有毒有机污染物质的微生物降解

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 第二节 污染物质在机体内的转运 第三节 污染物质的生物富集、放大和积累 第四节 污染物质的生物转化 第五节 毒作用的生物机制,六、有毒有机污染物质的微生物降解,烃类（烷烃、烯烃、苯、多环芳烃）、农药 1. 烃类的微生物降解途径 (1) 正烷烃（CH4除外）的降解 有氧氧化降解途径 烷烃末端氧化、或次末端氧化、或双端氧化生成醇生成醛生成脂肪酸； 脂肪酸氧化三羧酸循环 最终降解成二氧化碳和水,2) 甲烷的降解途径,能降解甲烷的是一群专一性微生物； 如好氧型的甲基孢囊菌、甲基单胞菌、甲基球菌、甲基杆菌等,3) 烯烃的微生物降解

2、途径,烯烃饱和末端氧化与正烷烃相同的途径不饱和脂肪酸； 烯烃不饱和末端双键环氧化环氧化合物开环二醇饱和脂肪酸,七、氮及硫的微生物转化,1氮的微生物转化 氮在环境中的三种主要形态 空气中的分子氮。 有机氮化合物（蛋白质、核酸等） 无机氮化合物（铵盐、硝酸盐等,同化,绿色植物和微生物吸收硝态氮和铵态氮，组成机体中蛋白质、核酸等含氮有机物质的过程。 氨化 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则称为氨化。 硝化(亚硝化) 氨在有氧条件下通过微生物作用，氧化成硝酸盐(亚硝酸盐)的过程称为硝化。 反硝化 硝酸盐在厌氧条件下，通过微生物作用而还原的过程。 固氮 通过微生物的作用把分子氮转化为

3、氨的过程,1) 硝化过程,硝化的两个阶段 亚硝化 硝化 细菌分别从亚硝化和硝化过程中取得能量，均是以二氧化碳为碳源进行生活的自养型细菌,2) 反硝化过程,反硝化的三种情形： 将硝酸盐还原为亚硝酸：包括细菌、真菌和放线菌在内的多种微生物。 硝酸盐还原成氮气：包括兼性厌氧假单胞菌属、色杆菌属等能,2) 反硝化过程,将硝酸盐还原成亚硝酸盐和氨：包括梭状芽孢杆菌等 所形成的氨可成为菌体合成自身的氨基酸等含氮物质的原料,2) 反硝化过程,微生物进行反硝化的条件 厌氧环境(溶解氧3)； 有硝酸盐作为氮源； pH中性至微碱性(pH 7.0-8.5)； 温度20-35,3) 固氮,通过微生物的作用把分子氮转化

4、为氨的过程称为固氮。此时，氨不释放到环境中，而是继续在机体内进行转化，合成氨基酸，组成自身蛋白质等。 固氮必须在固氮酶催化下进行： 环境中进行固氮作用的微生物 好氧根瘤菌(共生固氮微生物, 与豆科植物共生)。 厌氧梭状芽孢杆菌 (自生固氮微生物，土壤中) 厌氧蓝细菌（光合型固氮微生物, 水体中,2硫的微生物转化,硫是生命所必需的元素。 硫在环境中有单质硫、无机硫化合物和有机硫化合物三种存在形态。 三种硫形态可在微生物及其他生物作用下进行相互转化,1) 含硫有机物的降解,环境中的含硫有机物质 含硫的氨基酸（甲硫氨酸、半胱氨酸），磺氨酸等。 含硫有机物的微生物降解产物 在好氧条件下是硫酸， 在厌氧

5、条件下是硫化氢。 半胱氨酸的微生物降解,2) 无机硫的硫化（sulfur oxidation,硫化: 硫化氢、单质硫等在微生物（硫杆菌，硫磺菌）作用下进行氧化，最后生成硫酸的过程。 硫杆菌广泛分布于土壤、天然水及矿山排水中，它们绝大多数是好氧菌，有的能氧化硫化氢至硫，有的能氧化硫至硫酸： 硫磺菌：氧化H2S为单质硫，再至硫酸,3) 无机硫的反硫化（Desulfurization,反硫化：硫酸盐、亚硫酸盐等在微生物作用下还原生成硫化氢的过程。 脱硫弧菌：生长在缺氧的水体和土壤淹水及污泥中，利用硫酸根作为氧化有机物质的受氢体： 反硫化是海水中H2S的主要来源,八、重金属元素的微生物转化,1. 汞

6、1) 汞的存在形态与毒性 汞在环境中的存在形态：金属汞、无机汞化合物、有机汞化合物。 汞的毒性：有机汞(甲基汞)金属汞无机汞化合物 甲基汞脂溶性大，化学性质稳定，毒性比无机汞大50100倍。 水俣病为甲基汞中毒,2) 汞的生物甲基化,汞的生物甲基化 在好氧或厌氧条件下，水体底质中某些微生物使二价无机汞盐转变为甲基汞和二甲基汞的过程。 常见甲基化微生物 甲烷菌，萤光假单胞菌等 甲基化酶 甲基钴氨蛋氨酸转移酶 甲基化辅酶 甲基钴氨素（甲基维生素B12,CH3B12,汞的甲基化途径,甲基负离子迁移,N5-甲基四氢叶酸,N5-甲基四氢叶酸为甲基正离子供体,3) 汞的生物去甲基化,抗汞微生物能使甲基汞或

7、无机化合物变成金属汞，称为汞的生物去甲基化。 常见的抗汞微生物是假单胞菌属,2砷,砷在环境中的重要存在形态 五价无机砷化合物As(V)、 三价无机砷化合物As()、 一甲基胂酸CH3AsO(OH)2及其盐、 二甲基胂酸(CH3)2AsO(OH)及其盐 三甲基胂氧化物(CH3)3AsO、 三甲基胂(CH3)3As、 砷胆碱(CH3)3As+CH2CH2OH、 砷甜菜碱CH3)3AsCH2COO-、 砷糖等,2) 砷的毒性,砷是一种毒性很强的元素 砷毒性的一般规律: As()As(V)甲基砷化合物， 砷化合物甲基数递增毒性递减。 砷的鼠毒实验结果 As2O3 CH3AsO(OH)2 (CH3)2A

8、sO(OH) (高毒)(毒)(毒) (CH3)3AsO (CH3)3AsCH2COO-、 (无毒)(无毒) 例外：三甲基胂(CH3)3As有毒,3) 砷的微生物甲基化的基本途径,甲基供体: 辅酶S腺苷甲硫氨酸 甲基迁移机理：甲基正离子(CH3+) 迁移,S-腺苷甲硫胺酸(SAM,为甲基正离子供体，可使无机 As等甲基化,九、污染物质的生物转化速率,微生物对污染物质的反应速率与体外的酶促反应速率有密切关系。 由于微生物体内含有许多种酶，其酶促反应在不同程度上相互影响，而使微 生物反应速率与体外酶促反应速率又有相当差别。 酶促反应速率 微生物反应速率,1酶促反应的速率,1)米氏方程,其中， 米氏常

9、数Km=(k2十k3)k1 Km值越大，说明酶对底物的亲和力越小,产物P的生成速率(酶促反应的速率,米氏方程,酶促反应速度底物浓度关系,当SKm时，则V= Vmax ，呈现零级反应特征,Km及max值的图解 法,当= max/2 时，Km=s,2)影响酶促反应速率的因素,pH对酶促反应速率的影响 温度对酶促反应速率的影响 抑制剂的影响,pH对酶促反应速率的影响,酶促反应的最适pH值一般在5-8,温度对酶促反应速率的影响,随着温度上升，酶反应速率显著增加，直至最高点，以后由于酶的热致变性速率也随之增大，而使酶反应速率显著减小。 各种酶的最适温度常在3550区间,抑制剂的影响,抑制剂 就是能减小或

10、消除酶活性，而使酶的反应速率变慢或停止的物质。 不可逆抑制剂 以比较牢固的共价键同酶结合，不能用渗析、超滤等物理方法来恢复酶活性的抑制剂 不可逆抑制作用：不可逆抑制剂所起的作用。 可逆抑制剂 同酶的结合处于可逆平衡状态，可用渗析法除去而恢复 酶活性的物质。 可逆抑制作用：可逆抑制剂所起的作用。 抑制作用可分为竞争性抑制和非竞争性抑制,不可逆抑制剂使酶中毒的示例,竞争性抑制,底物S和抑制剂I，在酶的活性中心上竞争，分别形成ES及EI；ES可分解成产物P，而EI不能分解成产物P，酶反应速率因此下降。 竞争性抑制可通过增加底物浓度来解除,EI的解离常数Ki=ki,2/ki,1,非竞争性抑制,底物S和

11、抑制剂I分别在酶的活性中心及其之外部位与酶结合，彼此无争； ES和EI可分别再与抑制剂和底物结合成EIS； EIS不能分解为产物P，因此酶反应速率降低。 大部分非竞争性抑制都是由一些金属离子化合物与酶的活性中心之外的巯基进行可逆结合而引起的。 非竞争性抑制不能通过加大底物浓度来解除,2.微生物反应速率,实际环境中的微生物反应速率方程 实际环境中的微生物反应与单一酶促反应的不同 有多种碳源(有机污染物)存在 微生物群落中有各种微生物共存 实际环境中的微生物反应速率的经验公式 c 污染物质浓度;k微生物反应速率常数； n反应级数,好氧有机物的反应速率,若反应的速率可用一级反应速率方程描述 L 耗氧

12、有机物质在水中的浓度(BOD)； L0耗氧有机物质在水中的起始浓度(BOD)； k 耗氧有机物质的微生物反应速率常数,实际环境中的微生物反应速率方程,若有机污染物质的微生物转化速率遵守二级反应动力学规律（如生长代谢过程中污染物浓度很低时）： S水中污染物质浓度； B水中微生物浓度； Kb二级反应速率常数,2)影响微生物反应速率的因素,物质的结构特征; 微生物本身的特性 微生物不同酶不同催化活性不同降解速率不同。 环境条件 温度、pH值、营养物质、溶解氧、共存物质等,有机污染物质化学结构与降解速率的关系,链长规律 脂肪酸、脂族碳氢化合物和烷基苯等：在一定范围内碳链越长，降解越快 有机聚合物：分子

13、量增大降解速率减小。 链分支规律 烷基苯磺酸盐、烷基化合物(RnCH4-n)等：烷基支链越多，分支程度越大降解越慢。 取代规律,有机污染物质化学结构与降解速率的关系,取代规律（以芳香族化合物为例） 取代基种类 羟基、羧基、氨基等取代基的存在会加快其降解； 硝基、磺酸基、氯基等取代基的存在使降解变慢； 取代基数量 降解速度：一氯苯二氯苯三氯苯； 取代基位置（以苯酚的一氯取代物为例） 降解速度：邻、对位取代物间位取代物,第五节 污染物质的毒性,一、毒物 是进人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，甚至危及生命的物质。 毒物按作用于

14、机体的主要部位分类 神经系统、造血系统、心血管系统、 呼吸系统、肝、肾、眼、皮肤； 毒物根据作用性质分类 刺激性、腐蚀性、窒息性、致突变、 致癌、致畸、致敏,二、毒物的毒性,影响毒物毒性的因素 毒物的化学结构及理化性质 (如毒物的分子立体构型、分子大小、官能团、溶解度、电离度、脂溶性等)； 毒物所处的基体因素(如基体的组成、性质等)； 机体暴露于毒物的状况(如毒物剂量，浓度，机体暴露的持续时间、频率、总时间、机体暴露的部位等)； 生物因素(如生物种属差异、年龄、体重、性别、遗传及免疫情况、营养及健康状况等)； 生物所处的环境(如温度、湿度、气压等,毒物的效应与反应,毒物的效应 毒理学把毒物剂量

15、(浓度)与引起个体生物学的变化，如脑电、心电、血象、免疫功能、酶活性等的变化称为效应； 毒物的反应 把引起群体的变化 (如肿瘤或其他损害的发生率、死亡率等) 称为反应,剂量反(效)应关系,指毒物剂量(浓度)与反(效)应变化之间的关系。 大多数的剂量反(效)应关系曲线呈S形,毒作用的分类,急性毒作用 毒物大剂量一次或24小时内多次接触于机体后，在短时间内对机体所引起的毒性作用。 一般用半数有效剂量或半数有效浓度来表示。 慢性毒作用 低剂量(浓度)毒物长期逐渐 进入机体，累积到一定程度后而致毒为慢性毒作用。 以最低觉察反应浓度或最大容许浓度来表示。 亚急(或亚慢)性毒作用 生物体在约1/10生命期

16、间少量反复接触某种外来物质所引起的损害作用,毒物的毒性参数,用于急性毒作用的参数 半数有效剂量(ED50)：在一定观察时间内引起受试生物群体50%个体产生某一效应(如鱼类丧失平衡、蚤类停止活动等)的毒物剂量。 半数有效浓度(EC50) ：引起受试生物群体半数产生某一效应的毒物浓度。 半数致死剂量(LD50)：引起受试生物群体死亡率为50%时的毒物剂量。 半数致死浓度(LC50)：引起受试生物群体死亡率为50%时的毒物浓度,表5-3 化学物质的急性毒性分级（根据半致死剂量的不同,毒物的毒性参数,用于慢性性毒作用的参数 1.最高允许剂量（浓度）：在慢性毒性实验中，对受试生物无影响的最高浓度和有影响

17、的最低浓度之间的毒性浓度范围。 2.阀剂量（浓度）：在慢性毒性实验中，用各种指标(如存活、生长和生殖等)衡量毒物对受试生物的毒性强度，能觉察到有反应的最低浓度,三、毒物的联合作用,两种或两种以上的毒物，同时作用于机体所产生的综合毒性称为毒物的联合作用。 联合作用的分类 1协同作用 2相加作用 3独立作用 4拮抗作用,三、毒物的联合作用,1协同作用 联合作用的毒性，大于其中各个毒物成分单独作用毒性的总和（如死亡率MM1+M2 ） 。 即其中某一毒物成分能促进机体对其他毒物成分的吸收加强、降解受阻、排泄迟缓、蓄积增多或产生高毒代谢物等，使混和物毒性增加。 如CCl4与C2H5OH; O3与硫酸气溶

18、胶 2相加作用 联合作用的毒性，等于其中各毒物成分单独作用毒性的总和（如死亡率MM1+M2 ） 即其中各毒物成分之间均可按比例取代另一毒物成分，而混合物毒性均无改变,三、毒物的联合作用,3独立作用 各毒物对机体的侵人途径、作用部位、作用机理等均不相同，因而在其联合作用中各毒物生物学效应彼此无关、互不影响。即M=M1+M2(1-M1)。 即独立作用的毒性低于相加作用，但高于其中单项毒物的毒性。 4拮抗作用 指联合作用的毒性，小于其中各毒物成分单独作用毒性的总和。即MM+M2 既某一毒物成分能促进机体对其他毒物成分的降解加速、排泄加快、吸收减少或产生低毒代谢物等，使混合物毒性降低,确定毒物联合作用

19、等效应图,四、毒作用的过程,毒物的吸收、分布、代谢转化及排泄 毒物或活性代谢产物被达到靶器官中的受体 靶器官：毒物首先在机体中达到毒作用临界浓度的器官。 受体：靶器官中相应毒物分子的专一性作用部位（蛋白质）。 原发反应 毒物或活性代谢产物与其受体进行原发反应，使受体改性，随后引起生物化学效应。 如酶活性受到抑制、细胞膜破裂、干扰蛋白质合成、破坏脂肪和糖的代谢、抑制呼吸等。 继发反应 机体发生病理生理的继发反应，出现致毒症状。 如人或动物生病的体温、脉搏 、呼吸 、血压变化 ，中枢神经系统、呼吸系统等出现发病症状 植物叶片发黄、脱落等,五、毒作用的生物化学机制,1酶活性的抑制 2致突变作用 3致

20、癌作用 4致畸作用,五、毒作用的生物化学机制,1酶活性的抑制 毒物进入机体后，一方面在酶催化下进行代谢转化；另一方面也可干扰酶的正常作用，包括酶的活性、数量等，从而有可能导致机体的损害。 毒物对酶活性的抑制的机制 有机毒物与酶的共价结合 重金属与酶巯基的结合 金属酶中金属的取代,有机毒物与酶的共价结合,乙酰胆碱酶的作用,乙酰胆碱脂神经传递物质,重金属与酶巯基的结合,Pb2+、Hg2+ 、Cd2+、Ag+等重金属离子能与含巯基的酶强烈结合。 若酶巯基在酶的活性中心之外，重金属离子与含巯基的酶结合，对酶有非竞争性抑制作用。 若酶巯基在酶的活性中心之内，重金属通过与巯基结合，对酶有竞争性抑制作用,金

21、属酶中金属的取代,某些金属取代金属酶中的不同金属。 金属酶是金属离子为辅酶或为辅酶一个成分的酶类。 如Cd()可以取代锌酶中的Zn()，这是因为二者性质和离子半径都很相近的缘故。 碱性磷酸酶、醇脱氢酶和碳酸酐酶等一些锌酶被Cd()取代后，活性便受到抑制,2致突变作用,致突变作用 指生物细胞内DNA改变，引起的遗传特性突变的作用。这一突变可以传至后代。 致突变物：具有致突变作用的污染物质。 致突变作用分类 基因突变染色体突变 基因突变 指DNA中碱基对的排列顺序发生改变。它包含碱基对的转换、颠换、插入和缺失四种类型,四种碱基,脱氧核糖与碱基组成DNA的核苷,图5-30 基因突变的类型 A：腺嘌吟

22、 G：鸟嘌吟 T：胸腺嘧啶 C：胞嘧啶,碱基转换的机制,A：腺嘌吟 G：鸟嘌吟T：胸腺嘧啶 C：胞嘧啶,染色体突变,细胞内染色体是一种复杂的核蛋白结构，主要成分是DNA。在染色体上排列着很多基因。 若其改变只限于基因范围，就是上述的基因突变。而若涉及整个染色体，呈现染色体结构或数目的改变，则称为染色体畸变。 突变对机体的危害 人和哺乳动物的性细胞如果发生突变，可以影响妊娠过程，导致不孕和胚胎早期死亡等； 体细胞的突变，可能是形成癌肿的基础。 常见的具有致突变作用的环境污染物质 亚硝胺类、苯并(a)芘、甲醛、苯、 砷、铅、烷基汞化合物、 甲基对硫磷、敌敌畏、百草枯、 黄曲霉毒素B1 等,3致癌作用,致癌是体细胞不受控制的生长。能在动物和人体中引起致癌的物质称为致癌物。 致癌物根据性质分类 化学(性)致癌物、 物理性致癌物(如x射线、放射性核素氡) 生物性致癌物(如某些致癌病毒)。 人类癌症80 85与化学致癌物有关，在化学致癌物中又以合成化学物质为主,化学致癌物的分类,按对人和动物致癌作用的程度分类 确证致癌物（砷、 石棉）、 可疑致癌物、 潜在致癌物。 化学致癌物根据作用机理分类 遗传毒性