（精选）第五章 生物体内污染物质的运动过程及毒性.ppt

第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性 第一节物质通过生物膜的方式 生物膜的结构 ConstitutionofBiologicalMembrane 生物膜主要是磷脂双分子层和蛋白质镶嵌组成的 第一节物质通过生物膜的方式 物质通过生物膜的方式 呈现特异性选择 是正常的营养物质及其代谢产物通过生物膜的主要方式 大多数物质通过生物膜的方式 具体以何种方式通过生物膜 主要取决于机体各组织生物膜的特性和物质的结构 理化性质 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 转运吸收 主要途径 消化管 呼吸道 皮肤 分布 受膜通透性 组织血流速度决定 排泄 主要途径 肾 肝 胆 肠 肺 外分泌腺等 消除排泄 主要途径 肾 肝 胆 肠 肺 外分泌腺等 转化蓄积 第二节污染物质在机体内的转运 TransportofPollutantinBodies 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 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 第二节污染物质在机体内的转运 TransportofPollutantinBodies 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 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 污染物的蓄积部位和毒性作用部位不一定相同 有些污染物由胆汁排泄 在肠道运行中又重新被吸收 该现象称为肠肝循环 能进行肠肝循环的污染物 呈高脂溶性 通常在体内停留时间较长 如DDT在脂肪组织中蓄积 而毒性作用部位是神经系统及其他脏器 铅集中于骨骼 而毒性作用部位在造血系统 神经系统及胃肠系统 第三节污染物质的生物富集 放大和积累 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 影响BCF的因素 物质性质 降解性 脂溶性 水溶性等 生物特征 种类 大小 性别 器官 生长发育阶段等 环境条件 温度 盐度 pH 氧含量等 第三节污染物质的生物富集 放大和积累 水生生物富集速率方程为 生物浓缩系数 了解 第三节污染物质的生物富集 放大和积累 生物放大 Biomagnification 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生物积累 BioaccumulationProcess 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 据文献报道 有些物质只能沿食物链传递 不能沿食物链放大 有些物质既不能沿食物链传递 也不能放大 第四节污染物质的生物转化 BiotransformationofPollutedMatter 1 生物转化中的酶 4 耗氧有机污染物质的微生物降解 7 氮及硫的微生物转化 主要内容 2 若干重要辅酶的功能 3 生物氧化过程中的氢传递过程 6 有毒有机污染物质的微生物降解 5 有毒有机污染物质生物转化类型 8 重金属元素的微生物转化 第四节污染物质的生物转化 BiotransformationofPollutedMatter 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 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 第四节污染物质的生物转化 BiotransformationofPollutedMatter 一 生物转化中的酶 EnzymeinBiotransformation 催化作用的场所 催化反应的类型 成分 酶的分类 胞外酶 胞内酶 氧化还原酶 水解酶 裂解酶 异构酶 合成酶 转移酶 单成分酶 双成分酶 酶蛋白 辅酶 在双成分酶催化反应时 一般是辅酶起着传递电子 原子或某些化学集团的功能 酶蛋白起着决定催化专一性和催化高效率的功能 因此 只有双成分酶的整体才具有酶的催化活性 第四节污染物质的生物转化 BiotransformationofPollutedMatter 二 若干重要辅酶的功能 EffectofSomeImportantCoenzyme 1 FMN和FAD2 NAD 和NADP 3 辅酶Q4 细胞色素酶系的辅酶5 辅酶A FMN FAD是氧化还原酶的辅酶 在酶促反应中具有传递氢原子的功能 NAD 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 NADP 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 第四节污染物质的生物转化 BiotransformationofPollutedMatter 3 辅酶Q 简写CoQ 是某些氧化还原酶的辅酶 FMN和FAD NAD 和NADP 辅酶Q的作用均是在酶促反应中担任递氢的任务 如 第四节污染物质的生物转化 BiotransformationofPollutedMatter 4 细胞色素酶系的辅酶主要有细胞色素b c1 c a和a3等几种 在反应中担当传递电子的作用 辅酶A是一种转移酶的辅酶 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 BiotransformationofPollutedMatter 三 生物氧化中的氢传递过程 HydrogenTransforProcessinBiologicalOxidation 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 放出的能量主要通过二磷酸腺苷与正磷酸合成三磷酸腺苷而被暂时存放 腺苷部分 第四节污染物质的生物转化 BiotransformationofPollutedMatter 氢传递过程的几种分类 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 BiotransformationofPollutedMatter 1 有氧氧化中以分子氧为直接受氢体的递氢过程 该过程只有一种酶作用于有机底物 第四节污染物质的生物转化 BiotransformationofPollutedMatter 2 有氧氧化中以分子氧为间接受氢体的递氢过程 该过程有几种酶共同发挥作用 第四节污染物质的生物转化 BiotransformationofPollutedMatter 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 酵母菌 乳酸菌 第四节污染物质的生物转化 BiotransformationofPollutedMatter 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 BiotransformationofPollutedMatter 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 四 耗氧有机污染物质的微生物降解 MicrobialDegradationofOxygen ConsumingOrganicPollutant 第四节污染物质的生物转化 BiotransformationofPollutedMatter 1 糖类的微生物降解 MicrobialDegradationofCarbohydrate 糖类通过微生物作用 有氧条件下完全氧化为CO2和H2O 降解彻底 无氧条件下不完全氧化为有机酸 醇及CO2等 降解不彻底 同时引起体系pH的下降 第四节污染物质的生物转化 BiotransformationofPollutedMatter 2 脂肪的微生物降解 MicrobialDegradationofFat 脂肪通过微生物作用 有氧条件下完全氧化为CO2和H2O 降解彻底 无氧条件下不完全氧化为有机酸 醇及CO2等 降解不彻底 第四节污染物质的生物转化 BiotransformationofPollutedMatter 3 蛋白质的微生物降解 MicrobialDegradationofProtein 4 甲烷发酵 糖类蛋白质脂肪 乙酸甲酸氢气CO2 产甲烷菌 第四节污染物质的生物转化 BiotransformationofPollutedMatter 五 有毒有机污染物质生物转化类型 TypesofBiotransformationofToxicOrganicPollutant 1 耗氧反应2 还原反应3 水解反应4 结合反应 一方面使有机毒物水溶性和极性增加易于排除体外 另一方面会改变有机毒物的毒性 减小或增大 第四节污染物质的生物转化 有毒有机污染物质生物转化类型 1 混合功能氧化酶加氧氧化2 脱氢酶脱氢氧化3 氧化酶氧化 1 耗氧反应类型 第四节污染物质的生物转化 有毒有机污染物质生物转化类型 1 混合功能氧化酶加氧氧化类型 利用细胞内分子氧 将其中的一个氧原子与有机底物结合 使之氧化 而使另一个氧原子与氢原子结合形成水 第四节污染物质的生物转化 有毒有机污染物质生物转化类型 混合功能氧化酶的专一性较差 能催化许多有机毒物氧化碳双键环氧化碳羟基化 第四节污染物质的生物转化 有毒有机污染物质生物转化类型 氧脱烃硫脱烃 硫 氧化及脱硫 第四节污染物质的生物转化 有毒有机污染物质生物转化类型 氮脱烃 氮氧化及脱氮 第四节污染物质的生物转化 有毒有机污染物质生物转化类型 2 脱氢酶脱氢氧化类型 醇氧化成醛 醇氧化成酮 醛氧化成羧基 3 氧化酶氧化 OxidationofOxidationase 氧化酶是伴随有氢原子或电子转移 以分子氧为直接受氢体的酶类 例如 第四节污染物质的生物转化 有毒有机污染物质生物转化类型 2 还原反应类型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 有毒有机污染物质生物转化类型 3 水解反应类型1 羧酸酯酶使脂肪簇脂水解2 芳香酯酶使芳香簇脂水解 第四节污染物质的生物转化 有毒有机污染物质生物转化类型 3 水解反应类型3 磷酯酶使磷酸酯水解4 酰胺酶使酰胺水解 HNCOCH3 第四节污染物质的生物转化 有毒有机污染物质生物转化类型 4 若干重要结合反应类型 自学 1 葡萄糖醛酸结合2 硫酸结合3 谷胱甘肽结合 第四节污染物质的生物转化 BiotransformationofPollutedMatter 六 有毒有机污染物质的微生物降解 MicrobialDegradationofToxicOrganicPollutants 1 烃类 Hydrocarbons 2 农药的降解 DegradationofPesticides 1 烷烃的微生物降解2 烯烃的微生物降解3 苯及苯系物的微生物降解 第四节污染物质的生物转化 有毒有机污染物质的微生物降解 1 正烷烃的降解 烷烃醇醛酸CO2 H2O 第四节污染物质的生物转化 有毒有机污染物质的微生物降解 2 烯烃的微生物降解途径 第四节污染物质的生物转化 有毒有机污染物质的微生物降解 3 苯的微生物降解途径 第四节污染物质的生物转化 有毒有机污染物质的微生物降解 烃类化合物微生物降解难易程度比较 1 烯烃最易降解 烷烃次之 芳烃较难 多环芳烃更难 脂环烃最为困难 2 在烷烃中 正构烷烃比异构烷烃容易降解 直链烷烃比支链烷烃容易降解 3 在芳香类中 苯的降解要比烷基苯类及多环化合物困难 第四节污染物质的生物转化 有毒有机污染物质的微生物降解 1 苯氧乙酸的降解 2 农药的降解 DegradationofPesticides 第四节污染物质的生物转化 有毒有机污染物质的微生物降解 2 对硫磷的可能降解途径 2 农药的降解 DegradationofPesticides 氧化 还原 硝基变氨基 水解 第四节污染物质的生物转化 有毒有机污染物质的微生物降解 3 DDT的降解 2 农药的降解 DegradationofPesticides 第四节污染物质的生物转化 BiotransformationofPollutedMatter 七 氮及硫的微生物转化1 氮的微生物转化 1 氮的主要形态 1 分子氮 2 生物体内的蛋白质 核酸等有机氮化合物 以及生物残体变成的各种有机氮化合物 3 铵盐 硝酸盐等无机氮化合物 同化 氨化 硝化 反硝化 固氮的概念 第四节污染物质的生物转化 氮的微生物转化 同化 绿色植物和微生物吸收硝态氮和铵态氮 组成机体中蛋白质 核酸等含氮有机物质的过程 氨化 Ammoniation 生物残体中的有机氮化合物 经微生物分解成氨态氮的过程 硝化 Nitrification 氨在有氧条件下通过微生物作用 氧化成硝酸盐的过程 第四节污染物质的生物转化 氮的微生物转化 2 反硝化 Denitrification 硝酸盐在厌氧条件下 通过微生物作用而还原的过程 1 硝酸盐还原成亚硝酸 2 硝酸盐还原成氮气 3 硝酸盐还原成亚硝酸盐和氨 第四节污染物质的生物转化 氮的微生物转化 传统水处理理论认为 氨氮的去除是通过硝化和反硝化两个相互独立的过程实现的 由于对环境条件的要求不同 这两个过程不能同时发生 而只能序列式进行 即硝化反应发生在好氧条件下 反硝化反应则发生在严格的缺氧或厌氧条件下 在这种理论指导下 传统的生物脱氮工艺都是将缺氧区 或厌氧区 与好氧区分隔开 如A O系统 在好氧区供氧充足 氨氮被硝化菌群氧化成硝酸盐氮 然后混合液进入缺氧段 在缺氧条件下 反硝化菌利用硝酸盐氮和原污水中的有机物完成反硝化过程 达到脱氮的目的 第四节污染物质的生物转化 氮的微生物转化 固氮 NitrogenFixation 通过微生物的作用把分子氮转化为氨的过程 生物固氮在农业生产中的应用氮素是农作物从土壤中吸收的一种大量元素 土壤每年因此要失去大量的氮素 土壤可以通过两条途径获得氮素 一条是含氮肥料 另一条是生物固氮 豆科植物 好氧根瘤菌 第四节污染物质的生物转化 BiotransformationofPollutedMatter 七 氮及硫的微生物转化2 硫的微生物转化 硫化 微生物 硫杆菌和硫磺菌 作用下 S H2S生成H2SO4的过程 反硫化 SO42 SO32 在微生物 脱硫弧菌 作用下 还原生成H2S的过程 由于海水中硫酸盐浓度较高 所以由硫酸盐经细菌作用还原为硫化氢 是海水硫化氢的主要来源 第四节污染物质的生物转化 BiotransformationofPollutedMatter 汞 Mercury 八 重金属元素的微生物转化 MicrobialTransformationofHeavyMetal 汞的环境化学行为 1 汞及其化合物有较大挥发性 2 胶体对汞有强烈的吸附作用 3 汞的甲基化 汞的三种价态间的相互转化 第四节污染物质的生物转化 汞的微生物转化 汞的生物甲基化 Methylation 在好氧或厌氧条件下 水体底质中某些微生物能使二价无机汞盐转变为甲基汞和二甲基汞的过程 第四节污染物质的生物转化 汞的微生物转化 汞的生物甲基化途径 第四节污染物质的生物转化 汞的微生物转化 汞的生物去甲基化在抗汞微生物的作用下 甲基汞或无机汞转化为单质汞的过程 常见的抗汞微生物是假单胞菌属 第四节污染物质的生物转化 砷的微生物转化 砷的存在形态As As CH3AsO OH 2 CH3 2AsO OH CH3 3AsO CH3 3As 砷胆碱 CH3 2As CH2CH2OH 砷甜菜碱 CH3 2As CH2COO 砷糖等 各形态砷的毒性As2O3 CH3AsO OH 2 CH3 2AsO OH CH3 3AsO CH3 2As CH2COO 高毒毒毒无毒无毒 毒性以As 最大 As 次之 甲基化合物再次之 大致呈现砷化物甲基数递增毒性递减的规律 但是典型的例外是 CH3 3As具有高毒性 第四节污染物质的生物转化 砷的微生物转化 砷的微生物甲基化甲基供体是相应转移酶的辅酶S 腺苷甲硫氨酸 起传递CH3 的作用 CH3 先进攻由砷酸盐还原得到的亚砷酸盐中的砷 取得其外层独对电子 CH3 以与之结合 形成砷为五价的一甲基砷酸盐 并以此类推 基本途径如下 第四节污染物质的生物转化 铁的微生物转化 铁细菌引起的酸性矿水问题 铁细菌 上述三式联合构成由铁细菌发挥重大作用的溶解黄铁矿的循环问题 生成大量硫酸 加剧了矿水的酸化 造成严重污染问题 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 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 S型 第五节污染物质的毒性 ToxicityofPollutant 第四节污染物质的生物转化 毒物的毒性 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 阈值量 浓度 最高允许量 浓度 在长期暴露毒物下 引起机体受损害的最低剂量 浓度 在长期暴露毒物下 不引起机体受损害的最高剂量 浓度 三 毒物的联合作用 Complex ActionofToxicant 协同作用 Synergism 相加作用 AdditiveEffect 独立作用 IndependentEffect 拮抗作用 Antagonism M M1 M2 M M1 M2 M M1 M2 M M1 M2 1 M1 第四节污染物质的生物转化 毒物的毒性 第四节污染物质的生物转化 毒物的毒性 四 毒作用的过程 ProcessofToxicAction 进入体液 经分布 代谢转化 并有一定程度的排泄 毒物 代谢产物 与受体进行原发反应 使受体改性 随后引起生物化学效应 引发一系列的病理 生理的继发反应 出现中毒症状 五