7环境污染物在生物体内的迁移与转化 环境生态学基础电子教案

环境污染物在生态环境中的迁移与转化 主要内容 环境污染物在生态环境中的迁移与转化 环境污染物与毒物 第一节环境污染物与毒物 1 1概念 1 2毒害过程和毒作用时相 1 3 1 4影响毒作用的主要因素 主要环境污染物及其毒理学效应 1 1概念 1 污染物 进入环境后使环境的正常组成和性质发生变化 直接或间接有害于生物生长 发育和繁殖的物质 2 环境污染物 由于人类的活动进入环境 使环境正常组成和性质发生改变 直接或间接有害于生物和人类的物质 3 毒物 对机体产生有害作用 毒作用 的化学物质 环境污染物属于毒物 具有相对性4 外来化合物 在所研究的生物体内 正常情况下不产生的化合物 包括环境污染物 5 环境毒物 有毒化学物质通过各种途径排放至大气 水源和土壤等人类环境中 通常称为环境毒物 毒物的分类 按用途及分布范围分 工业毒物 环境污染物 食品中有害成分 农业化合物 嗜好品 化妆品 其他日用品 生物毒素 医用药物 军事毒物 放射性同位素等按毒物作用于机体的主要部位 神经系统毒物 造血系统 心血管系统 呼吸系统 肝 肾 眼和皮肤的毒物等按作用性质分 刺激性 腐蚀性 窒息性 致敏 致癌 致突变 致畸毒物等 1 2毒害过程和毒作用时相 1 毒害过程时间尺度 瞬时生态毒害长期生态毒害空间尺度 微观过程宏观过程2 毒作用时相 毒物 毒物的剂型与剂量 吸收 分布 代谢 排泄 靶器官中生物学作用 效应 暴露相 毒物动力学相 效相 靶器官 毒物直接产生毒效应作用的器官 按照不同的层次 分为靶器官 靶细胞 靶分子 效应器官 通过病理 生理机理 由另一个器官表现出来 例如 有机磷农药作用于神经系统 会抑制胆碱酯酶活性 造成胆碱能神经突触处乙酰胆碱积累 结果表现为瞳孔缩小 流涎 肌束颤动等 因此 有机磷农药的靶器官是神经系统 而效应器官则是瞳孔 唾液腺和横纹肌等 蓄积器官 毒物在体内的蓄积部位 污染物在蓄积器官内的浓度高于其他器官 但对蓄积器官并不一定显示毒作用 如DDT等有机氯农药的靶器官虽是中枢神经系统和肝脏 但这类农药主要蓄积在脂肪组织中 1 重金属的环境毒理学效应汞镉2 大气污染物的环境毒理学效应3 农药的环境毒理学作用有机氯农药有机磷农药有机氮农药拟除虫菊脂类农药 1 3主要环境污染物及其环境毒理学效应 环境中的汞 汞循环 mercurycycle 火山活动 化石燃烧 降水 挥发 挥发 沉积物 农田风化和淋溶作用 农药喷洒 径流 CH3 2Hg Hg2 CH3Hg 鱼 水生植物 水鸟 工厂汞的废物 捕鱼 由河水带走 中性pH 酸性pH 汞的环境毒理作用 汞及其化合物可通过呼吸道 消化道及皮肤等途径进入机体 可分布于各个器官 以肾脏含量最高 肾 肝 血液 脑 末梢神经汞化合物的通透性差异很大 金属汞 被消化道吸收的数量很少 通过食物和饮水一般不会中毒 金属气态汞侵入呼吸道可被肺泡完全吸收 经血液运至全身 无机汞中的氯化汞为剧毒 有机汞中苯基汞分解快 毒性小 甲基汞和乙基汞毒性最大 甲基汞蓄积量达到30mg 70kg 出现感觉障碍 达到100mg时为中毒阈值 大气污染物的环境毒理学效应 分为气态污染物和颗粒污染物 按化学形态分为含硫化合物 含氮化合物 碳氢化合物 卤素化合物 颗粒物质和放射性物质7类 来源于工业生产 生活炉灶 采暖锅炉 交通运输 火山爆发 森林火灾等 SO2为无色而具有辛辣刺激性的气体 与二氧化氮 碳氢化合物共存时 经7小时转化为SO3 形成酸雾 易与呼吸道表面的水相作用 吸水形成亚硫酸或硫酸 短时间内解除低浓度 上呼吸道极易受刺激 腐蚀损害 短期接触高浓度的 可引起机型支气管炎 呼吸困难 以致死亡 对微生物具有致突变作用 引起植物 动物细胞染色体畸变的发生 农药的环境毒理学作用 有机氯农药化学性质稳定 不溶于水 溶于多种有机溶剂 遇光和高温均不易分解 可在自然界长期残留 在土壤中消失95 需要数年至数十年 挥发性低 吸入中毒的机会较少 主要经消化道进入机体 蓄积在脂肪组织以及脂质含量较高的组织器官 如肾周围组织等大剂量的进入机体可引起中枢神经及某些实质脏器特别是肝 肾的严重损害 易蓄积 有机氯农药在土壤中的残留量 DDT狄式剂林丹氯丹七氯一年后8875605545 农药的环境毒理学作用 有机磷农药呈油状液体或晶体固体 具大蒜臭味 挥发性强 难溶于水 可溶于有机溶剂 对光 热河氧稳定 遇碱迅速分解 经消化道 呼吸道和皮肤吸收进入机体 大多数化合物经皮肤吸收快且完全 分布各个器官 以肝 肾及肺含量最高 一般可通过血脑屏障 代谢较快 没有明显蓄积作用 毒作用在于对胆碱酯酶活力的抑制 使其失去分解乙酰胆碱的能力 造成乙酰胆碱在体内积聚 引起神经功能紊乱 农药的环境毒理学作用 有机氮农药对人 畜毒性属于中等程度至低毒范畴 在土壤中滞留时间短 半衰期仅1 4周 拟除虫菊脂类农药黄色粘稠状液体或无色晶体 挥发度低 不溶于水 溶于多种有机溶剂 遇碱分解 代谢快 蓄积程度低 属神经毒剂 抑制神经细胞离子通道 降低神经肌肉膜的电兴奋电位 1 4影响毒作用的主要因素 1 环境因素物理环境因素a 温度 高温促进毒物吸收 摄入量增加 毒性增加 b 湿度 促进毒物经皮肤吸收 湿度增高 吸收增强 也可加速毒物水解 毒物也可在高湿条件下改变状态 如SO2转化为SO3 c 气压 高压使浓度增大 气压降低 氧分压降低 CO毒性加大d 时间变化 生物体功能随季节和昼夜节律产生规律性变动 环境污染物的作用方式a 独立作用 b 相加作用c 协同作用 四氯化碳和乙醇 对肝脏毒性增加d 颉颃作用 Ag CuCu ZnHg SeSe对Hg的颉颃作用 2 化学毒物的理化性状 物理性状与生物学效应a 溶解度溶解度越大 体内吸收率越高 毒性越大As2O3氧化铅 金属铅 硫化铅 在血清中的溶解度 b 挥发度挥发度越大 空气中的浓度越大 呼吸道中毒的危险性越大 c 分散度分散度愈大 颗粒越小 化学活性越大 易进入呼吸道 如PM10 毒物的化学结构与毒性结构不同 毒性不同 苯具有麻醉作用 抑制造血功能 苯环上的氢被甲基取代 形成甲苯或二甲苯 对造血技能的作用不明显 苯环上的氢被氨基或硝基取代 形成高铁血红蛋白 对肝脏具有毒性作用 苯环上的氢被卤素取代 对肝脏产生毒性 3 个体因素 种属 品系和个体差异由于有机体的结构和功能方面存在不同程度的差异 大多数毒物对人和动物的敏感性差异不大于10倍 年龄和发育年轻机体对中枢神经剂敏感性较差 对中枢神经抑制剂较敏感 年老机体代谢慢 对需经生物转化后才具有毒性的化学物质不敏感 性别与激素雌性动物较雄性动物敏感 个别化合物对雄性动物毒性较高 遗传因素先天性代谢缺陷或生理变异可导致对某些化合物效应的敏感性 健康状况与营养营养状况不良 使毒物在体内的生物转化减慢 出现异常毒性表现 少数化合物缺乏蛋白质环境下毒性降低 4 元素的生物半衰期 元素自进入生物体内到排出体外的时间 第二节环境污染物在生态环境中的迁移与转化 2 1污染物在动物体内的吸收分布和排泄 2 2植物对污染物的吸收 迁移及影响 2 1污染物在动物体内的吸收分布和排泄 一 污染物通过动物细胞膜的方式吞噬作用 固态污染物与细胞膜上某种蛋白质具有亲和力 改变膜的表面张力 引起细胞膜外包或内凹 将固态物质包围进细胞 胞饮作用 如吞噬的是液态物质 称为胞饮 二 动物机体对污染物质的吸收 吸收途径主要有 呼吸道 消化道 皮肤 一 经呼吸道吸收部分污染物能穿过肺泡 直径小于5nm部分污染物能在肺部长期停留 使肺部致敏纤维化或致癌 如苯并芘 石棉 铍等部分污染物运至支气管 刺激气管壁产生反应性咳嗽而排出或被咽入消化管 肺泡总面积55m2 是皮肤的40倍 细胞膜对脂溶性 非脂溶性分子及离子都具有高度的通透性 吸入量达到一定程度会进入血液引起中毒 这是与消化道吸收的不同之处 NO2很少停留在上呼吸道 而是从下呼吸道侵入肺深部 低流量经鼻吸入时 SO2摄入率 气管上部 几乎为100 臭氧为72 高流量经口吸入时 二者的摄取率均大幅下降 臭氧的摄取率更低 说明吸入臭氧可能损伤支气管末梢 汞化合物挥发性很高 金属汞很难被呼吸道粘膜吸附 阻拦 易达肺部 动物的肺泡吸收率达50 100 人体可达75 85 肺泡对汞化合物有极高的吸收率 呼吸道吸收情况主要取决于被吸收化合物的血液 气体分配系数K 气体在血液中的浓度与在肺泡气中浓度之比 K越大 气体越易被吸收 二硫化碳k 5苯k 6 85乙醚k 15甲醇K 1500水溶性高的化合物在上呼吸道被粘膜吸附 水溶性低的化合物多进入呼吸道深部被吸收 二 消化道吸收消化道是动物吸收污染物的主要途径 肠道粘膜是吸收污染物的主要部位之一 整个消化管对污染物都有吸收能力 但主要部位是在胃和小肠 小肠粘膜上的微绒毛 可增加吸收面积600倍 肠道吸收量因污染物化学形态不同而不同 甲基汞和乙基汞吸收量远高于离子态汞 有机汞 脂溶性 的吸收率达95 以上 无机汞中的离子态汞吸收率在20 以下 二价汞不易被肠壁吸收 主要与氨基酸形成络合物排出体外 镉在呼吸道的吸收率为10 14 消化道为5 10 肠道吸收可因某种物质的存在而加强或减弱 若存在足够半胱氨酸会促进肠道粘膜上的氨基酸的主动运输 半胱氨酸和甲基汞结合能增加肠道对甲基汞的吸收 乙醇对肺泡吸收汞有抑制作用 金属汞转变为无机离子态汞要经过氧化酶的作用 乙醇能阻碍氧化酶的氧化 三 皮肤及其他途径吸收第一阶段 通过表皮 表皮的角质层是最重要的屏障 第二阶段 通过真皮 四氯化碳可通过皮肤吸收引起肝损害 有机磷农药可经皮肤吸收 污染物吸收后随血液和淋巴的流动分散到全身各组织器官的过程叫分布 不同化合物在体内的分布不一样 易透过生物膜 即可分布全身 反之 则分布受限 有机污染物多呈均匀分布 无机污染物多呈不均匀分布 一价阳离子 钾 钠 锂 銫 均匀分布 二 四价阳离子 钙 钡 铍 镭等 分布在骨骼中 镉 钌多集中于肾脏 无机离子态汞在肾内积累的最多 其次是肝 脾 甲状腺 金属汞易通过血脑屏障到达脑中枢 外来化合物在体内的贮存往往不具活性 贮存部分与游离部分呈动态平衡 当游离态部分逐渐消除时 贮存的化学物可逐渐被释放进入人体循环 如DDT 饥饿 三 动物机体对污染物质的分布 四 污染物在动物体内的排出 动物主要以粪便和尿的形式直接将污染物排出 粪便中排出的汞大部分为无机汞 尿中的汞6 25 为无机汞 或通过胆汁 乳汁 呼气 毛发等将污染物排出 肾脏是最重要的高功效排泄器官 经肾脏排泄的数量超过各种途径排泄的总和 五 污染物在生物体内的转化 生物代谢转化 污染物的生物转化是指进入体内的外来化合物 在体内酶催化下发生一些列代谢变化的过程 转化成的衍生物称为代谢物 肝脏代谢最为活跃 其次为肾和肺等 生物活化作用 生物增毒作用 经过生物代谢转化 原无毒或毒性小的化合物 能够被转化成有毒或毒性大的产物 生物灭活作用 生物解毒作用 有毒的化学物经代谢转化变成无毒或低毒的产物 生物转化过程是将亲脂性毒物转化成极性较强的亲水性物质 以降低其通过细胞膜的能力 加速排出 有些毒物经生物转化 在体内生成新的毒性更强的化合物 称为致死性合成 如对硫磷和乐果氧化成对氧磷和氧乐果 污染物的生物转化过程主要包括四种反应 即氧化 还原 水解和结合反应 前三个为第一阶段或第一相反应 结合反应为第二阶段 或称第二相反应 降解反应微粒体混合功能氧化反应微粒体外的氧化反应还原反应 被还原酶催化还原 水解作用 脂类 酰胺类和含有脂式键的磷酸盐取代物易水解 毒性降低 结合反应 2 2植物对污染物的吸收 迁移及影响 一 植物对污染物的吸收 一 植物对气态污染物的粘附和吸收 植物粘附污染物的数量主要决定于植物表面积的大小和粗糙度等 分泌油脂 粘液的树种 云杉 侧柏 油松 马尾松等 叶表面积大 叶面粗糙的植物 杨梅 榆 木槿 草莓等 叶面硬挺 不易抖动 女贞 大叶黄杨加拿大杨 叶面光滑 叶片下倾 叶柄细长 易抖动 滞尘能力弱 几种针 阔叶树种截获粉尘的数量 橡树7 15 白桦10 59 杨12 80 刺槐17 58 松2 32 落叶松4 05 云杉5 42 气孔是叶片吸收污染物的主要部位 如氟化物 SO2 气孔张开和关闭的机能瘫痪 臭氧 破坏叶片的栅栏组织 二 植物对水溶态污染物的吸收 植物吸收污染物的主要器官是根 叶片也能吸收 1 水溶态污染物到达植物根 或叶 表面到达根表面 主要有两个途径 质体流途径 即污染物随蒸腾拉力 在植物吸收水分时与水一起到达植物根部 扩散途径 即通过扩散到达根表面 重金属扩散一般遵循Fick的第二法则 平均扩散距离 D扩散系数 cm2 s T是时间 s 3 10 10cm2 s3 10 8cm2 s100天内移动的平均距离 0 72mm7 2mm只有靠近根部的重金属才能通过扩散作用到达根表面 污染物主要通过质体流途径到达根表面 到达根表面的污染物能否被植物吸收决定于土壤特性 污染物的种类和数量 植物特性和蒸腾拉力等 植物叶片对农药的吸收主要有两种途径 气孔吸收角质层吸收农药在植物叶面的附着性能是影响药效的重要因素 表面活性剂能显著降低水溶液的表面张力 可极大改善药液的附着性 草甘膦在蚕豆叶片上的气孔吸收 2 水溶态污染物进入细胞的过程 植物的细胞壁是污染物进入植物细胞的第一道屏障 其中的果胶质成分为结合污染物提供了大量的交换地点 植物最初对污染物的迅速吸收主要靠细胞内自由空间非代谢性扩散运动 当外界污染物浓度相当大时 也有部分污染物透过细胞壁 穿过质膜进入细胞质 污染物进入细胞的过程主要有 细胞壁的吸附 非共质体沉积和透过质膜的细胞内积累 黄瓜 菠菜细胞各组分Cd的含量及分配表 黄瓜 菠菜细胞各组分Pb的含量及分配表 F1细胞壁及未破碎残渣 F2细胞核为主的成分 F3线粒体成分 F4核蛋白成分 F5可溶性组分 污染物通过植物细胞膜进入细胞的过程主要有两种方式 一种是被动的扩散 物质顺着本身的浓度梯度或细胞膜的电化学势流动 一种是物质的主动传递过程 需要能量 细胞膜透过机制可归纳为以下几个方面 1 流动输送主要指水溶性的化学物质和难脂溶性的微粒子 直径8 4nm以上不能通过 2 脂质层受控扩散主要指脂溶性化合物 3 媒介输送与能动载体输送促使媒介输送的能量为浓度比 扩散 称被动输送 促使能动载体输送的能量来自生物化学作用 称主动输送 二 污染物在植物体内的迁移与代谢转化 1 污染物在植物体内的迁移从根表面吸收的污染物能横穿根的中部 被送入导管 进入导管后随蒸腾拉力向地上部移动 无机离子达到内皮层可能有两种通路 一是为非