生物体内污染物运动过程及毒性.ppt

第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性,(BiologicalEnvironmentalChemistry),教学内容,第一节物质通过生物膜的方式第二节污染物质在机体内的转运第三节污染物质的生物富集、放大和积累第四节污染物质的生物转化第五节污染物质的毒性,本章重点,污染物的生物富集、放大和积累耗氧和有毒有机物的微生物降解元素的微生物转化微生物对污染物的转化速率毒物的毒性、联合作用,教学要求,掌握污染物质的生物富集、发大和积累；耗氧和有毒有机污染物质的微生物降解；若干元素的微生物转化；毒物的毒性、联合作用和致突变、致癌及抑制酶活性等作用；了解有关重要辅酶的功能，有毒有机污染物质生物转化的类型。,第一节物质通过生物膜的方式,一、生物膜的结构(ConstitutionofBiologicalMembrane)生物膜主要是由磷脂双分子层和蛋白质镶嵌组成的、厚度为75-100的流动变动复杂体。蛋白质的生理功能：载体作用，转运膜内外物质催化作用，如酶能量转换作用膜孔：带极性，含水的微小孔道,第一节物质通过生物膜的方式,第一节物质通过生物膜的方式,二、物质通过生物膜的方式1、膜孔滤过2、被动扩散3、被动易化扩散4、主动转运5、胞吞和胞饮,第一节物质通过生物膜的方式,小结：物质以何种方式通过生物膜，主要决定于机体各组织生物膜的特性和物质的结构、理化性质。（1）理化性质包括物质的脂溶性、水溶性、解离度、分子大小等。（2）营养物质和代谢物质主要以被动易化扩散和主动转运进入生物膜。（3）大多数物质以被动扩散方式通过生物膜。,第二节污染物质在机体内的转运(TransportofPollutantinBodies),污染物质在机体内的运动过程包括吸收、分布、排泄和生物转化。转运包括：吸收和分布。消除包括：排泄和生物转化。,第二节污染物质在机体内的转运,一、吸收(Adsorption)吸收是污染物质从机体外，通过各种途径通透体膜进入血液的过程。消化管是吸收污染物质最主要的途径；呼吸管是吸收大气污染物的主要途径；皮肤吸收是不少污染物质进入机体的途径；,第一节物质通过生物膜的方式,二、分布(Distribution)分布是指污染物质被吸收后或其代谢转化物质形成后，由血液转送至机体各组织；与组织成分结合；从组织返回血液；以及再反复等过程。,第一节物质通过生物膜的方式,三、排泄(Excretion)排泄是污染物质及其代谢物质向机体外的转运过程。排泄器官以肾和肝胆为主。1、肾排泄(RenalExcretion)2、肝胆系统的胆汁排泄(BiliaryExcretion)3、肠道排泄(EnterohepaticExcretion),第一节物质通过生物膜的方式,四、蓄积(Accumulation)机体长期接触某污染物质，若吸收超过排泄及其代谢转化，则会出现该污染物质在体内逐增的现象，称为生物蓄积。机体的主要蓄积部位是血浆蛋白、脂肪组织和骨骼。,第三节污染物质的生物富集、放大和积累,一、生物富集(BiologicalConcentration)：生物通过非吞食方式，从周围环境蓄积某种元素或难降解的物质，使其在机体内浓度超过周围环境中浓度的现象。生物浓缩系数(BioconcentrationFactor)：BCF=cb/ceCb某种元素或难降解物质在机体中的浓度;Ce某种元素或难降解物质在机体周围环境中的浓度。,第三节污染物质的生物富集、放大和积累,影响生物浓缩系数的有关因素：1、在物质性质方面2、在生物特征方面3、在环境条件方面富集速率的计算：BCF=Cf/Cw=Ka/Ke说明在一定条件下生物浓缩系数有一阈值，此时水生生物富集达到动态平衡。,第三节污染物质的生物富集、放大和积累,二、生物放大(Biomagnification)生物放大：同一食物链上的高营养级生物，通过吞食低营养级生物富集某种元素或难降解物质，使其在机体内的浓度随营养级数提高而增大的现象。生物放大并不是在所有条件下都能发生。,第三节污染物质的生物富集、放大和积累,三、生物积累(BioaccumulationProcess)生物积累：生物从周围环境和食物链蓄积某种元素或难降解物质，使其在机体中的浓度超过周围环境中浓度的现象。与生物富集的区别多了食物链这一获取污染物的渠道表达：BCF积累速率：Ci=Cwi+Ci即：积累浓度=水中摄取浓度+食物链传递的浓度反映的是在生物积累达到平衡时，生物富集和生物放大在生物积累达到平衡时的贡献大小。,第四节污染物质的生物转化(BiotransformationofPollutedMatter),污染物质在环境中的三大转化途径：化学转化、光化学转化、生物转化生物转化（或代谢）：物质在生物作用下经受的化学变化。,第四节污染物质的生物转化,一、生物转化中的酶(EnzymeinBiotransformation)酶(Enzyme)：一类由细胞制造和分泌的、以蛋白质为主要成分的、具有催化活性的生物催化剂。底物（或基质）：在酶催化下发生转化的物质。酶促反应：底物所发生的转化。,第四节污染物质的生物转化,酶催化作用的特点：1、催化专一性高2、酶催化效率高3、酶催化需要温和的外界条件酶的分类根据催化作用的场所：胞外酶和胞内酶根据催化反应类型：氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶、异构酶、合成酶根据成分：单成分酶和双成分酶,第四节污染物质的生物转化,二、若干种重要辅酶的功能1、FMN和FAD黄素单核苷酸和黄素腺嘌呤二核苷酸在酶促反应中担任传递氢任务2、NAD+和NADP+辅酶I和辅酶3、辅酶Q（泛醌）：简写CoQ4、细胞色素酶系的辅酶在反应中担当传递电子作用5、辅酶A：简写CoASH在酶促反应中起着传递酰基的作用,第四节污染物质的生物转化,三、生物氧化中的氢传递过程(HydrogenTransforProcessinBiological)生物氧化(BiologicalOxidation):指有机物质在机体细胞内的氧化，并伴随有能量的释放。生物氧化主要是去氢氧化。,第四节污染物质的生物转化,氢传递过程的几种分类(ClassificationofHydrogenTransforProcess)1、有氧氧化中以分子氧为直接受氢体的递氢过程；2、有氧氧化中以分子氧为间接受氢体的递氢过程；3、无氧氧化中有机底物转化中间产物作受氢体的递氢过程；4、无氧氧化中某些无机含氧化合物作受氢体的递氢过程,第四节污染物质的生物转化,四、耗氧有机污染物质的微生物降解(MicrobialDegradationofOxygen-ConsumingOrganicPollutant)耗氧有机污染物质(Oxygen-ConsumingOrganicPollutant):是生物残体、排放废水和废弃物中的糖类、脂肪和蛋白质等较易生物降解的有机物质。生物降解(Biodegradation)：有机物质通过生物氧化以及其他的生物转化，可以变成更小、更简单的分子过程。,第四节污染物质的生物转化,1、糖类的微生物降解(MicrobialDegradationofCarbohydrate)降解过程：TCA循环，生成二氧化碳和水（有氧）多糖单糖丙酮酸有机酸、二氧化碳、醇（无氧）,第四节污染物质的生物转化,2、脂肪的微生物降解(MicrobialDegradationofFat)（1）脂肪水解成脂肪酸和甘油（2）甘油转化成丙酮酸（3）脂肪酸的转化：有氧条件下，经-氧化，最后进入TCA循环无氧条件下，转化成为有机酸、醇、二氧化碳,第四节污染物质的生物转化,3、蛋白质的微生物降解(MicrobialDegradationofProtein)基本途径：（1）蛋白质水解成氨基酸（2）氨基酸脱氨成脂肪酸总而言之，蛋白质通过微生物作用，有氧条件二氧化碳、水、氨；（降解彻底）无氧条件简单有机酸、醇、二氧化碳。（降解不彻底）,第四节污染物质的生物转化,五、有毒有机污染物质生物转化类型(TypesofBiotransformationofToxicOrganic)1、氧化反应（1）混合功能氧化酶加氧氧化C=C环氧化C羟基化氧脱烃硫脱烃、硫氧化及脱硫N脱烃、氮氧化及脱氮（2）脱氢酶脱氢氧化醇氧化成醛醇氧化成酮醛氧化成羧酸（3）氧化酶氧化,第四节污染物质的生物转化,2、还原反应（1）可逆脱氢酶加氢还原（2）硝基还原酶还原（3）偶氮还原酶还原（4）还原脱氯酶还原,第四节污染物质的生物转化,3、水解反应（1）羧酸酯酶使脂肪族酯水解（2）芳香酯酶使芳香族酯水解（3）磷酯酶使磷酸酯水解4、若干重要结合反应类型,第四节污染物质的生物转化,六、有毒有机污染物质的微生物降解(MicrobialDegradationofToxicOrganic)1、烃类以有氧氧化占绝对优势（1）正烷烃C数1：主要是末端氧化（即羟基化），次末端和双端氧化是次要的。正烷烃醇醛脂肪酸TCACO2+H2O甲烷：CH4CH3OHHCHOHCOOHCO2+H2O,第四节污染物质的生物转化,（2）稀烃a饱和末端氧化：经与正烷烃（C1）相同途径，形成不饱和脂肪酸b不饱和端：双键环氧化，开环二醇脂肪酸（3）苯及其衍生物第一步：双醇中间产物儿茶酚第二步：形成有机酸第三步：进入TCA循环形成二氧化碳和水,第四节污染物质的生物转化,小结：烃类降解的难易顺序（从易到难）a稀烃烷烃芳烃多环芳烃脂环烃b正构烷烃异构烷烃c直链烷烃支链烷烃d烷基苯多环化合物苯,第四节污染物质的生物转化,2、农药（1）除草剂：苯氧乙酸类以2，4-D乙脂为例（2）杀虫剂对硫磷DDT,第五节污染物质的毒性(ToxicityofPollutant),一、毒物(Toxicant)毒物是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，并引起暂时性或持久性的病理损害，甚至危及生命的物质。毒物与非毒物之间并不存在绝对的界限。,第五节污染物质的毒性,二、毒物的毒性(ToxicityofToxicant)影响毒物毒性的因素：毒物的化学结构及理化性质毒物所处的基体因素机体暴露于毒物的状况生物因素生物所处的环境,第五节污染物质的毒性,效应：毒理学把毒物剂量（浓度）与引起个体生理学的变化，如脑电、心电、血象、免疫功能、酶活性等的变化称为效应。反应：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。,第五节污染物质的毒性,毒作用的分类(ClassificationofToxicaction)：急性(Acute)慢性(Chronic)亚急（或亚慢）(Sub-acute)半数有效剂量（ED50，medianeffectivedose）半数有效浓度（EC50，medianeffectiveconcentration)半数致死剂量（LD50，medianlethaldose)半数致死浓度（LC50，medianlethalconcentration),第五节污染物质的毒性,阈剂量（浓度）(ThresholdDose)：是指在长期暴露毒物下，会引起机体受损害的最低剂量（浓度）。最高允许剂量（浓度）(MaximumPermissibleDose)：是指长期暴露在毒物下，不引起机体受损害的最高剂量（浓度）。,第五节污染物质的毒性,三、毒物的联合作用(Complex-ActionofToxicant)两种或两种以上的毒物，同时作用于机体所产生的综合毒性称为毒物的联合作用。协同作用(Synergism)MM1+M2相加作用(AdditiveEffect)M=M1+M2独立作用(IndependentEffect)M=M1+M2(1-M1)拮抗作用(Antagonism)MM1+M2,第五节污染物质的毒性,四、毒作用的过程(ProcessofToxicAction)1、进入体液2、毒物与受体进行原发反应3、引发一系列的病理生理的继发反应,第五节污染物质的毒性,五、毒作用的生物化学机制(BiochemicalMechanismofToxicAction)1、酶活性的抑制有些有机化合物与酶的共价结合有些金属离子与含巯基的酶强烈结合某些金属取代金属酶中的不同金属,第五节污染物质的毒性,2、致突变作用(Mutagensis)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。基因突变：碱基对的转换、颠换、插入与缺失染色体突变,第五节污染物质的毒性,3、致癌作用(Carcinogenesis)致癌是体细胞不受控制的生长。致癌物根据性质可分为：化学性致癌物物理性致癌物生物性致癌物,第五节污染物质的毒性,化学致癌物的分类：按照对人和动物致癌作用的不同，可分为确证致癌物、可疑致癌物和潜在致癌物。根据作用机理，可分为遗传毒性致癌物和非遗传毒性致癌物。,第五节污染物质的毒性,4、致畸作用人或动物在胚胎发育过程中由于各种原因所形成的形态结构异常，称为先天性畸形