环境化学课件第四章 污染物的生态毒理

1、 内容内容第二节第二节 吸收、分布、代谢、排泄吸收、分布、代谢、排泄一、物质通过生物膜的方式一、物质通过生物膜的方式二、二、 污染物质在生物体内的转运污染物质在生物体内的转运 一、一、物质通过生物膜的方式物质通过生物膜的方式ADMEADME is an acronym in pharmacokinetics and pharmacology for absorption, distribution, metabolism, and excretion, and describes the disposition of a pharmaceutical compound within an or

2、ganism.1. 生物膜的结构生物膜的结构70年代年代(Singer and Nicholson, 1972)提出的液态镶嵌模型：提出的液态镶嵌模型：磷脂双分子层构成细胞膜的骨架磷脂双分子层构成细胞膜的骨架(75-100)，亲水基团排，亲水基团排列于内外两面；蛋白质分子覆盖、镶嵌、贯穿列于内外两面；蛋白质分子覆盖、镶嵌、贯穿(物质转运物质转运的载体，酶；膜孔的载体，酶；膜孔)。 一、一、物质通过生物膜的方式物质通过生物膜的方式生物膜脂质双分子层结构生物膜脂质双分子层结构 一、一、物质通过生物膜的方式物质通过生物膜的方式(1) 膜孔过滤膜孔过滤扩散系数；扩散面积；膜两侧物质浓度梯度；膜厚度；D

3、ACxxCDAdtdQ2. 物质通过生物膜的方式物质通过生物膜的方式脂溶性物质从高浓脂溶性物质从高浓度向低浓度侧扩散。扩度向低浓度侧扩散。扩散速率服从费克定律。散速率服从费克定律。直径小于膜孔的水溶性物质，可借助膜两侧的静水压直径小于膜孔的水溶性物质，可借助膜两侧的静水压及渗透压经膜孔滤过。及渗透压经膜孔滤过。(2) 被动扩散被动扩散在高浓度侧与膜上特性性蛋白质结合，通过生物膜，至低在高浓度侧与膜上特性性蛋白质结合，通过生物膜，至低浓度侧解离出原物质。浓度侧解离出原物质。它受到膜特异性载体及其数量的制约，因此有特异性选择，它受到膜特异性载体及其数量的制约，因此有特异性选择，竞争性抑制和饱和现象

4、。竞争性抑制和饱和现象。(3) 被动易化扩散被动易化扩散脂脂/水分配系数越大，分子越小，不容易离解的分子，扩水分配系数越大，分子越小，不容易离解的分子，扩散系数越大。被动扩散不需要耗能，不需要载体参与，没有散系数越大。被动扩散不需要耗能，不需要载体参与，没有特异性选择、竞争性抑制及饱和现象。特异性选择、竞争性抑制及饱和现象。 一、一、物质通过生物膜的方式物质通过生物膜的方式 一、一、物质通过生物膜的方式物质通过生物膜的方式在需要消耗一定的代谢能量下，一些物质可在低浓度在需要消耗一定的代谢能量下，一些物质可在低浓度侧与膜上高浓度特异性蛋白载体结合，通过生物膜，至高侧与膜上高浓度特异性蛋白载体结合

5、，通过生物膜，至高浓度侧解离出蛋白质和原物质。浓度侧解离出蛋白质和原物质。所需要的能量来自于所需要的能量来自于ATP。这种转运具有特异性选择、。这种转运具有特异性选择、竞争性抑制和饱和现象。例如钾离子的主动转运。竞争性抑制和饱和现象。例如钾离子的主动转运。(4) 主动转运主动转运(Active Transport; Passive Transport)： 一、一、物质通过生物膜的方式物质通过生物膜的方式少数物质与膜上某种蛋白质具有特殊的亲和力，当其少数物质与膜上某种蛋白质具有特殊的亲和力，当其与膜接触后，可改变这局部膜的外表张力，引起膜的外包与膜接触后，可改变这局部膜的外表张力，引起膜的外包或

6、内陷而被包围进入膜内，固体物质的这一转运称为胞吞，或内陷而被包围进入膜内，固体物质的这一转运称为胞吞，液体物质的这一转运称为胞饮。液体物质的这一转运称为胞饮。总之，物质通过生物膜的方式取决于膜内外环境、膜总之，物质通过生物膜的方式取决于膜内外环境、膜的性质和物质的结构。的性质和物质的结构。(5) 胞吞和胞饮胞吞和胞饮 二、二、污染物质在生物体内的转运污染物质在生物体内的转运吸收吸收分布分布排泄排泄生物转化生物转化污染物质在生物污染物质在生物体内的运动过程体内的运动过程转运转运消除消除吸收是污染物质从机体外通过各种途径通透体膜进入血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。吸收途

7、径主要是液的过程。吸收途径主要是消化道消化道、呼吸道呼吸道和和皮肤皮肤。1. 吸收吸收 二、二、污染物质在生物体内的转运污染物质在生物体内的转运口腔口腔食管食管胃胃肠肠消化道消化道被动扩散被动扩散被动扩散被动扩散污染物质的脂溶性污染物质的脂溶性血液流速血液流速pH与酸碱性与酸碱性呼吸道是吸收大气呼吸道是吸收大气污染物的主要途径污染物的主要途径被动扩散被动扩散滤过滤过吞噬吞噬皮肤：一般分子量低于皮肤：一般分子量低于300，液态或溶解态脂溶性强的物质。，液态或溶解态脂溶性强的物质。 二、二、污染物质在生物体内的转运污染物质在生物体内的转运污染物质被吸收后或其代谢转化物质形成后，由血液运污染物质被吸

8、收后或其代谢转化物质形成后，由血液运送至机体各组织；或与组织成分结合；以及在再反复等过程。送至机体各组织；或与组织成分结合；以及在再反复等过程。在污染物质的转运过程中，以被动扩散为主。在污染物质的转运过程中，以被动扩散为主。血脑屏障血脑屏障胎盘屏障胎盘屏障与血浆蛋白结合与血浆蛋白结合金属硫蛋白结合金属硫蛋白结合2. 分布分布关键：脂溶性大小关键：脂溶性大小 二、二、污染物质在生物体内的转运污染物质在生物体内的转运3. 排泄排泄 机体长期接触某些污染物质，假设吸收超过其排泄和代谢机体长期接触某些污染物质，假设吸收超过其排泄和代谢转化，那么会出现该污染物质在体内逐渐增多的现象，称为生转化，那么会出

9、现该污染物质在体内逐渐增多的现象，称为生物蓄积。蓄积时，污染物质的体内分布，主要是相对集中分布物蓄积。蓄积时，污染物质的体内分布，主要是相对集中分布于机体的某些部位。于机体的某些部位。机体的主要蓄积部位是血浆蛋白、脂肪组织和骨骼。机体的主要蓄积部位是血浆蛋白、脂肪组织和骨骼。有些物质的蓄积部位与毒性作用部位不同。有些物质的蓄积部位与毒性作用部位不同。蓄积部位的污染物质，常同血浆中游离型的污染物质保持蓄积部位的污染物质，常同血浆中游离型的污染物质保持相对稳定的平衡。相对稳定的平衡。4. 蓄积蓄积肾、肝脏肾、肝脏(胆汁胆汁)、肺、肺、胃肠胃肠其它：其它：汗液和唾液、毛发和指甲、随同乳汁汗液和唾液、

10、毛发和指甲、随同乳汁 内容内容第三节第三节 生物富集、放大与积累生物富集、放大与积累一、生物富集一、生物富集二、生物放大二、生物放大三、生物积累三、生物积累 一、一、生物富集生物富集生物富集生物富集是指生物通过非吞食方式，从周围环境中蓄积是指生物通过非吞食方式，从周围环境中蓄积某种某种元素元素或或难降解性物质难降解性物质，使其在机体内的浓度超过周围环，使其在机体内的浓度超过周围环境中的浓度的现象。生物富集常用生物富集系数境中的浓度的现象。生物富集常用生物富集系数(生物浓缩系生物浓缩系数、生物富集因子数、生物富集因子)表示：表示：Bioconcentration factors (BCF)beC

11、BCFC=BCF生物富集系数（因子）；生物富集系数（因子）；Cb平衡平衡时，某种污染物质在生物体内的浓度；时，某种污染物质在生物体内的浓度；Ce平衡平衡时，某种污染物质在机体周围环境中的浓度时，某种污染物质在机体周围环境中的浓度Bioconcentration污染物质因素：脂溶性、可降解性、结构污染物质因素：脂溶性、可降解性、结构生物因素：生物种类、大小、性别、器官、发育阶段生物因素：生物种类、大小、性别、器官、发育阶段环境因素：温度、盐度、硬度、环境因素：温度、盐度、硬度、pH、氧含量、光照、氧含量、光照水生生物对水中难降解性物质的富集是生物对其水生生物对水中难降解性物质的富集是生物对其吸收

12、速吸收速率率、消除速率消除速率以及由于生物体的生长所造成的以及由于生物体的生长所造成的稀释速率稀释速率的总的总和。和。影响生物富集因子的因素：影响生物富集因子的因素：动力学：动力学： 一、一、生物富集生物富集 一、一、生物富集生物富集吸收速率吸收速率：消除速率消除速率：稀释速率稀释速率：fggfeeWaaCkRCkRCkRka, ke, kg-水生生物吸收、消除、生长速率常数；水生生物吸收、消除、生长速率常数；Cf - 水生生物体内污染物的瞬时状态浓度；水生生物体内污染物的瞬时状态浓度；CW - 水中污染物的瞬时状态浓度；水中污染物的瞬时状态浓度； 一、一、生物富集生物富集通常水体足够大，水中

13、浓度通常水体足够大，水中浓度 CW可视为恒定。又可视为恒定。又t = 0 时，时， Cf = 0，在此条件下求解上面二式，分别得到：，在此条件下求解上面二式，分别得到：fgfeWafCkCkCkdtdCfeWafCkCkdtdC)exp(1 )exp(1 eeWafgegeWaftkkCkCtkkkkCkC如果富集过程中生物量增长不明显，那么如果富集过程中生物量增长不明显，那么kg 可以忽略不计，得可以忽略不计，得 一、一、生物富集生物富集eaWfgeaWfkkCCBCFkkkCCBCF随时间的增长而增大，随时间的增长而增大，WfCC当当 时，生物富集因子为：时，生物富集因子为：t 二、二、生

14、物放大生物放大同一食物链上的同一食物链上的高营养级高营养级的生物，通过的生物，通过吞食低营养级生物吞食低营养级生物而蓄积某种元素或难降解物质，使其在机体内浓度随营养级数而蓄积某种元素或难降解物质，使其在机体内浓度随营养级数升高而增大的现象。升高而增大的现象。生物放大的程度也用生物浓缩系数表示。生物放大的程度也用生物浓缩系数表示。Biomagnification, also known as bioamplification, or biological magnification is the increase in concentration of a substance, such as

15、the pesticide DDT, that occurs in a food chain as a consequence of:Food chain energetics；Low (or nonexistent) rate of excretion/degradation of the substance. 三、三、生物积累生物积累生物放大生物放大或或生物富集生物富集是属于是属于生物积累生物积累的一种情况。所谓的一种情况。所谓生物积累，就是生物从生物积累，就是生物从周围环境和食物链蓄积周围环境和食物链蓄积某种元素或难某种元素或难降解性物质，使其在机体中浓度超过周围环境中浓度的现象。降解性

16、物质，使其在机体中浓度超过周围环境中浓度的现象。生物积累也用生物浓缩系数表示。生物积累也用生物浓缩系数表示。Bioaccumulation is the general term describing a process by which chemicals are taken up by a plant or animal either directly from exposure to a contaminated medium (soil, sediment, water) or by eating food containing the chemical. 水生生物对某物质的水生生物对

17、某物质的积累速率积累速率等于从等于从水中的吸收速率水中的吸收速率，从，从食食物链上的吸收速率物链上的吸收速率及其本身及其本身消除、稀释速率消除、稀释速率的代数和。的代数和。igieiiiiiiwaiiCkkCWCkdtdC)(11,1,Cw生物生存的水环境中某物质浓度；生物生存的水环境中某物质浓度；Ci食物链食物链i级生物中某物质的浓度；级生物中某物质的浓度；Ci-1食物链食物链i-1级生物中该物质的浓度；级生物中该物质的浓度；Wij-1i级生物对级生物对i-1级生物的摄食率；级生物的摄食率；i,i-1 i级生物对级生物对i-1级生物中该物质的同化率；级生物中该物质的同化率；Kaii级生物对该

18、物质的吸收速率常数；级生物对该物质的吸收速率常数；Keii级生物体中该物质的消除速率常数级生物体中该物质的消除速率常数;Kgii级生物的生长速率常数级生物的生长速率常数。 三、三、生物积累生物积累igieiiiiiiwaiiCkkCWCkdtdC)(11,1, 三、三、生物积累生物积累0dtdCi当当t 时，时，11,1,W)()(igieiiiiigieiaiiCkkWCkkkCiwiiCCCgieiiiiiiikkWCC1,1,1通常通常Wi,i-1 kgi，对于同种生物，对于同种生物，kei越小，越小，i,i-1越大的越大的物质，生物放大越显著。物质，生物放大越显著。 Cw：生物生存的水

19、环境中某物质浓度；：生物生存的水环境中某物质浓度；Ci ：食物链：食物链i级生物中某物质的浓度；级生物中某物质的浓度；Ci-1 ：食物链：食物链i-1级生物中该物质的浓度；级生物中该物质的浓度；Wij-1 ： i级生物对级生物对i-1级生物的摄食率；级生物的摄食率；i,i-1 ： i级生物对级生物对i-1级生物中该物质的级生物中该物质的 同化率；同化率；Kai ： i级生物对该物质的吸收速率常数；级生物对该物质的吸收速率常数；Kei ： i级生物体中该物质的消除速率常数级生物体中该物质的消除速率常数;Kgi ： i级生物的生长速率常数级生物的生长速率常数。 内容内容第四节第四节 污染物生物转化

20、污染物生物转化一、生物转化中的酶一、生物转化中的酶二、二、 假设干重要辅酶的功能假设干重要辅酶的功能三、生物氧化过程的氢传递过程三、生物氧化过程的氢传递过程四、有毒有机污染物生物转化四、有毒有机污染物生物转化五、有毒有机污染物的微生物降解五、有毒有机污染物的微生物降解六、局部污染物的微生物转化六、局部污染物的微生物转化 一、一、生物转化中的酶生物转化中的酶物质在生物的作用下所经受的化学变化，称为生物转化物质在生物的作用下所经受的化学变化，称为生物转化或代谢或代谢(转化转化)。在生物转化过程中，微生物发挥了重要作用。在生物转化过程中，微生物发挥了重要作用。通过生物转化，污染物质的毒性发生了转变。

21、通过生物转化，污染物质的毒性发生了转变。污染物质在环境中的三大转化类型污染物质在环境中的三大转化类型生物转化生物转化化学转化化学转化光化学转化光化学转化生物转化生物转化Biotransformation is the chemical modification (or modifications) made by an organism. If this modification ends in mineral compounds like CO2, NH3+ or H2O, the biotransformation is called mineralisation. 一、一、生物转化中的酶

22、生物转化中的酶酶是又生物细胞制造和分泌的、以蛋白质为主要成分的、具酶是又生物细胞制造和分泌的、以蛋白质为主要成分的、具有催化活性的生物催化剂。有催化活性的生物催化剂。根据催化作根据催化作用的场所用的场所胞外酶胞外酶胞内酶胞内酶生物转化中的酶生物转化中的酶 催化专一性高；催化专一性高； 催化效率高；催化效率高； 温和的外部条件；温和的外部条件； 种类多；种类多；特点特点 一、一、生物转化中的酶生物转化中的酶单成分酶单成分酶双成分酶双成分酶根据催化根据催化反响类型反响类型 辅基或辅酶的作辅基或辅酶的作用是：传递电子、原子用是：传递电子、原子或某些基团。酶蛋白的或某些基团。酶蛋白的作用是决定催化专一

23、性作用是决定催化专一性和催化效率。和催化效率。 辅酶的成分是金辅酶的成分是金属离子、含金属的有机属离子、含金属的有机化合物或小分子的复杂化合物或小分子的复杂有机化合物。辅酶约有有机化合物。辅酶约有30种。种。氧化复原酶；氧化复原酶；转移酶；转移酶；水解酶；水解酶；裂解酶；裂解酶；异构酶；异构酶；合成酶；合成酶；按酶的按酶的成分成分酶蛋白酶蛋白辅基或辅酶辅基或辅酶 二、假设干重要辅酶的功能二、假设干重要辅酶的功能黄素单核苷酸黄素单核苷酸(FMN)核酸核酸核苷酸核苷酸磷酸磷酸核苷核苷戊糖戊糖碱基碱基1. FMN和和FADFMN或或FAD是一些氧化复原酶的辅酶，在酶促反响中具有是一些氧化复原酶的辅酶

24、，在酶促反响中具有传递氢原子的功能。传递氢原子的功能。黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD) 二、假设干重要辅酶的功能二、假设干重要辅酶的功能腺嘌呤腺嘌呤NADP+(烟酰胺烟酰胺腺嘌呤二核苷酸腺嘌呤二核苷酸磷根磷根)2. NAD+和和NADP+NAD+(烟酰胺烟酰胺腺嘌呤二核苷酸腺嘌呤二核苷酸) 二、假设干重要辅酶的功能二、假设干重要辅酶的功能辅酶辅酶Q又称为泛醌，简写为又称为泛醌，简写为CoQ，是某些氧化复原反响的辅，是某些氧化复原反响的辅酶。在酶促反响起到传递氢的作用。酶。在酶促反响起到传递氢的作用。3. 辅酶辅酶Q 二、假设干重要辅酶的功能二、假设干重要辅酶的功能细胞色素酶系是催

25、化底物细胞色素酶系是催化底物氧化的一类酶系，主要有氧化的一类酶系，主要有细胞色素细胞色素b,c1,c,a,a3等几种。等几种。辅酶都是铁卟啉环。辅酶都是铁卟啉环。cytnFe3+cytnFe2+e-e4. 细胞色素酶系的辅酶细胞色素酶系的辅酶细胞色素细胞色素 (Cytochromes)细胞色素类是含铁的电子传细胞色素类是含铁的电子传递体。递体。铁原子处于卟啉的结构中心，铁原子处于卟啉的结构中心，构成血红素构成血红素(heme)。细胞色素类都以血红素作为细胞色素类都以血红素作为辅基辅基. 二、假设干重要辅酶的功能二、假设干重要辅酶的功能 二、假设干重要辅酶的功能二、假设干重要辅酶的功能血红素血红

26、素血红素血红素A辅酶辅酶A是泛酸的一个衍生物，简写为是泛酸的一个衍生物，简写为CoASH，结构是：，结构是：5. 辅酶辅酶A 二、假设干重要辅酶的功能二、假设干重要辅酶的功能CoASH + CH3CO+ CH3CO-SCoA + H+ 辅酶A(CoASH)腺核苷腺核苷3-磷酸磷酸焦磷酸焦磷酸泛酸泛酸氨基乙硫醇氨基乙硫醇 三、三、生物氧化过程的氢传递过程生物氧化过程的氢传递过程腺苷腺苷+能量能量腺苷腺苷+式中：符号式中：符号“”高能磷酸键高能磷酸键腺苷局部结构如下：腺苷局部结构如下：在生物氧化中有机物质的氧化多为去氢氧化。脱落的氢在生物氧化中有机物质的氧化多为去氢氧化。脱落的氢(H+ e)由相应

27、的氧化复原酶按一定顺序传递至受体。这一由相应的氧化复原酶按一定顺序传递至受体。这一氢原子或电子的传递过程称为氢传递或电子传递过程，其受氢原子或电子的传递过程称为氢传递或电子传递过程，其受体为受氢体或电子受体。受氢体如果为细胞内的分子氧，就体为受氢体或电子受体。受氢体如果为细胞内的分子氧，就是有氧氧化，假设为非分子氧，那么为无氧氧化。是有氧氧化，假设为非分子氧，那么为无氧氧化。有氧氧化与无氧氧化有氧氧化与无氧氧化 三、三、生物氧化过程的氢传递过程生物氧化过程的氢传递过程只有一种酶作用于有机底物，脱落底物的氢只有一种酶作用于有机底物，脱落底物的氢(H+ e)，其中电，其中电子由该酶的辅酶直接传递给

28、分子氧，形成激活态子由该酶的辅酶直接传递给分子氧，形成激活态O2-，与，与H+化化合形成水。合形成水。 SH2有机底物 S被氧化的有机底物氧化酶1/2 O2O2-H2O2e2Cu2+2Cu+2H+1. 有氧氧化中以分子氧为直接受氢体的传递氢过程有氧氧化中以分子氧为直接受氢体的传递氢过程 三、三、生物氧化过程的氢传递过程生物氧化过程的氢传递过程NAD+FMNFMNH2CoQCoQH2 SH2有机底物 S被氧化的有机底物NADH+ H+脱氢酶2H+2H2H脱氢酶细胞色素酶系2Fe3+2Fe2+1/2 O2O2-2eH2O2e几种酶共同发挥作用：第一种酶从有机底物脱落氢，由其余几种酶共同发挥作用：第

29、一种酶从有机底物脱落氢，由其余的酶顺序传递，最后把其中的电子传递给分子氧形成激活态的酶顺序传递，最后把其中的电子传递给分子氧形成激活态O2-，并与脱落氢中的质子结合成水。并与脱落氢中的质子结合成水。2. 有氧氧化中分子氧为间接受氢体的递氢过程有氧氧化中分子氧为间接受氢体的递氢过程 三、三、生物氧化过程的氢传递过程生物氧化过程的氢传递过程有一种或一种以上酶参与，最后由脱氢酶辅酶有一种或一种以上酶参与，最后由脱氢酶辅酶 NADH + H+将所含来源于有机底物的氢，传给该底物生物转化的相应将所含来源于有机底物的氢，传给该底物生物转化的相应中间产物。中间产物。兼性厌氧的酵母菌在无分子氧存在下以葡萄糖为

30、生长底兼性厌氧的酵母菌在无分子氧存在下以葡萄糖为生长底物时，用葡萄糖转化中间产物乙醛作为受氢体，乙醛被复原物时，用葡萄糖转化中间产物乙醛作为受氢体，乙醛被复原成乙醇。成乙醇。葡萄糖系列酶促反应CH3CHOCH3CH2OHNADH+H+NAD+乙醇脱氢酶2H3. 无氧氧化中有机底物转化中间产物作受氢体的递氢过程无氧氧化中有机底物转化中间产物作受氢体的递氢过程 三、三、生物氧化过程的氢传递过程生物氧化过程的氢传递过程在这类氢传递过程中，最常见的受氢体是硝酸根、硫酸根和在这类氢传递过程中，最常见的受氢体是硝酸根、硫酸根和二氧化碳。它们接受来源于有机底物由酶传递来的氢，而被二氧化碳。它们接受来源于有机

31、底物由酶传递来的氢，而被分别复原为分子氮分别复原为分子氮(或一氧化二氮或一氧化二氮)、硫化氢和甲烷。例如：、硫化氢和甲烷。例如：10H+2NO3- + 2H+N2 + 6 H2O兼性厌氧反硝化菌4. 无氧氧化中某些无机含氧化合物作受氢体的递氢过程无氧氧化中某些无机含氧化合物作受氢体的递氢过程 三、三、生物氧化过程的氢传递过程生物氧化过程的氢传递过程 四、四、有毒有机污染物生物转化有毒有机污染物生物转化有机毒物在生物体内的转化途径多种多样，但就其反响类型有机毒物在生物体内的转化途径多种多样，但就其反响类型来讲，主要有氧化、复原、水解和结合反响四种。来讲，主要有氧化、复原、水解和结合反响四种。通常

32、将氧化、复原、水解四种反响称为通常将氧化、复原、水解四种反响称为I相反响或第一阶段相反响或第一阶段反响；将结合反响称为反响；将结合反响称为II相反响或第二阶段反响。相反响或第二阶段反响。通过通过I相反响，将活泼的极性基团加到疏水的有机分子之上，相反响，将活泼的极性基团加到疏水的有机分子之上，通过通过II相反响，形成水溶性更高的化合物，容易排除体外。相反响，形成水溶性更高的化合物，容易排除体外。1. 有毒有机污染物生物转化类型有毒有机污染物生物转化类型 四、四、有毒有机污染物生物转化有毒有机污染物生物转化是机体内代谢外来化合物的关键酶系。主要存在于高等是机体内代谢外来化合物的关键酶系。主要存在于

33、高等生物体内。对于人及动物，在肝细胞内质网膜上含量最高。生物体内。对于人及动物，在肝细胞内质网膜上含量最高。功能：利用细胞内分子氧，将其中的一个氧原子与有机功能：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成水。底物结合，使之氧化，而使另一个氧原子与氢原子结合成水。在这一催化过程中，混合功能氧化酶的成分之一，细胞色素在这一催化过程中，混合功能氧化酶的成分之一，细胞色素P450起着关键作用。起着关键作用。 P450的活性部位是铁卟啉的铁原子。的活性部位是铁卟啉的铁原子。2. 氧化反响类型氧化反响类型(1) 微粒体混合功能氧化酶微粒体混合功能氧化酶(M

34、FO) 四、四、有毒有机污染物生物转化有毒有机污染物生物转化P450对底物催化氧化对底物催化氧化 SOS(底物底物)P450P450P450P450P450(Fe 2+ )(Fe 2+ )O2O2SSS2H+H2O(Fe 3+ )(Fe 3+ )(Fe 3+ )OeesNADPH+H+氧化型底物氧化型底物 四、四、有毒有机污染物生物转化有毒有机污染物生物转化 碳双键环氧化碳双键环氧化重排重排 四、四、有毒有机污染物生物转化有毒有机污染物生物转化 碳羟基化碳羟基化 四、四、有毒有机污染物生物转化有毒有机污染物生物转化 氧脱烃氧脱烃 硫脱烃、硫硫脱烃、硫-氧化及脱硫氧化及脱硫6-甲硫基嘌呤甲硫基嘌

35、呤6-硫基嘌呤硫基嘌呤 四、四、有毒有机污染物生物转化有毒有机污染物生物转化 氮脱烃、氮氮脱烃、氮-氧化及脱氮氧化及脱氮对硫磷对硫磷对氧磷对氧磷 四、四、有毒有机污染物生物转化有毒有机污染物生物转化 四、四、有毒有机污染物生物转化有毒有机污染物生物转化HNNR+ OROH 四、四、有毒有机污染物生物转化有毒有机污染物生物转化脱氢酶是伴随有氢原子或电子转移，以非分子氧为受体脱氢酶是伴随有氢原子或电子转移，以非分子氧为受体的酶。醇氧化成醛；醇氧化成酮；醛氧化成羧酸；的酶。醇氧化成醛；醇氧化成酮；醛氧化成羧酸；氧化酶是伴随氢或电子转移，以分子氧为直接受氢体的氧化酶是伴随氢或电子转移，以分子氧为直接受

36、氢体的酶类。酶类。RCH2NH2 + H2ORCHO + NH3 + 2H(2) 脱氢酶脱氢氧化脱氢酶脱氢氧化 (3) 氧化酶氧化氧化酶氧化 四、四、有毒有机污染物生物转化有毒有机污染物生物转化(1) 可逆脱氢酶加氢复原可逆脱氢酶加氢复原(2) 硝基复原酶复原硝基复原酶复原(3) 偶氮复原酶复原偶氮复原酶复原3. 复原反响类型复原反响类型NO2NOHN OHNH2-H2O2H2H2HN NN NH HNH2+NH22H2H 四、四、有毒有机污染物生物转化有毒有机污染物生物转化复原脱氯酶能使含氯化合物脱氯，或脱复原脱氯酶能使含氯化合物脱氯，或脱HCl而被复原。而被复原。(4) 复原脱氯酶复原复原

37、脱氯酶复原 四、四、有毒有机污染物生物转化有毒有机污染物生物转化 四、四、有毒有机污染物生物转化有毒有机污染物生物转化4. 水解反响类型水解反响类型(1) 羧酸脂酶使脂肪脂水解羧酸脂酶使脂肪脂水解RCOOR + H2ORCOOH + ROH(2) 芳香脂酶使芳香族脂水解芳香脂酶使芳香族脂水解NH2COOCH2CH2N(C2H5)2+ H2ONH2COOH+ HOCH2CH2N(C2H5)2 四、四、有毒有机污染物生物转化有毒有机污染物生物转化(3) 磷酸酯酶使磷酸酯水解磷酸酯酶使磷酸酯水解POC2H5OC2H5OONO2 + H2OPOC2H5OC2H5OOHOHNO2+(4) 酰胺酶使酰胺水

38、解酰胺酶使酰胺水解HNOC2H5CCH3O+ H2ONH2OC2H5+ CH3COOH 四、四、有毒有机污染物生物转化有毒有机污染物生物转化(1) 葡萄糖醛酸结合葡萄糖醛酸结合在葡萄糖醛酸转移在葡萄糖醛酸转移酶作用下，生物体酶作用下，生物体内内尿嘧啶核苷二磷尿嘧啶核苷二磷酸葡萄糖醛酸酸葡萄糖醛酸中，中，葡萄糖醛酸基可转葡萄糖醛酸基可转移至含羟基的化合移至含羟基的化合物上，形成物上，形成O-葡萄葡萄糖苷酸糖苷酸结合物。结合物。5. 假设干重要结合反响类型假设干重要结合反响类型 四、四、有毒有机污染物生物转化有毒有机污染物生物转化(2) 硫酸结合硫酸结合在硫酸基转移酶在硫酸基转移酶的催化下，可将的

39、催化下，可将 3-磷酸磷酸-5-磷硫酸磷硫酸酰苷中硫酸基转酰苷中硫酸基转移到酚或醇的羟移到酚或醇的羟基上，形成基上，形成硫酸硫酸酯结合物酯结合物。OHNO2POOHOOH2COOPOHOOHNNNNNH2OHSHOOO+PAPS3 磷酸5磷硫酸腺苷PAP3 磷酸5磷硫酸腺苷对硝基苯基硫酸酯 四、四、有毒有机污染物生物转化有毒有机污染物生物转化在相应的转移酶催化下，谷胱甘肽中的在相应的转移酶催化下，谷胱甘肽中的半胱氨酸半胱氨酸及及乙酰乙酰辅酶辅酶A的乙酰基的乙酰基，将以，将以 N-乙酰半胱氨酸基乙酰半胱氨酸基形式加到形式加到有机卤有机卤(氟除外氟除外)化合物化合物、环氧化物、强酸酯、芳香烃、烯等

40、亲电化环氧化物、强酸酯、芳香烃、烯等亲电化合物的碳原子合物的碳原子上，形成巯基尿酸结合物。上，形成巯基尿酸结合物。亲电化合物如果与细胞蛋白或核酸上的亲核基团结合，亲电化合物如果与细胞蛋白或核酸上的亲核基团结合，常引起细胞坏死、肿瘤、血液功能紊乱和过敏现象，谷胱甘常引起细胞坏死、肿瘤、血液功能紊乱和过敏现象，谷胱甘肽的结合，有力地解除了对机体有害的亲电化合物的毒性。肽的结合，有力地解除了对机体有害的亲电化合物的毒性。(3) 谷胱甘肽结合谷胱甘肽结合 四、四、有毒有机污染物生物转化有毒有机污染物生物转化谷胱甘肽结合反响谷胱甘肽结合反响 五、五、有毒有机污染物的微生物降解有毒有机污染物的微生物降解生

41、成醇、醛及脂生成醇、醛及脂肪酸，最终降解肪酸，最终降解成二氧化碳和水。成二氧化碳和水。1. 烃类烃类碳原子数大于碳原子数大于1的正烷烃的正烷烃烷烃烷烃末端末端氧化氧化次末次末端氧端氧化化双端双端氧化氧化最常最常见见烯的饱和烯的饱和末端氧化末端氧化烯的不饱和末烯的不饱和末端双键环氧化端双键环氧化环氧化合物环氧化合物二醇二醇饱和脂肪酸饱和脂肪酸开环开环 五、五、有毒有机污染物的微生物降解有毒有机污染物的微生物降解图图5-11 烷烃末端氧化降解过程烷烃末端氧化降解过程 五、五、有毒有机污染物的微生物降解有毒有机污染物的微生物降解图图5-12 烯烃微生物降解途径烯烃微生物降解途径CH3(CH2)nCH

42、=CH2HOCH2(CH2)nCH=CH2CH3(CH2)nCH - CH2OHOOC(CH2)nCH=CH2CH3(CH2)nCH-CH2OH OHCH3(CH2)nCH2COOHCO2 + H2O脂肪酸-氧化TCA循环OOH2O4H2HH2O系列酶促反应水化酶加氧酶加氧酶 五、五、有毒有机污染物的微生物降解有毒有机污染物的微生物降解第一，降解前期，带侧链芳香烃往往先从侧链开始分解，第一，降解前期，带侧链芳香烃往往先从侧链开始分解，并在但加氧酶的作用下使芳环羟化形成双醇中间产物。并在但加氧酶的作用下使芳环羟化形成双醇中间产物。第二，形成的双酚化合物在高度专一性的双加氧酶作用下，第二，形成的双

43、酚化合物在高度专一性的双加氧酶作用下，环的二个碳原子各加一个氧原子，使环键在邻酚位或间酚环的二个碳原子各加一个氧原子，使环键在邻酚位或间酚位分裂，形成相应的有机酸。位分裂，形成相应的有机酸。第三，得到的有机酸逐步转化为乙酰辅酶第三，得到的有机酸逐步转化为乙酰辅酶A，琥珀酸等，琥珀酸等，从而进入三羧酸循环，最后降解成从而进入三羧酸循环，最后降解成CO2,H2O。苯及其衍生物的微生物降解过程苯及其衍生物的微生物降解过程 五、五、有毒有机污染物的微生物降解有毒有机污染物的微生物降解图图5-13 苯的微生物降解途径苯的微生物降解途径CO2 + H2OTCA循环HHOOHOHCOOHCOOHCOOHOC

44、 OCOOHOCOOHCOOHOCOHOOC(CH2)2COOHCH3COSCoA+儿萘酚顺-顺粘康酸粘康酸内酯-酮己二酸烯醇内酯-酮己二酸乙酰辅酶A琥珀酸OH2O2HO2H2OCoASH-氧化 五、五、有毒有机污染物的微生物降解有毒有机污染物的微生物降解 五、五、有毒有机污染物的微生物降解有毒有机污染物的微生物降解2. 农药农药图图5-14 微生物降解微生物降解2,4-D乙酯根本途径乙酯根本途径H2CCOOCH2CH3OClClH2CCOOOHOClClHOCH2CH3ClClOHOHClOHCOOHCOOHCl+ H2O水解酶酶酶脱氯酶双加氧酶CO2、H2O、Cl-CO2、H2O+3/2O

45、2-2CO2-H2O 五、五、有毒有机污染物的微生物降解有毒有机污染物的微生物降解 五、五、有毒有机污染物的微生物降解有毒有机污染物的微生物降解图图5-16 微生物降解微生物降解DDT的简要途径的简要途径 六、局部污染物的微生物转化六、局部污染物的微生物转化1. 氮的微生物转化氮的微生物转化氮在环境中主氮在环境中主要有三种形态要有三种形态分子氮分子氮蛋白质、核酸等有机氮化合物蛋白质、核酸等有机氮化合物铵盐、硝酸盐等无机氮铵盐、硝酸盐等无机氮氮在环境中的转化过程：氮在环境中的转化过程：同化同化、氨化氨化、硝化硝化、反硝化反硝化、固氮固氮等。等。同化同化：绿色植物和微生物吸收硝态氮和铵态氮，组成机

46、体中的：绿色植物和微生物吸收硝态氮和铵态氮，组成机体中的蛋白质、核酸等含氮有机物的过程。蛋白质、核酸等含氮有机物的过程。氨化氨化：所有生物残体中的有机氮化合物，经微生物分解成氨态：所有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。氮的过程。 六、局部污染物的微生物转化六、局部污染物的微生物转化反硝化：硝酸盐在通气不良的条件下，通过微生物作用而复原反硝化：硝酸盐在通气不良的条件下，通过微生物作用而复原的过程称为反硝化。的过程称为反硝化。硝化硝化：氨在有氧条件下，氧化成硝酸盐的过程成为硝化。氨在有氧条件下，氧化成硝酸盐的过程成为硝化。2H+ + 2NO2- + 能量2NO2- + O22N

47、O3- + 能量2NH3+3O2 六、局部污染物的微生物转化六、局部污染物的微生物转化包括细菌、真菌、放线菌在内的多种微生物，能将硝酸盐包括细菌、真菌、放线菌在内的多种微生物，能将硝酸盐复原为亚硝酸盐。复原为亚硝酸盐。兼性厌氧假单胞菌属、色杆菌属等能使硝酸盐复原成氮气。兼性厌氧假单胞菌属、色杆菌属等能使硝酸盐复原成氮气。HNO3 + 2HHNO2 + H2O2HNO34H-2H2O2HNO24H-2H2O2HNO4H-2H2ON2逸至大气-H2ON2O2H-H2O逸至大气梭状芽孢杆菌等常将硝酸盐复原成亚硝酸盐和氨梭状芽孢杆菌等常将硝酸盐复原成亚硝酸盐和氨HNO32H-H2OHNO22H-H2O

48、HNOH2ONH(OH)22H-H2ONH2OH2H-H2ONH3 六、局部污染物的微生物转化六、局部污染物的微生物转化固氮固氮：通过微生物作用把分子氮转化为氨的过程，此时，氨：通过微生物作用把分子氮转化为氨的过程，此时，氨不释放到环境中，而是继续在机体内转化，合成氨基酸，组不释放到环境中，而是继续在机体内转化，合成氨基酸，组成蛋白质等。成蛋白质等。3CH2O + 2N2 + 3H2O + 4H+3CO2 + 4NH4+2. 硫的微生物转化硫的微生物转化环境中硫的环境中硫的存在形式存在形式单质硫单质硫无机硫化合物无机硫化合物有机硫化合物：含硫的氨基酸、磺氨酸等。有机硫化合物：含硫的氨基酸、磺氨

49、酸等。硫化氢和单质硫在微生物作硫化氢和单质硫在微生物作用下进行氧化，最后生成硫用下进行氧化，最后生成硫酸的过程成为酸的过程成为硫化硫化。 六、局部污染物的微生物转化六、局部污染物的微生物转化在好氧微生物作用下，降解产物是硫酸；在好氧微生物作用下，降解产物是硫酸；在厌氧条件下，产物是硫化氢。在厌氧条件下，产物是硫化氢。硫酸盐和亚硫酸盐在微生物作用下复原，最后生成硫化氢的硫酸盐和亚硫酸盐在微生物作用下复原，最后生成硫化氢的过程称为反硫化。过程称为反硫化。含硫有机物降解含硫有机物降解 六、局部污染物的微生物转化六、局部污染物的微生物转化3. 汞的微生物转化汞的微生物转化汞在环境中的存汞在环境中的存在

50、形态有三种在形态有三种金属汞金属汞无机汞化合物无机汞化合物有机汞化合物有机汞化合物毒性大小：有机汞毒性大小：有机汞金属汞金属汞无机汞化合物，其中烷基汞是无机汞化合物，其中烷基汞是毒性最大的汞化合物。毒性最大的汞化合物。水俣病、甲基汞脂溶性大，化学性质稳定，容易被生物水俣病、甲基汞脂溶性大，化学性质稳定，容易被生物吸收，能够被生物放大。吸收，能够被生物放大。微生物参与汞形态转化主要有：甲基化作用和复原作用。微生物参与汞形态转化主要有：甲基化作用和复原作用。 六、局部污染物的微生物转化六、局部污染物的微生物转化汞的生物甲基化汞的生物甲基化：在好氧或厌氧条件下，水体底质中某些：在好氧或厌氧条件下，水

51、体底质中某些微生物使微生物使二价无机汞二价无机汞盐转变为盐转变为甲基汞甲基汞和和二甲基汞二甲基汞的过程。的过程。微生物、酶微生物、酶(甲基钴氨氮氨酸转移酶甲基钴氨氮氨酸转移酶)、辅酶、辅酶(甲基钴胺素、甲基钴胺素、甲基维生素甲基维生素B12)。甲基钴氨素简式甲基钴氨素简式Co3+Bz二甲基苯二甲基苯并咪唑并咪唑 六、局部污染物的微生物转化六、局部污染物的微生物转化汞的生物甲基化途径汞的生物甲基化途径Hg2+或或CH3Hg+ CH3Hg+或或(CH3)2HgCo3+ OHHBzCo3+BzCH3-BzFADH2FADH2O2H+N5-CH3-THF(N5-甲基四氢叶酸）甲基四氢叶酸）THF四氢叶

52、酸四氢叶酸 六、局部污染物的微生物转化六、局部污染物的微生物转化汞的生物去甲基化：在水体底质中还存在一类抗汞微生物，汞的生物去甲基化：在水体底质中还存在一类抗汞微生物，能使甲基汞或无机汞化合物变成金属汞，这是微生物以复原能使甲基汞或无机汞化合物变成金属汞，这是微生物以复原作用转化汞的途径。作用转化汞的途径。CH3HgCl + 2HHg + CH4 + HCl(CH3)2Hg + 2HHg + 2CH4HgCl2 + 2HHg + 2HCl 内容内容第五节第五节 毒物、毒性毒物、毒性一、剂量一、剂量- -反响关系与剂量反响关系与剂量- -效效应关系应关系二、毒物的联合作用二、毒物的联合作用三、毒

53、作用的生物化学机制三、毒作用的生物化学机制 一、剂量一、剂量-反响关系与剂量反响关系与剂量-效应关系效应关系进入生物机体后能使进入生物机体后能使体液和组织体液和组织发生发生生物化学生物化学变化，变化，干干扰或破坏机体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。理损害，甚至危及生命的物质。1. 毒物毒物 toxicant毒物与非毒物之间并不存在绝对界限。毒物与非毒物之间并不存在绝对界限。外来化合物、外源性物质外来化合物、外源性物质 (Xenobiotics)。Anthropogenic (人为的、与人类起源有关的人为的、

54、与人类起源有关的)化学结构、理化性质；毒物所处的基体因素；机体暴露于化学结构、理化性质；毒物所处的基体因素；机体暴露于毒物的情况；生物因素；环境条件；毒物的情况；生物因素；环境条件； 毒性毒性(toxicity)影响因素影响因素计量指标计量指标: 用测量值表示毒性强度的差异。如有机磷农药用测量值表示毒性强度的差异。如有机磷农药抑制胆碱酯酶的程度，用胆碱酯酶的活性表示。抑制胆碱酯酶的程度，用胆碱酯酶的活性表示。计数指标计数指标: 这类毒性效应只有这类毒性效应只有有或无有或无的差异，没有性质的差异，没有性质和强度的差异。计数指标主要用于群体，所得到的测定值是和强度的差异。计数指标主要用于群体，所得

55、到的测定值是非连续性的，通常以一个群体中某效应的出现率表示，常用非连续性的，通常以一个群体中某效应的出现率表示，常用于生态毒理研究及生态风险评价之中。于生态毒理研究及生态风险评价之中。2. 毒性指标毒性指标 一、剂量一、剂量-反响关系与剂量反响关系与剂量-效应关系效应关系指外源化合物的剂量与出现某种效应的个体在群体中所占指外源化合物的剂量与出现某种效应的个体在群体中所占比例的关系。比例的关系。剂量剂量-反响关系反响关系:剂量剂量-效应关系效应关系外源化合物的剂量与在个体中引起某种效应外源化合物的剂量与在个体中引起某种效应(计量指标计量指标)的的强度改变的关系。强度改变的关系。 一、剂量一、剂量

56、-反响关系与剂量反响关系与剂量-效应关系效应关系 直线关系，在这种关系中，剂量改变与效应强度或反响率成直线关系，在这种关系中，剂量改变与效应强度或反响率成正比，这种关系是少见的正比，这种关系是少见的 (线线 a)。 对数曲线关系，是一条先锐后钝的曲线，当将剂量换算成对对数曲线关系，是一条先锐后钝的曲线，当将剂量换算成对数剂量时，可转换成直线数剂量时，可转换成直线 (线线 c)。 S状曲线，当群体中的全部个体，状曲线，当群体中的全部个体，对某一化合物的敏感性变异，对某一化合物的敏感性变异，呈对称正态频数分布时，剂量呈对称正态频数分布时，剂量与反响率关系成与反响率关系成S状曲线状曲线 (线线b)。

57、如果将效应强度或发生率用概如果将效应强度或发生率用概率单位表示，剂量用对数来表率单位表示，剂量用对数来表示，示，S形曲线亦变成直线。形曲线亦变成直线。剂量剂量-反响反响(效应效应)曲线：曲线： 一、剂量一、剂量-反响关系与剂量反响关系与剂量-效应关系效应关系半数有效量：半数有效量半数有效量：半数有效量是指实验生物有是指实验生物有50% 出现出现阳性结果时所需的毒物的阳性结果时所需的毒物的剂量。剂量。如果用水体或空气中有机如果用水体或空气中有机污染物的浓度表示剂量，污染物的浓度表示剂量，那么相应的毒性指标便为那么相应的毒性指标便为半数致死浓度半数致死浓度 (LC50)。半。半数效应浓度数效应浓度

58、(EC50)。为什么通常以半数有效为什么通常以半数有效量表示毒性大小？量表示毒性大小？ 一、剂量一、剂量-反响关系与剂量反响关系与剂量-效应关系效应关系毒物兴奋效应毒物兴奋效应1-氨基蒽醌的非典型剂量氨基蒽醌的非典型剂量-效应效应(反响反响)关系关系 一、剂量一、剂量-反响关系与剂量反响关系与剂量-效应关系效应关系1,8-二羟基蒽醌对大型蚤繁殖的影响二羟基蒽醌对大型蚤繁殖的影响 一、剂量一、剂量-反响关系与剂量反响关系与剂量-效应关系效应关系宏观：种群水平上，污染物的生态毒理宏观：种群水平上，污染物的生态毒理1,8-二羟基蒽醌和二羟基蒽醌和1-氨基蒽醌对内禀增长率影响氨基蒽醌对内禀增长率影响

59、一、剂量一、剂量-反响关系与剂量反响关系与剂量-效应关系效应关系 一、剂量一、剂量-反响关系与剂量反响关系与剂量-效应关系效应关系 一、剂量一、剂量-反响关系与剂量反响关系与剂量-效应关系效应关系 一、剂量一、剂量-反响关系与剂量反响关系与剂量-效应关系效应关系 一、剂量一、剂量-反响关系与剂量反响关系与剂量-效应关系效应关系3. 毒性计算毒性计算No. 1 2 3 4 5浓度：浓度： 10, 20 40 80 120 mg/L 死亡率：死亡率：0 1% 50% 90% 100% 化合物甲化合物甲死亡率：死亡率：0 0 0 0 80% 化合物乙化合物乙死亡率：死亡率：10% 46% 72% 1

60、00% 100% 化合物丙化合物丙对照对照 (Control)空白空白 (Blank) 一、剂量一、剂量-反响关系与剂量反响关系与剂量-效应关系效应关系将死亡率或其它效应以概率单位将死亡率或其它效应以概率单位表示，剂量以对数表示，转化剂表示，剂量以对数表示，转化剂量与反响间的量与反响间的S形曲线为直线，然形曲线为直线，然后用最小二乘法拟合该直线，求后用最小二乘法拟合该直线，求出概率单位为出概率单位为 5 时相对应的浓度时相对应的浓度值，便是半数致死浓度值，便是半数致死浓度 (LC50) 或或半数效应浓度半数效应浓度 (EC50)。在此方法。在此方法中，死亡率为中，死亡率为 0 % 和和 100