶碱取代。 颠换是异型碱基之间的置换,就是嘌呤碱基为嘧啶碱基取代,反 之亦然。颠换和转换统称碱型置换,所致突变称为碱型置换突变 。 插入和缺失分别是dna碱基对顺序中增加和减少一对碱基或几对 碱基,使遗传密码格式发生改变,自该突变点之后的一系列遗传 密码都发生错误。这两中突变统称为移码突变。 细胞内染色体是一种复杂的核蛋白结构,主要成分是dna。在染 色体上排列着很多基因。若改变只限于基因范围就是上述的基因 突变,若涉及整个染色体,呈现染色体结构或数目的改变则称为 染色体畸变。 染色体畸变属于细胞水平的变化,这种改变可用普通光学显微镜 直接观察。基因突变属于分子水平的变化,不能用上述方法直接 观察,常用的鉴定基因突变的试验是鼠伤寒沙门氏菌-哺乳动物肝 微粒体酶试验(艾姆斯试验)。 常见的具有致突变作用的环境污染物质有亚硝胺类、苯并(a)芘、 甲醛、苯、砷、铅、烷基汞化合物、甲基对硫磷、敌敌畏、百草 枯、黄曲霉素b1等。 (3)致癌作用 致癌是体细胞不受控制地生长。 致癌物根据性质可分为化学(性)致癌物、物理性致癌物(如x-射线、 放射性核素氡)和生物性致癌物。 按照对人和动物致癌作用的不同,可分为确证致癌物、可疑致癌物、潜 在致癌物。 目前确认对人类有致癌作用的化学物质有20多种,如二甲基亚硝胺、苯并(a) 芘、2-萘胺、砷及其化合物、石棉等。 此外cd、ni、as等若干重金属的单质及其无机化合物对动物是致癌的,有的 对人也是致癌的。 人类癌症8085%与化学致癌物有关,在化学致癌物中又以合成化合物为 主。 根据作用机理分为遗传毒性致癌物和非遗传毒性致癌物。 遗传毒性致癌物细分为 1)直接致癌物(直接与dna反应引起dna基因突变的致癌物,如双氯 甲醚) 2)间接致癌物(前致癌物,不能直接与dna反应,需要机体代谢活化 转变,经过近致癌物至终致癌物后才能与dna反应导致遗传密码修改, 如二甲基亚硝胺、苯并(a)芘等) 大多数目前已知的致癌物都是前致癌物。 非遗传毒性致癌物不与dna反应,而是通过其他机制影响或呈现致癌作 用的物质。包括 1)促癌物(可使已经癌变细胞不断增殖而形成瘤块,如巴豆油中的巴豆 醇二酯、雌性激素乙烯雌酚等,免疫抑制剂硝基咪唑硫嘌呤等) 2)助致癌物(可加速细胞癌变和已癌变细胞增殖成瘤块,如二氧化硫、 乙醇、儿茶酚、十二烷等,促癌物巴豆醇二酯同时也是助致癌物) 3)固体致癌物(如石棉、塑料、玻璃等可诱发机体间质的肿瘤)。 (4)致畸作用 人或动物在胚胎发育过程中由于各种原因形成的形态结构异常,称为先 天性畸形或畸胎。 遗传因素、物理因素(如电离辐射)、化学因素、生物因素(如病毒) ,母体营养缺乏或内分泌障碍等都可引起先天性畸形,并称为致畸作用 。 具有致畸作用的污染物称为致畸物。 截止到20世纪80年代初期,已知对人的致畸物约有25种,对动物的致畸物约 有800种。
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