环境管理_污染物的生态毒理概述

第四章污染物的生态毒理(EcotoxicologyofPollutants),内容,第一节毒理学与生态毒理学第二节吸收、分布、代谢、排泄第三节生物富集、放大与积累第四节污染物生物转化第五节毒物、毒性,内容,第一节毒理学与生态毒理学,一、毒理学(Toxicology)二、生态毒理学(Ecotoxicology),一、毒理学,Toxicology,Toxicology(fromtheGreekwordstoxicosandlogos)isthestudyoftheadverseeffectsofchemicalsonlivingorganisms1.Itisthestudyofsymptoms,mechanisms,treatmentsanddetectionofpoisoning,especiallythepoisoningofpeople.,Toxicologystudiestherelationshipbetweendoseanditseffectsonthelivingorganism.Thechiefcriterionregardingthetoxicityofachemicalisthedose,i.e.theamountofexposuretothesubstance.Almostallsubstancesaretoxicundertherightconditions.,RelationshipBetweenDoseandToxicity,一、毒理学,ToxicityofMetabolites,Manysubstancesregardedaspoisonsaretoxiconlyindirectly.Anexampleiswoodalcohol,ormethanol,ischemicallyconvertedtoformaldehydeandformicacidintheliver.Itistheformaldehydeandformicacidthatcausethetoxiceffectsofmethanolexposure.Manydrugmoleculesaremadetoxicintheliver,agoodexamplebeingacetaminophen(paracetamol),especiallyinthepresenceofalcohol.,二、生态毒理学,Ecotoxicology,ThetermecotoxicologywascoinedbyTruhautin1969,whodefineditasthebranchoftoxicologyconcernedwiththestudyoftoxiceffects,causedbynaturalorsyntheticpollutants,totheconstituentsofecosystems,animal(includinghuman),vegetableandmicrobial,inanintegralcontext”(Truhaut,1977).Ecotoxicologyisallegedtobetheintegrationoftoxicologyandecologyor,asChapman(2002)suggested“ecologyinthepresenceoftoxicants”.Itaimstopredicttheeffectsuponnaturalpopulations,communities,orecosystems-theecosystem-ofstressors,betheyanthropogenicinoriginorotherwise.,内容,第二节吸收、分布、代谢、排泄,一、物质通过生物膜的方式二、污染物质在生物体内的转运,一、物质通过生物膜的方式,ADME,ADMEisanacronyminpharmacokineticsandpharmacologyforabsorption,distribution,metabolism,andexcretion,anddescribesthedispositionofapharmaceuticalcompoundwithinanorganism.,1.生物膜的结构,70年代(SingerandNicholson,1972)提出的液态镶嵌模型：磷脂双分子层构成细胞膜的骨架(75-100)，亲水基团排列于内外两面；蛋白质分子覆盖、镶嵌、贯穿(物质转运的载体，酶；膜孔)。,一、物质通过生物膜的方式,生物膜脂质双分子层结构,一、物质通过生物膜的方式,(1)膜孔过滤,2.物质通过生物膜的方式,脂溶性物质从高浓度向低浓度侧扩散。扩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及渗透压经膜孔滤过。,(2)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，竞争性抑制和饱和现象。,(3)被动易化扩散,脂/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，没有特异性选择、竞争性抑制及饱和现象。,一、物质通过生物膜的方式,一、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，至高浓度侧解离出蛋白质和原物质。所需要的能量来自于ATP。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。,(4)主动转运(ActiveTransport;PassiveTransport)：,一、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，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、膜的性质和物质的结构。,(5)胞吞和胞饮,二、污染物质在生物体内的转运,吸收分布排泄生物转化,污染物质在生物体内的运动过程,转运,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液的过程。吸收途径主要是消化道、呼吸道和皮肤。,1.吸收,二、污染物质在生物体内的转运,口腔食管胃肠,消化道,被动扩散,被动扩散,污染物质的脂溶性,血液流速,pH与酸碱性,呼吸道是吸收大气污染物的主要途径,被动扩散滤过吞噬,皮肤：一般分子量低于300，液态或溶解态脂溶性强的物质。,二、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。,血脑屏障胎盘屏障与血浆蛋白结合金属硫蛋白结合,2.分布,关键：脂溶性大小,二、污染物质在生物体内的转运,3.排泄,机体长期接触某些污染物质，若吸收超过其排泄和代谢转化，则会出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。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相对稳定的平衡。,4.蓄积,肾、肝脏(胆汁)、肺、胃肠其它：汗液和唾液、毛发和指甲、随同乳汁,内容,第三节生物富集、放大与积累,一、生物富集二、生物放大三、生物积累,一、生物富集,生物富集是指生物通过非吞食方式，从周围环境中蓄积某种元素或难降解性物质，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(生物浓缩系数、生物富集因子)表示：,Bioconcentrationfactors(BCF),Bioconcentration,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、发育阶段环境因素：温度、盐度、硬度、pH、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吸收速率、消除速率以及由于生物体的生长所造成的稀释速率的总和。,影响生物富集因子的因素：,动力学：,一、生物富集,一、生物富集,吸收速率：消除速率：稀释速率：,ka,ke,kg-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；CW-水中污染物的瞬时状态浓度；,一、生物富集,通常水体足够大，水中浓度CW可视为恒定。又t=0时，Cf=0，在此条件下求解上面二式，分别得到：,如果富集过程中生物量增长不明显，则kg可以忽略不计，得,一、生物富集,随时间的增长而增大，,当时，生物富集因子为：,二、生物放大,同一食物链上的高营养级的生物，通过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。,Biomagnification,alsoknownasbioamplification,orbiologicalmagnificationistheincreaseinconcentrationofasubstance,suchasthepesticideDDT,thatoccursinafoodchainasaconsequenceof:Foodchainenergetics；Low(ornonexistent)rateofexcretion/degradationofthesubstance.,三、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。所谓生物积累，就是生物从周围环境和食物链蓄积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。生物积累也用生物浓缩系数表示。,Bioaccumulationisthegeneraltermdescribingaprocessbywhichchemicalsaretakenupbyaplantoranimaleitherdirectlyfromexposuretoacontaminatedmedium(soil,sediment,water)orbyeatingfoodcontainingthechemical.,水生生物对某物质的积累速率等于从水中的吸收速率，从食物链上的吸收速率及其本身消除、稀释速率的代数和。,Cw生物生存的水环境中某物质浓度；Ci食物链i级生物中某物质的浓度；Ci-1食物链i-1级生物中该物质的浓度；Wij-1i级生物对i-1级生物的摄食率；i,i-1i级生物对i-1级生物中该物质的同化率；Kaii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;Kgii级生物的生长速率常数。,三、生物积累,三、生物积累,当t时，,通常Wi,i-1kgi，对于同种生物，kei越小，i,i-1越大的物质，生物放大越显著。,Cw：生物生存的水环境中某物质浓度；Ci：食物链i级生物中某物质的浓度；Ci-1：食物链i-1级生物中该物质的浓度；Wij-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级生物体中该物质的消除速率常数;Kgi：i级生物的生长速率常数。,内容,第四节污染物生物转化,一、生物转化中的酶二、若干重要辅酶的功能三、生物氧化过程的氢传递过程,四、有毒有机污染物生物转化五、有毒有机污染物的微生物降解六、部分污染物的微生物转化,一、生物转化中的酶,物质在生物的作用下所经受的化学变化，称为生物转化或代谢(转化)。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。,污染物质在环境中的三大转化类型,生物转化化学转化光化学转化,生物转化,Biotransformationisthechemicalmodification(ormodifications)madebyanorganism.IfthismodificationendsinmineralcompoundslikeCO2,NH3+orH2O,thebiotransformationiscalledmineralisation.,一、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、具有催化活性的生物催化剂。,根据催化作用的场所,胞外酶,胞内酶,生物转化中的酶,催化专一性高；催化效率高；温和的外部条件；种类多；,特点,一、生物转化中的酶,单成分酶双成分酶,根据催化反应类型,辅基或辅酶的作用是：传递电子、原子或某些基团。酶蛋白的作用是决定催化专一性和催化效率。辅酶的成分是金属离子、含金属的有机化合物或小分子的复杂有机化合物。辅酶约有30种。,氧化还原酶；转移酶；水解酶；裂解酶；异构酶；合成酶；,按酶的成分,酶蛋白辅基或辅酶,二、若干重要辅酶的功能,黄素单核苷酸(FMN),核酸核苷酸,磷酸核苷,戊糖碱基,1.FMN和FAD,FMN或FAD是一些氧化还原酶的辅酶，在酶促反应中具有传递氢原子的功能。,黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD),二、若干重要辅酶的功能,腺嘌呤,NADP+(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷根),2.NAD+和NADP+,NAD+(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸),二、若干重要辅酶的功能,辅酶Q又称为泛醌，简写为CoQ，是某些氧化还原反应的辅酶。在酶促反应起到传递氢的作用。,3.辅酶Q,二、若干重要辅酶的功能,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,a3等几种。辅酶都是铁卟啉环。,4.细胞色素酶系的辅酶,细胞色素(Cytochromes)细胞色素类是含铁的电子传递体。铁原子处于卟啉的结构中心，构成血红素(heme)。细胞色素类都以血红素作为辅基.,二、若干重要辅酶的功能,二、若干重要辅酶的功能,辅酶A是泛酸的一个衍生物，简写为CoASH，结构是：,CoASH+CH3CO+CH3CO-SCoA+H+,5.辅酶A,腺核苷3-磷酸,焦磷酸,泛酸,氨基乙硫醇,二、若干重要辅酶的功能,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)由相应的氧化还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，若为非分子氧，则为无氧氧化。,有氧氧化与无氧氧化,三、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(H+e)，其中电子由该酶的辅酶直接传递给分子氧，形成激活态O2-，与H+化合形成水。,1.有氧氧化中以分子氧为直接受氢体的传递氢过程,三、生物氧化过程的氢传递过程,几种酶共同发挥作用：第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O2-，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,三、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，乙醛被还原成乙醇。,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,三、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、硫酸根和二氧化碳。它们接受来源于有机底物由酶传递来的氢，而被分别还原为分子氮(或一氧化二氮)、硫化氢和甲烷。例如：,4.无氧氧化中某些无机含氧化合物作受氢体的递氢过程,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,有机毒物在生物体内的转化途径多种多样，但就其反应类型来讲，主要有氧化、还原、水解和结合反应四种。通常将氧化、还原、水解四种反应称为I相反应或第一阶段反应；将结合反应称为II相反应或第二阶段反应。通过I相反应，将活泼的极性基团加到疏水的有机分子之上，通过II相反应，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,四、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P450起着关键作用。P450的活性部位是铁卟啉的铁原子。,2.氧化反应类型,(1)微粒体混合功能氧化酶(MFO),四、有毒有机污染物生物转化,P450对底物催化氧化,SO,S(底物),P450,P450,P450,P450,P450,(Fe2+),(Fe2+),O2,O2,S,S,S,2H+,H2O,(Fe3+),(Fe3+),(Fe3+),O,e,e,s,NADPH+H+,（氧化型底物）,四、有毒有机污染物生物转化,碳双键环氧化,重排,四、有毒有机污染物生物转化,碳羟基化,四、有毒有机污染物生物转化,氧脱烃,硫脱烃、硫-氧化及脱硫,四、有毒有机污染物生物转化,氮脱烃、氮-氧化及脱氮,四、有毒有机污染物生物转化,四、有毒有机污染物生物转化,四、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酶类。,(2)脱氢酶脱氢氧化,(3)氧化酶氧化,四、有毒有机污染物生物转化,(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,3.还原反应类型,四、有毒有机污染物生物转化,还原脱氯酶能使含氯化合物脱氯，或脱HCl而被还原。,(4)还原脱氯酶还原,四、有毒有机污染物生物转化,4.水解反应类型,(1)羧酸脂酶使脂肪脂水解,(2)芳香脂酶使芳香族脂水解,四、有毒有机污染物生物转化,(3)磷酸酯酶使磷酸酯水解,(4)酰胺酶使酰胺水解,四、有毒有机污染物生物转化,(1)葡萄糖醛酸结合在葡萄糖醛酸转移酶作用下，生物体内尿嘧啶核苷二磷酸葡萄糖醛酸中，葡萄糖醛酸基可转移至含羟基的化合物上，形成O-葡萄糖苷酸结合物。,5.若干重要结合反应类型,四、有毒有机污染物生物转化,(2)硫酸结合在硫酸基转移酶的催化下，可将3-磷酸-5-磷硫酸酰苷中硫酸基转移到酚或醇的羟基上，形成硫酸酯结合物。,四、有毒有机污染物生物转化,在相应的转移酶催化下，谷胱甘肽中的半胱氨酸及乙酰辅酶A的乙酰基，将以N-乙酰半胱氨酸基形式加到有机卤(氟除外)化合物、环氧化物、强酸酯、芳香烃、烯等亲电化合物的碳原子上，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，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。,(3)谷胱甘肽结合,四、有毒有机污染物生物转化,谷胱甘肽结合反应,五、有毒有机污染物的微生物降解,生成醇、醛及脂肪酸，最终降解成二氧化碳和水。,1.烃类,碳原子数大于1的正烷烃,烷烃末端氧化,次末端氧化,双端氧化,最常见,烯的饱和末端氧化,烯的不饱和末端双键环氧化,环氧化合物,二醇,饱和脂肪酸,开环,五、有毒有机污染物的微生物降解,烷烃末端氧化降解过程,五、有毒有机污染物的微生物降解,烯烃微生物降解途径,加氧酶,加氧酶,五、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，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，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。第三，得到的有机酸逐步转化为乙酰辅酶A，琥珀酸等，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,五、有毒有机污染物的微生物降解,苯的微生物降解途径,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,2.农药,微生物降解2,4-D乙酯基本途径,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,微生物降解DDT的简要途径,六、部分污染物的微生物转化,1.氮的微生物转化,氮在环境中主要有三种形态,分子氮,蛋白质、核酸等有机氮化合物,铵盐、硝酸盐等无机氮,氮在环境中的转化过程：同化、氨化、硝化、反硝化、固氮等。,同化：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。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氮的过程。,六、部分污染物的微生物转化,反硝化：硝酸盐在通气不良的条件下，通过微生物作用而还原的过程称为反硝化。,硝化：氨在有氧条件下，氧化成硝酸盐的过程成为硝化。,六、部分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，能将硝酸盐还原为亚硝酸盐。,兼性厌氧假单胞菌属、色杆菌属等能使硝酸盐还原成氮气。,梭状芽孢杆菌等常将硝酸盐还原成亚硝酸盐和氨,六、部分污染物的微生物转化,固氮：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，组成蛋白质等。,2.硫的微生物转化,环境中硫的存在形式,单质硫,无机硫化合物,有机硫化合物：含硫的氨基酸、磺氨酸等。,硫化氢和单质硫在微生物作用下进行氧化，最后生成硫酸的过程成为硫化。,六、部分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还原，最后生成硫化氢的过程称为反硫化。,含硫有机物降解,六、部分污染物的微生物转化,3.汞的微生物转化,汞在环境中的存在形态有三种,金属汞,无机汞化合物,有机汞化合物,毒性大小：有机汞金属汞无机汞化合物，其中烷基汞是已知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：甲基化作用和还原作用。,六、部分污染物的微生物转化,汞的生物甲基化：在好氧或厌氧条件下，水体底质中某些微生物使二价无机汞盐转变为甲基汞和二甲基汞的过程。微生物、酶(甲基钴氨氮氨酸转移酶)、辅酶(甲基钴胺素、甲基维生素B12)。,甲基钴氨素简式,二甲基苯并咪唑,六、部分污染物的微生物转化,汞的生物甲基化途径,六、部分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，能使甲基汞或无机汞化合物变成金属汞，这是微生物以还原作用转化汞的途径。,内容,第五节毒物、毒性,一、剂量-反应关系与剂量-效应关系二、毒物的联合作用三、毒作用的生物化学机制,一、剂量-反应关系与剂量-效应关系,进入生物机体后能使体液和组织发生生物化学变化，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。,1.毒物toxicant,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(Xenobiotics)。Anthropogenic(人为的、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；机体暴露于毒物的情况；生物因素；环境条件；,毒性(toxicity)影响因素,计量指标:用测量值表示毒性强度的差别。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。计数指标:这类毒性效应只有有或无的差别，没有性质和强度的差别。计数指标主要用于群体，所得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，常用于生态毒理研究及生态风险评价之中。,2.毒性指标,一、剂量-反应关系与剂量-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比例的关系。,剂量-反应关系:,剂量-效应关系,外源化合物的剂量与在个体中引起某种效应(计量指标)的强度改变的关系。,一、剂量-反应关系与剂量-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应率成正比，这种关系是少见的(线a)。对数曲线关系，是一条先锐后钝的曲线，当将剂量换算成对数剂量时，可转换成直线(线c)。,S状曲线，当群体中的全部个体，对某一化合物的敏感性变异，呈对称正态频数分布时，剂量与反应率关系成S状曲线(线b)。如果将效应强度或发生率用概率单位表示，剂量用对数来表示，S形曲线亦变成直线。,剂量-反应(效应)曲线：,一、剂量-反应关系与剂量-效应关系,半数有效量：半数有效量是指实验生物有50%出现阳性结果时所需的毒物的剂量。如果用水体或空气中有机污染物的浓度表示剂量，则相应的毒性指标便为半数致死浓度(LC50)。半数效应浓度(EC50)。,为什么通常以半数有效量表示毒性大小？,一、剂量-反应关系与剂量-效应关系,二、毒物的联合作用,1.联合作用类型,独立作用协同作用(含相加作用和加强作用)拮抗作用相加作用,简单相似作用、复杂相似作用、独立作用、依赖作用、,2.