环境化学第五章生物体内污染物的运动及毒性.ppt

环境化学第五章生物体内污染物的运动及毒性.ppt

《环境化学第五章生物体内污染物的运动及毒性.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《环境化学第五章生物体内污染物的运动及毒性.ppt（99页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第五章第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性生物体内污染物质的运动过程及毒性重点要求

（1）掌握污染物质的生物富集、放大和积累;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。

（2）了解微生物对污染物质的转化速率;有关重要辅酶的功能;有毒有机污染物质生物转化的类型。

目录1物质通过生物膜的方式2污染物质在机体内的转运3污染物质的生物富集、放大和积累4污染物质的生物转化5.污染物质的毒性1物质通过生物膜的方式1.1生物膜的结构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75-100A的流动变动复杂体。

在磷脂双分子层中,中央存在一个疏水区,生物膜是类脂层屏障。

膜上镶嵌的蛋白质,有附着在磷脂双分子层表面的表在蛋白,有深埋或贯穿磷脂双分子层的内在蛋白。

蛋白质的生理功能：

或是转运膜内外物质的载体,或是起催化作用的酶,或是能量转换器。

在生物膜中还间以带极性、常含有水的微小孔道，称为膜孔。

1.2物质通过生物膜的方式物质通过生物膜的方式根据机制可分为以下五类:

1.膜孔滤过直径小于膜孔的水溶性物质,可借助膜两侧静水压及渗透压经膜孔滤过。

2.被动扩散脂溶性物质从高浓度侧向低浓度侧、即顺浓度梯度扩散通过有类脂层屏障的生物膜。

扩散速率服从费克定律:

（5-1）d/dt-物质膜扩散速率,即dt间隔时间内垂直向扩散通过膜的物质的量;x-膜厚度;c-膜两侧物质的浓度梯度;A-扩散面积;D-扩散系数。

一般,脂/水分配系数越大,分子越小,或在体液pH条件下解离越少的物质,扩散系数也越大。

被动扩散不需耗能,不需载体参与,不会出现特异性选择、竞争性抑制及饱和现象。

3.被动易化扩散：

有些物质可在高浓度侧与膜上特异性蛋白质载体结合,通过生物膜,至低浓度侧解离出原物质。

这一转运称为被动易化扩散。

它受到膜特异性载体及其数量的制约,因而呈现特异性选择,类似物质竞争性抑制和饱和现象。

4.主动转运：

在需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,至高浓度侧解离出原物质。

这一转运称为主动转运。

所需代谢能量来自膜的三磷酸腺苷酶分解三磷酸腺（ATP）苷成二磷酸腺苷（ADP）和磷酸时所释放的能量。

这种转运还与膜的高度特异性载体及其数量有关,具有特异性选择,类似物质竞争性抑制和饱和现象。

5.胞吞和胞饮：

少数物质与膜上某种蛋白质有特殊亲和力,当其与膜接触后,可改变这部分膜的表面张力,引起膜的外包或内陷而被包围进入膜内,固体物质的这一转运称为胞吞,而液态物质的这一转运称为胞饮。

影响物质通过生物膜方式的因素:

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。

如脂溶性、水溶性、解离度、分子大小等。

被动易化扩散和主动转运,是正常的营养物质及其代谢物通过生物膜的主要方式，被动扩散方式通过生物膜也是重要方式2污染物质在机体内的转运2.1吸收吸收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。

吸收途径主要是机体的消化管、呼吸道和皮肤。

消化管的主要吸收部位在小肠,其次是胃。

进入小肠的污染物质大多以被动扩散通过肠粘膜再转入血液.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。

前三者统称转运,而排泄与生物转化又称为消除。

影响消化管吸收的因素

（1）污染物质的脂溶性：

脂溶性越强及在小肠内浓度越高,被小肠吸收也越快。

（2）血液流速：

污染物质的脂溶性强，血流速度越大,则膜两侧污染物质的浓度梯度越大,机体对污染物质的吸收速率也越大。

极性污染物质,因其脂溶性小,在被小肠吸收时经膜扩散成了限速因素,而对血流影响不敏感。

（3）离解度：

未解离型易于扩散通过膜。

小肠液的酸性（pH6.6）明显低于胃液（pH2）,有机弱碱在小肠和胃液中分别以未解离型和解离型占优势,因此有机弱碱在小肠中的吸收比在胃中的吸收快。

呼吸管是吸收大气污染物的主要途径。

其主要吸收部位是肺泡。

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。

固态气溶胶和粉尘污染物质吸进呼吸道后,可在气管、支气管及肺泡表面沉积。

到达肺泡的固态颗粒很小,粒径小于5m.其中,易溶微粒在溶于肺泡表面体液后,按上述过程被吸收,而难溶微粒往往在吞噬作用下被吸收。

皮肤吸收是不少污染物质进入机体的途径。

皮肤接触的污染物质,常以被动扩散相继通过皮肤的表皮及真皮,再滤过真皮中毛细血管壁膜进入血液。

一般,分子量低于300,处于液态或溶解态,呈非极性的脂溶性污染物质,最容易被皮肤吸收,如酚、尼古丁、马钱子碱等。

2.2分布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。

污染物质的转运以被动扩散为主。

特点:

A脂溶性污染物质易于通过生物膜，组织血流速度是分布的限速因素。

它们在血流丰富的组织（如肺、肝、肾）的分布迅速。

B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,必须穿过这一毛细管壁内皮的屏障，此时,污染物质的经膜通透性成为其转运的限速因素。

-血脑屏障。

高脂溶性低解离度的污染物质经膜通透性好,容易通过血脑屏障,由血液进入脑部,如甲基汞化合物。

C污染物质常与血液中的血浆蛋白质结合。

这种结合呈可逆性,结合与解离处于动态平衡。

只有未与蛋白结合的污染物质才能在体内组织进行分布。

D有些污染物质可与血液的红细胞或血管外组织蛋白相结合,也会明显影响它们在体内的分布。

如肝、肾细胞内有一类含疏基氨基酸的蛋白,易与锌、镉、汞、铅等重金属结合成复合物,称为金属硫蛋白2.3排泄排泄排泄是污染物质及其代谢物质向机体外的转运过程。

排泄器官有肾、肝胆、肠、肺、外分泌腺等,而以肾和肝胆为主。

肾排泄污染物质的效率是肾小球滤过,近曲小管主动分泌和远曲小管被动重吸收的综合结果。

大部分污染物质都能从肾小球滤过能分别分泌有机酸（如羧酸、磺酸、尿酸、磺酰胺）和有机碱（如胺、季胺）对滤过肾小球溶液中的污染物质,可以被动扩散进行重吸收,使之在不同程度上又返回血液胆汁排泄：

污染物质在肝脏的分泌主要是主动转运，为污染物质代谢物的主要排出途径。

即水溶性大、脂溶性小的化合物,胆汁排泄良好。

肠肝循环：

有些物质由胆汁排泄,在肠道运行中又重新被吸收,该现象称为肠肝循环。

2.4蓄积蓄积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。

蓄积量是吸收、分布、代谢转化和排泄各量的代数和。

机体的主要蓄积部位是血浆蛋白、脂肪组织和骨骼。

蓄积部位与毒性作用部位：

相同-如百草枯在肺及一氧化碳在红细胞中血红蛋白的集中。

不相一致-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;铅集中于骨髓,而毒性作用部位在造血系统、神经系统及胃肠道等。

蓄积部位中的污染物质,常同血浆中游离型污染物质保持相对稳定的平衡。

在污染物质蓄积和毒性作用的部位不相一致时,蓄积部位可成为污染物质内在的二次接触源,有可能引起机体慢性中毒。

3污染物质的生物富集、放大和积累3.1生物富集生物富集是指生物通过非吞食方式,从周围环境（水、土壤、大气）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。

生物富集用生物浓缩系数表示,即:

BCF=Cb/Ce（5-2）式中:

BCF-生物浓缩系数;Cb-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。

影响生物浓缩系数的因素

（1）物质性质-降解性、脂溶性和水溶性。

一般,降解性小、脂溶性高、水溶性低的物质,生物浓缩系数高。

（2）生物特征-生物种类、大小、性别、器官、生物发育阶段等。

如金枪鱼和海绵对铜的浓缩系数,分别是100和1400。

（3）环境条件-包括温度、盐度、水硬度、pH值、氧含量和光照状况等。

动力学：

水生生物对水中难降解物质的富集速率,是生物对其吸收速率、消除速率及由生物机体质量增长引起的物质稀释速率的代数和。

吸收速率（Ra）、消除速率（Re）及稀释速率（Rg）的表示式为:

（5-3）（5-5）（5-4）式中:

是ka、ke、kg-水生生物吸收、消除、生长的速率常数;Cw、Cf-水及生物体内的瞬时物质浓度。

于是水生生物富集速率微分方程为:

（5-6）如果富集过程中生物质量增长不明显,则kg可忽略不计,式（5-6）简化成:

（5-7）通常,水体足够大,水中的物质浓度（CW）可视为恒定。

又设t=0时,Cf（O）=0。

在此条件下求解式（5-6）、式（5-7）,水生生物富集速率方程为:

（5-8）（5-9）从式（5-8）、式（5-9）看出,水生生物浓缩系数（cf/cw）随时间延续而增大,先期增大比后期迅速,当t时,生物浓缩系数依次为:

说明在一定条件下生物浓缩系数有一阈值。

（5-10）（5-11）对于有较高脂溶性和较低水溶性的、以被动扩散通过生物膜的难降解有机物质,这一过程的机理可简示为该类物质在水和生物脂肪组织两相间的分配作用。

有机物质在辛醇-水两相分配系数的对数（lgKow）与其在水生生物体中浓缩系数的对数（lgBCF）之间有良好的线性正相关关系。

其通式为:

（5-12）如NeeleyW.B.等报道,8种有机物质的lgKow和它们在虹蹲体中的lgBCF之间相关系数为0.948,回归方程为:

lgBCF=0.5421gKow+0.124（5-13）式（5-12）中的回归系数、b与有机物质和水生生物的种类及水体条件有关。

据此选用已建成的回归方程,代入Kow值,便可估算相应有机物质的BCF值。

富集机理-分配作用3.23.2生物放大生物放大生物放大是指在同一食物链上的高营养级生物,通过吞食低营养级生物蓄积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。

生物放大的程度也用生物浓缩系数表示。

影响生物放大的因素:

如食物链往往都十分复杂,相互交织成网状,同一种生物在发育的不同阶段或相同阶段,有可能隶属于不同的营养级而具有多种食物来源,这就扰乱了生物放大。

不同生物或同一生物在不同的条件下,对物质的吸收、消除等均有可能不同,也会影响生物放大状况。

3.3生物积累生物积累生物放大或生物富集是属于生物积累的一种情况。

生物积累:

就是生物从周围环境（水、土壤、大气）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。

生物积累也用生物浓缩系数表示。

以水生生物对某物质的生物积累而论,其微分速率方程可以表示为:

式中:

CW-生物生存水中某物质浓度;Ci-食物链i级生物中该物质浓度;另一项是Ci-1-食物链i-1级生物中该物质浓度;Wi，i-1-i级生物对i-1级生物的摄食率;i，i-1-i级生物对i-1级生物中该物质的同化率;kai-i级生物对该物质的吸收速率常数;kei-i级生物体中该物质消除速率常数;kgi-i级生物的生长速率常数。

当生物积累达到平衡时dci/dt=0,式（5-14）成为:

（5-14）（5-15a）式中右端二项依次以Cwi和Ci表示,则此式改写成:

（5-15b）从水中摄得的浓度-生物富集的贡献从食物链传递得到的浓度-生物放大的贡献显然,只有在式（5-16）的右端项大于1时,食物链上从饵料生物至捕食生物才会呈现生物放大。

通常Wi，i-1kgi,因而对于同种生物来说,是kei越小和i-1越大的物质,生物放大也越显著。

Ci与Ci-1的关系为（5-16）4污染物质的生物转化物质在生物作用下经受的化学变化,称为生物转化或代谢（转化）。

生物转化污染物质在环境中的三大主要转化类型化学转化光化学转化4.1生物转化中的酶酶的定义：

酶是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.其中,在酶催化下发生转化的物质称为底物或基质;底物所发生的转化称为酶促反应。

酶催化作用的特点:

第一,催化专一性高。

一种酶只能对一种底物或一类底物起催化作用,而促进一定的反应,生成一定的代谢产物。

如蛋白酶只能催化蛋白质水解,而不能催化淀粉水解。

脲酶仅能催化尿素水解:

第二,酶催化效率高。

一般,酶催化反应的速率比化