第五章 生物体内污染物质的运动过程及毒性.ppt

1、,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(Constitution of Biological Membrane),生物膜主要是磷脂双分子层和蛋白质镶嵌组成的。,运转膜内外物质的载体，或是起催化作用的酶，或是能量转换器等。,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 (Transport of Pollutant in Bodi

2、es),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。,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；,从口腔中摄取的食物和饮水中的污染物质，主要通过被动扩散被消化管吸收，主动运转较少。 呼吸管吸收的气态和液态气溶胶污染物质，可以被动扩散和滤过方式，分别迅速通过肺泡和毛细血管膜进入血液； 皮肤接触的污染物质，常以被动扩散相继通过皮肤的表层及真皮，再滤过真皮中毛细血管壁膜进入血液。,第二节 污染物质在机体内的转运 (Transp

3、ort of Pollutant in Bodies),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。 在污染物质的分布过程中，污染物质的运转以被动扩散为主。 血脑屏障 胎盘屏障 金属硫蛋白,血脑屏障：中枢神经系统的毛细血管壁内皮细胞互相紧密相连，几乎无空隙，当污染物质由血液进入脑部时，必须穿过这一毛细血管壁内皮，即血脑屏障。此时，污染物质经膜的通透性成为其运转的限速因素。,胎盘屏障：污染物质由母体运转到胎儿体内时，必须通过由数层生物膜组成的胎盘，即胎盘屏障。此时，污染物质经膜的通透

4、性成为其运转的限速因素。,金属硫蛋白：肝肾细胞内有一类含有巯基氨基酸的蛋白，易与锌、镉、汞、铅等重金属结合成复合物，称为金属硫蛋白。因此肝、肾中这些污染物的浓度，可以远远超过其血液中浓度的数百倍。,第二节 污染物质在机体内的转运 (Transport of Pollutant in Bodies),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 (Renal Excretion) 2、肝胆系统的胆汁排泄 (Biliary Excretion) 3、肠道排泄 (Enterohepatic Excretion),肾排泄是污染物质通过肾

5、随尿而排除的过程，肾排泄是污染物的一个主要排泄过程。,胆汁排泄是指主要由消化管及其他途径吸收的污染物质，经血液到达肝脏后，以原物或其代谢物并胆汁一起分泌至十二指肠，经小肠至大肠内，再排出体外的过程。污染物质在肝脏中的分泌主要是主动运转，被动扩散较少。一般的，水溶性大，脂溶性小的化合物，胆汁排泄良好。,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。,第二节 污染物质在机体内的转运 (Transport of Pollutant in Bodies),蓄积 (Accumulation) 机体长期接触某污染物质，若吸收

6、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。 污染物的蓄积部位和毒性作用部位不一定相同。,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(Biological Concentration) 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(Bioconcentration Factor) ：,影响BCF的因素,物质性质：降解性、脂

7、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 (Bioaccumulation Process) 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

8、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,物质在生物作用下的化学变化，称为生物转化。其中，微生物起着关键作用。,第四节 污染物质的生物转化,一、生物转化中的酶(Enzyme in Biotransformation) 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,一、生物转化中的酶(Enzyme in Biotransformation),催化作用的场所,催

9、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,二、若干重要辅酶的功能 (Effect of Some Important Coenzyme),1、FMN和FAD 2、NAD+和NADP + 3、辅酶Q 4、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

10、腺嘌呤二核苷酸,NADP+烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,NAD+、NADP+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,第四节 污染物质的生物转化,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,4.细胞色素酶系的辅酶 细胞色素酶系是催化底物氧化的一类酶系，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。,辅酶都是铁卟啉，在酶促反应时，辅酶铁卟啉中的铁不断地进行氧化还原反应，当铁获得电子时从+3价还原为+2价，后者把电子传递出去后又氧化为+3价

11、。,辅酶A（CoASH）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,巯基与酰基形成硫酯。,第四节 污染物质的生物转化,三、生物氧化中的氢传递过程 (Hydrogen Transfor Process in Biological Oxidation) 生物氧化(Biological Oxidation ):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,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

12、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,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,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,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,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,耗氧有机污染物质(Oxygen-Consuming Organ

13、ic Pollutant ):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 (Microbial Degradation of Oxygen-Consuming Organic Pollutant),第四节 污染物质的生物转化,1、糖类的微生物降解 (Microbial Degradation of Carbohydrate),三羧酸循环或柠檬酸循环,体内物质糖类、脂肪或氨基酸有氧氧化的主要过程。通过生成的乙酰辅酶

14、A与草酰乙酸缩合生成柠檬酸(三羧酸)开始，再通过一系列氧化步骤产生CO2、最后仍生成草酰乙酸，进行再循环，从而为细胞提供了降解乙酰基而提供产生能量的基础。,无氧条件下：,第四节 污染物质的生物转化,1、糖类的微生物降解 (Microbial Degradation of Carbohydrate),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,2、脂肪的微生物降解 (Microbial Degradation of Fat),脂肪通过微生物作用，有氧条件下完全氧化

15、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,3、蛋白质的微生物降解(Microbial Degradation of Protein),耗氧有机污染物的微生物降解,第四节 污染物质的生物转化,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,4、甲烷发酵,注意事项 1、产甲烷菌是专一厌氧菌，因此甲烷发酵必须处于厌氧条件。 2、弱碱性环境：pH为7-8； 3、适宜的碳氮比30:1. 4、温度，菌种等等,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 (Types

16、of Biotransformation of Toxic Organic Pollutant),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

17、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,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

18、）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(Biotransformation of Polluted Matter),六、有毒有机污染物质的微生物降解 (Microbial Degradation of Toxic Organic Pollutants),1、烃类 (Hydro

19、carbons),2、农药的降解 (Degradation of Pesticides),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。,

20、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 (Degradation of Pesticides),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 (Degradation of Pesticides),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(Degradation of Pestici

21、des),第四节 污染物质的生物转化(Biotransformation of Polluted Matter),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)：

22、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

23、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(Nitrogen Fixation)： 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(Biotransformation of Polluted Matter),七

24、、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(Biotransformation of Polluted Matter),汞 (Mercury),八、重金属元素的微生物转化 (Microbial Transformation of Heavy Metal),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

25、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,甲基钴胺素有红色和黄色两种，可以相互转换，这两种甲基钴胺素均能与Hg2+（如双醋酸汞）反应生成甲基汞： 以上反应无论在好氧条件还是在厌氧条件下，厌氧条件下转化为二甲基汞，好氧条件下转化为一甲基汞。只要有甲基钴胺素存在，在微生物作用下反应就能实现，故甲基钴胺素

26、是汞生物甲基化的必要条件，,第四节 污染物质的生物转化 汞的微生物转化,甲基汞和二甲基汞之间可以相互转化。它主要决定于环境的pH。当水体pH较高时，汞易生成二甲基汞；pH较低时，汞易生成一甲基汞 二甲基汞是挥发性的，可由水体挥发至大气中。在大气中由于紫外线的照射，可光解为甲烷、乙烷和汞。 在烷基汞中，只有甲基汞、乙基汞、丙基汞是水俣病的致病性物质。,汞在环境中的循环,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()、

27、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

28、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 (Toxicity of Pollutant),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

29、质。 毒物与非毒物之间并不存在绝对的界限 二、毒物的毒性 (Toxicity of Toxicant),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 (Toxicity of Pollutant),第四节 污染物质的生物转化 毒物的毒性,半数有效剂量（ED50，median effective dose）,半数有

30、效浓度（EC50，median effective concentration),半数致死剂量（LD50，median lethal dose),半数致死浓度（ LC50 ，median lethal concentration),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-Action of Toxicant),协同作用 (Synergism),相加作用 (Additive Effect),独立作用 (Independent Effect),拮抗作用 (Antagonism),M M1+M2,M= M1+M2,MM1+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 (Process of Toxic Action),进入体液，经分布、代谢