生态学第一章

第一篇环境污染的生物效应

第一章环境污染物在生态系统中的行为本章将讨论以下内容：环境污染概述污染物在环境中的迁移与转化污染物在生物体内的生物转运和生物转化污染物在生物体内的浓缩、积累和放大生物对污染物在环境中行为的影响

1环境污染物在生态系统中的行为

1.1环境污染概述什么是环境污染（EnvironmentalPollution）？通常，环境污染主要指人类活动所引起的环境质量下降而有害于人类及其它生物的正常生存和发展的现象。而自然过程引起的同类现象称为自然突变或异常。环境污染的分类生物污染化学污染物理污染按污染物性质废气污染废水污染固体废弃物污染噪声污染辐射污染按污染物形态环境效应——环境污染所导致的环境变化环境生物效应：指各种环境因素变化而导致生态系统变异的结果。环境化学效应：在多种环境条件的影响下，物质之间的化学反应所引起的环境效果。如：酸雨、光化学烟雾等。环境物理效应：物理作用引起的环境效果。如热污染、噪声污染等。污染源（PollutionSource）工业污染源农业污染源交通运输污染源生活污染源污染物的自然来源（NaturalSource）:自然界向环境排放，如：活动的火山或矿床；交通工业农业污染物的人为来源（ArtificialSource）

:来自人类活动，影响范围广、危害大，如工业三废图1-1污染源示意图污染物（Pollutant）污染物指进入环境后使环境的正常组成结构、状态和性质发生变化，直接或间接有害于人类的生存和发展的物质。生产性污染物和生活污染物一次污染物和二次污染物：二次污染物是指进人大气的一次污染物之间相互作用或一次污染物与正常大气组分发生化学反应，以及在太阳辐射线的参与下引起光化学反应而产生的新的污染物，它常比一次污染物对环境和人体的危害更为严重。优先污染物（PriorityPollutant）：指在众多的污染物中筛选出的潜在危险大的作为优先研究和控制对象的污染物，亦称优先控制污染物。主要针对下列污染物：有毒有机化学污染物、生物难降解性物质、具有生物积累性、三致性的污染物小结环境污染的特点：影响范围大作用时间长污染物浓度低、情况复杂污染容易、治理难1.2污染物在环境中的迁移与转化

1.2.1污染物在环境中的迁移迁移的定义：迁移是指污染物在环境中发生的空间位置的移动及其引起的富集、分散和消失的过程。污染物进入环境的途径包括：（1）人类活动过程中无意排放（2）工业三废（3）人类活动过程中故意应用注：进入环境的污染物可以在各个环境要素（水、气、土）中发生迁移并输送到很远的距离。污染物的长距离传送，往往由局部性污染引发区域性污染甚至全球性污染，这也是环境污染成为当代主要环境问题的原因之一。污染物在环境中的迁移方式机械迁移（1）水的机械迁移作用（2）气的机械迁移作用（3）重力的机械迁移作用物理－化学迁移★污染物在环境中迁移的最重要的形式。（1）溶解－沉淀作用、络合－螯合作用、吸附－解吸作用、氧化－还原作用、水解作用（2）化学分解、光化学分解、生物化学分解生物迁移例：生物通过食物链对重金属的放大积累作用影响迁移的因素：内部因素污染物自身的物理化学性质：组成该物质的元素所具有的组成化合物的能力、形成不同的电价离子能力、水解能力、形成络合物的能力、被胶体吸附的能力原子的电负性、离子半径、电价、离子电位和化合物的键性、溶解度等都是影响迁移的主要理化参数。外部因素酸碱条件氧化－还原条件胶体的种类、数量络合配位体的数量、性质1.2.2污染物的形态和分布（FormandDistributionofPollutant）污染物的形态定义：指环境中污染物的外部形状、化学组成和内部结构的表现形式。污染物的存在形态包括：价态，如Cr（VI）、Cr（III）化合态，如有机汞和无机汞结构态，如同分异构体络合态几种重要的形态分类离子态代换态胶体有机结合态难溶态污染物的分布污染物的分布定义：指污染物在环境多组分间分布，不仅指在环境空间的浓度分布，而且还指污染物不同形态、不同相态之间的分配。例：汞形态的分布1.2.3污染物在环境中的转化（TransformationofPollutant）转化的定义指污染物在环境中通过物理、化学或生物的作用改变形态或转变成另一种物质的过程。转化的形式物理转化：化学转化生物转化转化的结果：两种可能：污染物转化为无毒物质或易降解结构污染物的毒性增强或转化为难降解结构大气中的转化：以光化学氧化、催化氧化反应为主例一：光化学烟雾（PhotochemicalSmog）光化学烟雾是大气中氮氧化物和碳氢化合物在紫外线照射下反应生成的多种污染物的混合物。光化学烟雾最具危害的两种物质是臭氧(O3)和过氧乙酰硝酸酯(peroxyacetylnitrates,PAN)。例二：酸雨（AcidRain）大气中的转化图1－2光化学烟雾实例**图1-3光化学烟雾形成过程自然源、电厂以及内燃机等排放出的污染物在大气中发生化学反应产生导致酸沉降的化学物质。图1－4酸沉降形成示意图水体中的转化水体中的转化主要通过下列途径：氧化－还原作用天然水体本身是一个氧化－还原体系，含有多种无机、有机氧化剂和还原剂，如DO、Fe3+、Mn4+、S2－、有机化合物等，对污染物的转化起重要作用。水体中的氧化还原类型、速率和平衡，在很大程度上决定了水中重要污染物的性质。如：厌氧性湖泊水体中的许多氧化还原反应均为微生物催化反应。配合作用无机配位体：OH－、Cl－、CO32-、HCO3－等有机配位体：生物降解作用土壤中的转化土壤是环境中微生物最活跃的场所，故生物降解起重要作用。氧垂曲线（OxygenSagCurve）氧垂曲线的定义在河流受到有机物污染时，由于有机物的氧化分解作用，水体的DO发生变化。从污染源到河流下游一定距离内，可绘制一条DO逐渐变化的曲线，称之为氧垂曲线。根据有机物在水体中分解变化和DO的变化，可把受污河流分成几段:清洁区：未受污染分解区腐败区恢复区1.2.4污染物的生物地球化学循环生物地球化学循环的概念指生物的合成作用和矿化作用所引起的污染物周而复始的循环运动过程。注：合成作用指生物（主要是绿色植物）将吸收的环境化学物质转变为生物体本身的有机物质的过程。矿化作用指生物通过代谢作用（包括微生物的分解作用）将生物体的有机物质转化为无机物质或简单的有机物。循环过程循环机理1.3污染物在生物体内的生物转运和生物转化

1.3.1生物转运生物转运（Bio－transportorBiotransport）的概念生物转运：是指环境污染物经各种途径和方式同生物机体接触而被吸收、分布和排泄等过程的总称。这些过程都需要通过细胞的膜结构。细胞膜（生物膜）有多种：细胞质膜、内质网膜、线粒体膜、核膜等；它们基本的化学组成、分子结构、功能有共同的特征。一般细胞膜由蛋白质分子和脂质分子（主要是磷脂类）组成污染物进入生物体后的变化知识点：污染物在生物体内的转运；生物转化4.1

物质通过生物膜的机理4.1.1生物膜的结构4.1.2物质通过生物膜的方式1.膜孔滤过细胞膜上具有充满水分的小孔，水及水中的小分子物质活离子，可借助膜两侧的水压或渗透压透过细胞膜称作膜孔滤过。毒物滤过膜孔的速度主要取决于膜孔的大小。

如，毛细血管合肾小球毛细血管的膜孔为40Å；大多数细胞的膜孔为4Å。2.被动扩散（浓度扩散）物质从高浓度侧经细胞膜向低浓度侧的转运过程为被动扩散。多数外源性毒物常以这种方式通过细胞膜。扩散速率服从费克定律：扩散系数取决于通过物质的分子结构、脂溶性及带电情况，和膜的性质。被动扩散不需耗能，不需载体参与，因而不会出现特异性选择、竞争性抑制及饱和现象。3.易化扩散（载体转运或载体扩散）某些物质借助膜上一些特殊蛋白-载体的帮助，由高浓度处经细胞膜向低浓度处扩散的转运为易化扩散。扩散速率与膜上载体的数量有关。存在特异性选择、竞争抑制和饱和现象。4.主动转运在需消耗一定的代谢能量下，一些分子量较大的水溶性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。这一转运为主动转运。存在特异性选择、竞争抑制和饱和现象。5.胞吞和胞饮某些固态物质与细胞膜上某种蛋白质有特殊亲和力，当其与细胞膜接触后，可改变这部分膜的表面张力，引起细胞膜的外包或内凹，将固态物质包围进入细胞，这种方式称胞吞，如为液态物质，称为胞饮。对于由网状内皮系统清除肺泡里的微粒和血液中的某些毒物具有重要意义。总结：外来物质以何种方式通过细胞膜，主要取决于：①毒物本身的化学结构；②理化性质；③细胞膜的结构。易化扩散和主动转运是正常营养物质及其代谢产物通过细胞膜的主要方式。除与正常营养物质及其代谢产物类似的毒物外，大多数物质是以被动扩散方式通过细胞膜。膜孔滤过不是主要方式。4.2污染物质在机体内的转运

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。其中转运包括：吸收、分布和排泄。消除包括：排泄和生物转化。

4.2.1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。吸收主要途径是消化管、呼吸管和皮肤。1.消化管吸收污染物最主要途径。吸收主要部位在小肠，其次是胃。影响吸收的因素：污染物脂溶性：脂溶性越强，被小肠吸收越快。pH：小肠液pH≈6.6、胃液pH≈2，有机弱碱在小肠中吸收比胃中快；虽然有机酸在胃中比在小肠中利于吸收，但小肠吸收面积大且血流速快，因此还是小肠中吸收快。血流速度：对于脂溶性污染物，血流速度快，机体对污染物吸收速度大；一些极性污染物，脂溶性小，扩散为限速因素，对血流速度不敏感。2.呼吸管是吸收大气污染物的主要途径。主要吸收部位是肺泡。

气体污染物可直接进入肺部而转入血液呼吸>2.5m粒径颗粒部分会留在鼻咽部，易通过人体活动排出0.5~2.5m粒径颗粒部分可进入支气管，粘于粘液层并排出<0.5m粒径颗粒部分可深入肺部，部分被溶出进入体液3.皮肤人体皮肤摄取环境污染物的能力很差。具有水溶性兼脂溶性的低分子污染物（分子量＜300）如酚、苯胺等较易通过皮肤进入机体。此外，人体可通过出汗排污，但是次要途径。4.2.2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。血流速度：脂溶性物质容易通过生物膜，组织血流速度是分布的限速。血脑屏障：污染物经膜的通透性是限速。污染物与血浆蛋白的结合能力：污染物常与血液中的血浆蛋白质结合。该结合呈可逆性。4.2.3排泄

排泄是污染物质及其代谢物质相机体外的转运过程。排泄器官有肾、肝胆、肠、肺、外分泌等，而以肾和肝胆为主。肾排泄是污染物通过肾随尿而排除的过程。肾排泄污染物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。是污染物的一个主要排泄途径。肝胆系统的胆汁排泄污染物在肝脏的分泌主要是主动转运，被动扩散较少。排泄物中，少数是原形物质，多数是代谢产物，所以胆汁排泄是原形污染物排出体外的一个次要途径，是代谢产物的主要排除途径。一般，分子量在300以上、水溶性大的化合物，胆汁排泄良好。4.2.4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。机体的主要蓄积部位：血浆蛋白、脂肪组织和骨骼。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。4.3污染物质的生物富集、放大和积累生物富集：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：影响生物浓缩系数的有关因素：

1、在物质性质方面

2、在生物特征方面

3、在环境条件方面4.3.1生物富集水生生物富集速率方程为：生物浓缩系数：End

4.3.2生物放大生物放大：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4.3.3生物积累生物积累：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。水生生物的积累微分速率方程：式中，C~化学物质在生物体中浓度(g/g)；ka~生物从水中吸收化学物质速率常数(1/d)；~生物对化学物质同化效率(吸收化学物质重量/摄取化学物质重量)；R~每天每克体重所摄取的克数；Cf~食物中化学物质浓度(g/g)；k’~为生物释放化学物质的排泄速率常数ke与生物增重速率常数kg之和(1/d)。

对上式积分得：达稳态时，于是有，

4.4.1生物转化的一般原则1.生物转化的定义生物转化：在酶催化下发生的化学转化。2.生物转化的特点专一性高效性反应条件温和4.4污染物质的生物转化3.生物转化的对象高度极性的物质：容易排泄，发生酶催化可能性小易蒸发的物质：容易从肺排泄，发生酶催化可能性小非极性亲脂物质：容易发生酶催化反应高持久性的物质：容易发生酶催化反应4.4.2生物转化中的酶1.分类根据催化起作用的场所：胞内酶；胞外酶根据酶的成分：单成分酶；双成分酶根据催化反应类型：

氧化还原酶转移酶水解酶裂解酶异构酶合成酶2.若干重要辅酶的功能FMN和FADNAD+和NADP+辅酶Q细胞色素酶系的辅酶辅酶A辅酶的成分：金属离子、含金属离子的有机化合物、小分子的复杂有机化合物。

辅酶Q的作用是在酶促反应中担任递氢任务,其作用见下图：

细胞色素酶系的辅酶主要有细胞色素b、c1、c、a和a3等几种在反应中担当传递电子作用，见下图辅酶A是一种转移酶的辅酶，在酶促反应中起着传递酰基的作用3.

生物氧化中的氢传递过程

生物氧化是指有机物质在机体细胞内的氧化。

生物氧化是机体获得能量的一种很重要的方式。因为有机化合物的键能很高。

生物氧化释放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。反应见下图：氢传递过程的分类有氧氧化中以分子氧为直接受氢体的递氢过程有氧氧化中以分子氧为间接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无氧氧化中某些无机含氧化合物作受氢体的递氢过程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酵母菌乳酸菌4.无氧氧化中某些无机含氧化合物作受氢体的递氢过程4.4.3污染物质生物转化类型第一阶段反应~氧化、还原、水解第二阶段反应~结合1.氧化反应

混合功能氧化酶加氧氧化脱氢酶脱氢氧化氧化酶氧化细胞色素P450酶1）混合功能氧化酶加氧氧化2）脱氢酶脱氢氧化醇氧化成醛醇氧化成酮醛氧化成羧基3）氧化酶氧化

氧化酶是伴随有氢原子或电子转移，以分子氧为直接受氢体的酶类。例如：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；2.还原反应类型4）还原脱氯酶还原1）羧酸酯酶使脂肪簇脂水解2）芳香酯酶使芳香簇脂水解3）磷脂酶使磷酸酯水解3.水解反应类型4)酰胺酶使酰胺水解葡萄糖醛酸结合硫酸结合谷胱甘肽结合4.若干重要结合反应类型(1)葡萄糖醛酸结合(2)硫酸结合(3)谷胱甘肽结合End

4.4.4有毒污染物质的微生物降解(1)烃类β-氧化：在有氧氧化条件下，饱和脂肪酸经过酶促β-氧化变成脂酰辅酶A和乙酰辅酶A。乙酰辅酶A进入三羧酸循环，生成CO2和H2O。脂酰辅酶A又经β-氧化途径进行转化。三羧酸循环TCACH3COCOOH+5/2O23CO2+2H2O正烷烃的降解烯烃的降解苯的降解苯氧乙酸有机磷杀虫剂-对硫磷DDT降解(2)农药苯氧乙酸的降解对硫磷的降解途径DDT的降解DDT的主要降解途径是：在微生物还原脱氯酶作用下，脱氯和脱氯化氢6.氮的微生物转化(1)氮的主要形态：分子氮生物体内的蛋白质、核酸等有机氮化物，以及生物残体变成的各种有机氮化合物铵盐、硝酸盐等无机氮化合物氨的同化：将氨合成细胞物质的生物反应。氨化：将有机氮转化为氨的生物反应。硝化：将氨氧化为亚硝酸盐和硝酸盐的生物反应。反硝化：将硝酸盐还原的生物反应。固氮：将氮气还原为氨的生物反应。(2)

氮形态的生物转化硝化硝化分为两个阶段：

2NH3+3O2

2H++2NO2-+2H2O+能量

（亚硝化菌）

2NO2-

+O2

2NO3-+能量

（硝化菌）

硝化菌和亚硝化菌均为化能自氧细菌，对环境条件高度敏感。一般认为：DO控制在1.5~2.0mg/L；生长温度范围5~40℃，最佳温度为25~30℃；最适生长pH，亚硝化菌为7.0~8.5，硝化菌为6.5~7.5。反硝化反硝化需要厌氧环境，氧分压愈低，反硝化愈强，一般低于0.5mg/L；需有机物作为碳源；pH一般为中性至微碱性；适宜温度范围15~35℃。7.汞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能使二价无机汞盐转变为甲基汞和二甲基汞的过程，称汞的生物甲基化。生物作用还原转化汞

1．酶促反应

米氏方程的推导：4.4.5生物降解速率酶促体系处于动态平衡时，

整理后，

产物P的生成速率：

碱性磷酸酶（AlkalinePhosphatase,AP）是一种专一性较广的磷酸酯水解酶，可以催化所有的磷酸酯的水解反应和磷酸基团的转移反应，在生物体内具有非常重要的生理功能。2．生长代谢Growthmetabolism有毒有机物作为微生物培养的唯一碳源，使有毒有机物进行彻底的降解或矿化。

可用Monod方程式来描述当化合物为唯一碳源时，化合物的降解速率：

当污染物浓度很低且微生物种群及量确定后，通常可以用简单的一级动力学方程表示降解速率为：3.共代谢Cometabolism

某些有机物不能作为微生物培养的唯一碳源，必须有另外的化合物提供微生物碳源或能源，该有机物才降解，这类降解称共代谢作用。

它在难降解的有机物代谢过程中起重要作用，展示了通过几种微生物的一系列微生物共代谢作用，可使某些特殊的有机化合物降解的可能性。

共代谢作用直接与微生物种群的多少成正比，Paris等描述了微生物催化水解反应的二级速率定律：总结：影响生物降解的主要因素是化合物本身的化学结构和微生物的种类。其次，影响生物降解作用的因素还有环境条件：pH值，温度，盐度，溶解氧浓度，营养物料的种类，浓度等。污染物透过细胞膜的方式

特点方式浓度梯度有无载体是否耗能其它特点简单扩散高浓度低浓度（顺）无否脂溶性有机化合物的主要转运方式滤过过程通过膜上的亲水性孔道主动转运低浓度高浓度（逆）有耗能水溶性大分子化合物的主要方式易化扩散高浓度低浓度（顺）有否胞饮作用内吞物质为液体吞噬作用内吞物质为固体物质表1－1污染物透过细胞膜的方式污染物的吸收（AbsorptionofPollutant）：指污染物在多种因素影响下，自接触部位透过体内细胞膜进入血液循环的过程。动物吸收的主要途径有：呼吸系统、消化管和皮肤（1）呼吸系统吸收特点:吸收对象主要针对气体、蒸汽、气溶胶等形式的污染物。吸收方式多以被动扩散的方式，通过呼吸膜吸收入血。主要部位例如：肺，肺泡数量多，表面积大，遍布毛细血管，便于污染物经肺迅速吸收进入血管。（2）消化管吸收特点：吸收对象主要为饮水和由大气、水、土壤进入食物链中的污染物。吸收方式多以简单扩散方式通过细胞膜而被吸收。主要部位如胃和小肠。（3）皮肤吸收：如有机磷农药可透过完整皮肤引起中毒。植物吸收的主要途径：（1）根部吸收以及随后随蒸腾流而输送到植物各部分；（2）通过植物叶片上的气孔从周围空气中吸收污染物，是植物对大气污染物吸收的主要方式；（3）有机化合物的蒸汽经过植物地上部分表皮渗透而摄入体内污染物的体内分布指环境污染物随血液或其它体液的流动，分散到全身各组织细胞的过程。污染物的排泄指进入机体的环境污染物及其代谢产物被机体清除的过程。排泄的主要途径是通过肾脏进入尿液和通过肝脏的胆汁进入粪便，有的环境污染物还可随同呼出的气体、汁液等排出体外。3.2污染物在体内的生物转化生物转化（Biotransformation）的概念生物转化指外源化合物进入生物机体后在有关酶系统的催化作用下的代谢变化过程。注1：外源化合物（Xenobioticcompounds）指除了营养元素及维持正常生理功能和生命所必需的物质以外，存在于环境之中，可与机体接触并进入机体引起机体发生生物学变化的物质。又叫外来化合物或外源性生物活性物质。例如：药物、日用化学品、食品添加剂、环境污染物等。生物外源性物质是指那些人工合成的，具有不被现有降解酶系所识别和作用的分子结构和化学键序列的化合物，简而言之，就是不能被生物降解的化合物。如DDT、六六六、多氯联苯、染料、塑料、合成橡胶等。注2：内源性化合物指生物机体正常的生理活动产生的物质。注3：酶（Enzyme）是由活细胞产生的，能在体内和体外起同样催化作用的一类具有活性中心和特殊构象的生物大分子，包括蛋白质和核酸。注4：生物转化的主要场所是肝脏，其它有肺、胃、肠、皮肤等。生物转化的过程相I过程（反应）外源性化合物在有关酶系统的催化下经由氧化、还原或水解反应改变其化学结构，形成某些活性基团（－OH、－SH、－COOH、－NH2）或进一步使这些活性基团暴露。相II过程（反应）相I过程产生的一级代谢物在另外的酶系统催化下通过上述活性基团与细胞内的某些化合物结合，生成结合产物（二级代谢物）或带有某些基团的外源性化合物与细胞内物质结合反应。排出体外外源性化合物一级代谢物

结合产物（二级代谢物）毒害作用过程I（相I反应）图1－5生物转化过程示意图过程II（相II反应）相I反应的主要类型：氧化反应：微粒体混合功能氧化酶参与的反应，例如脂肪族羟化非微粒体反应还原反应：微粒体还原非微粒体还原水解反应相II反应的主要类型：微生物对生物外源性物质的转化作用微生物对生物外源性物质的转化主要有以下几种形式：脱卤（主要是脱氯），如DDT的脱氯还原，将生物外源性物质上的取代基，特别是硝基，进行还原；水合反应，如对有机氰的水合反应，形成无毒的含氮有机化合物图DDT的微生物转化TNT的微生物转化影响生物转化的因素物种差异和个体差异由各自的遗传因素决定，主要表现在体内酶的种类和活力不同上。饮食营养状况蛋白质、无机盐、维生素等营养缺乏时会不同方式地影响生物转化作用。生理因素年龄因素性别因素激素和昼夜规律：机体在每日不同时间的生物转化能力有高低差异，与内分泌功能的昼夜规律有关。代谢酶的抑制和诱导小结任何一种外源性化合物的生物转化方式不是简单的，它们可同时进行不同的氧化还原或水解反应，此后又可继续进行不同类型的结合反应。生物转化的结果有两方面：解毒作用（失活）：使外源性化合物毒性降低，易于排出，或使其转变为易于被其它微生物所降解的化合物。增毒作用（活化）：使其毒性增加1.4环境污染物在生物体内的浓缩、积累和放大基本概念：生物浓缩（Bioconcentration）指生物机体或处于同一营养级上的许多生物种群，从周围环境中蓄积某种元素或难分解化合物，使生物体内该物质的浓度超过环境中的浓度的现象，又称生物学浓缩、生物学富集。生物浓缩系数KBCF

（BioconcentrationFactor）KBCF＝物质在生物体内的浓度/物质在环境介质中的浓度生物积累（Bioaccumulation）指生物在其整个代谢活跃期间通过吸收、吸附、吞食等各种过程，从周围环境中蓄积某些元素或难分解化合物，以致随着生长发育，浓缩系数不断增大的现象，又称生物学积累。生物放大（Biomagnification）指在生态系统中，由于高营养级生物以低营养级生物为食物，某元素或难分解化合物在生物机体中浓度随营养级的提高而逐步增大的现象，又称生物学放大。思考：许多生物外源性物质在环境中的含量很低，通常在ppb级，为什么这么低的浓度还会引起严重的问题？这正是由于生物放大作用造成的，这样的生物外源性物质必须满足以下两个条件：一、难以生物降解；二、具有亲脂性。思考：三个概念的有何区别？有何意义？生物浓缩：C体内>C环境生物积累：t（生长期），KBCF生物放大：营养级，KBCF生物浓缩系数的测定平衡浓缩系数：物质交换达到动态平衡时的浓缩系数。测定方法：优缺点实验室饲养法：条件易于控制，但数值不够准确野外调查法：数值标准，但技术难度大，可能时间周期长动力学方法：节省试验时间，更适合大个体生物影响因素生理因素：如生物的生长、发育、大小、年龄环境因素：如污染物的浓度、化学形态、环境温度、pH值、光照条件及季节表1－2汞在水生物中的富集生物类型汞浓度（ppm）浓缩系数食肉娃鱼1-210000-20000小鱼0.1-0.31000-3000低等动物0.02-0.05200-500植物0.01-0.02100-200海水0.0001生物浓缩机理和浓缩模型qvCBiVBCBVTCTK2CTqvCBo血液组织图1－6生物体某一组织生物浓缩的机理模型由此可知：生物组织中化合物的浓度不仅与该化合物在该组织中的代谢速率有关，还与进出组织的血液中的化合物浓度差成正比。影响生物浓缩的因素生物种的生物学特征不同组织器官的影响不同生育期与性别的关系污染物的性质污染物浓度和作用时间环境条件1.5生物对污染物在环境中行为的影响

1.5.1生物污染（BiologicalPollution）

环境中的病原微生物（PathogenicMicroorganism）例如：沙门氏菌、霍乱弧菌、肠道病毒等水体的富营养化（Eutrophication）概念：指大量的氮磷等营养元素物质进入水体，使水中藻类等浮游生物旺盛增殖，从而破坏水体的生态平衡的现象。不良后果：微生物代谢产物产生的污染硫化氢酸性矿水硝酸和亚硝酸微生物毒素指微生物在其生长、代谢过程中所产生的毒素，可污染食品和环境，危害人类健康。如黄曲霉毒素、葡萄球菌肠毒素、藻类毒素等。酸性矿水反应式？？成因由黄铁矿（FeS2）氧化所产生的硫酸引起，微生物与形成酸性矿水的整个过程密切相关。当pH<3.5时，铁细菌即氧化亚铁硫杆菌可催化铁的氧化，其它如氧化硫硫杆菌和氧化亚铁铁杆菌都与酸性矿水的形成密切相关。危害酸性矿水中最有破坏性的组分是硫酸，有直接的毒性及其他不良影响。防治利用碳酸钙矿石中和过量酸性矿水，但Fe(III)往往同时存在，反应后，pH上升，Fe(OH)3立即覆盖在碳酸钙矿石的表面成为不透水层，这种保护效应阻止了碳酸钙对酸的进一步中和。1.5.2金属的生物转化金属的毒性影响因素：金属的浓度、金属的存在状态例如，六价铬比三价铬毒得多；甲基汞的毒性比其他的汞化合物毒性大得多；有机锡比无机锡毒，有机锡中的烷基锡比芳香基锡毒，烷基锡中三烷基又比其他烷基锡毒。金属的微生物转化微生物对金属的毒性转化，主要是氧化还原和甲基化作用。汞的转化汞的存在形式无机汞：零价的金属汞与一价汞盐几乎不溶;二价汞盐除了硫化汞、碘化汞外几乎均可溶解有机汞：汞易和有机基团形成化合物，通常是以共价键连接在碳原子上形成有机汞。汞化合物的毒性难溶的汞——生物吸收困难，毒性很小易溶的汞——容易吸收，毒性很强（其中甲基汞的毒性最强）毒性体现：生物的神经系统受到伤害，神经麻痹以致引起死亡。实例：日本的水俣湾甲基汞中毒事件就是典型的汞污染事件。这类汞中毒一般都不是通过直接饮用水被汞污染造成，而是由于甲基汞在食物链积累并由水中的鱼类向上传递给人而引起的。汞的甲基化汞的甲基化是由微生物形成的。鱼类体表粘液中有许多含有甲基化辅酶的微生物，他们将无机汞转化为甲基汞，动物和人体肠道肠道中的细菌大部分也具有这种功能，因此甲基汞中毒是由微生物造成的。汞甲基化微生物：细菌——甲烷菌、匙形梭菌、荧光假单胞菌、大肠埃希氏菌、产气肠杆菌、巨大芽孢杆菌真菌——粗糙链孢霉、黑曲霉、酿酒酵母等。过程如下：

Hg2+

Hg+-CH3Hg(CH3)2

甲基化辅酶甲基化辅酶

-CH3

-CH3甲基汞的降解事实上通常情况甲基汞在天然水体中的浓度十分低，这是由于不仅存在汞的甲基化，同时还存在甲基汞的降解，甲基汞可被生物还原为金属汞。甲基汞降解微生物：柠檬酸杆菌、假单胞菌、节杆菌、隐球菌等。小结生物意义：汞的甲基化与脱甲基化通常保持着一个动态的平衡，从而使环境中的甲基汞浓度维持在低水平。但是，在有机污染严重、pH较低的环境中，容易形成和释放甲基汞，对生物的危害较大。一方面甲基汞溶于水被鱼、贝吸收浓缩，另一方面甲基汞还会逸出水体，进入大气，使污染扩大。其它重金属的转化与汞相似，重金属普遍可被微生物甲基化;甲基化的重金属普遍毒性提高，这些金属包括砷、硒、铅、锡、镉、锑等。重金属生物转化的环境效应:微生物通过分泌作用或呼吸作用排出形成的有机金属化合物，是微生物具有的一种对有毒金属解毒方式；但被排出的金属化合物，可能比其原形态对高等生物具更大的危害性。另一方面，微生物可将化合态的重金属转化还原为单质形式，这种转移方式可暂时或永久地将金属从生物接触的环境中清除出去。思考题污染物在环境中的迁移方式和转化途径有哪些？什么是生物转运和生物转化？污染物透过细胞膜的方式有哪些？有何特点？什么是生物浓缩、生物积累、生物放大和浓缩系数？140生物体内污染物质的运动过程与毒性

(环境生物的中毒机理)

教学要求（1）掌握污染物质的生物富集、放大和积累。（2）了解有机污染物质的微生物降解。（3）了解毒物毒性、联合作用和致突变、致癌及抑制酶活性等作用。（4）了解有毒有机污染物质生物转化的类型。141污染物质机体积累与转化污染物质在机体内的运动过程

---吸收、分布、排泄和生物转化吸收、分布和排泄称为转运。排泄与生物转化称为消除。吸收---污染物质从机体外，通透体膜进入血液的过程。

吸收途径----机体的消化管、呼吸道和皮肤。

消化道是吸收污染物质最主要的途径。消化管的主要吸收部位在小肠，其次是胃。

142污染物质机体积累与转化

呼吸道---吸收大气污染物主要途径（主要吸收部位---肺泡）吸收的气态和液态气溶胶污染物质，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，在气管、支气管及肺泡表面沉积。143污染物质机体积累与转化

皮肤吸收皮肤接触的污染物质，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的壁膜进入血液。144污染物质机体积累与转化--分布污染物质被吸收或形成其代谢转化物质，由血液转送至机体组织，与组织成分结合，从组织返回血液以及再反复等过程。污染物质分布过程---污染物质的转运以被动扩散为主。污染物质与血浆蛋白质结合--具有可逆性--动态平衡。污染物质与血液的红细胞或血管外组织蛋白相结合。

145污染物质机体积累与转化排泄（污染物质及其代谢物质向机体外的转运过程）排泄器官：肾、肝胆、肠、肺、外分泌腺等。

肾排泄

----污染物质通过肾随尿而排出的过程。

胆汁排泄

----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，以原物或其代谢物和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。146污染物质机体积累与转化蓄积

机体接触污染物质（若吸收超过排泄及其代谢转化），污染物质在体内逐增的现象。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、脂肪组织和骨酪。污染物质常与血浆蛋白结合而蓄积。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。147物质通过生物膜方式--生物膜结构

148物质通过生物膜方式膜孔滤过---直径小于膜孔的水溶性物质，借助膜两侧静水压及渗透压经膜孔滤过。被动扩散---顺浓度梯度扩散通过有类脂层屏障的生物膜。被动易化扩散---物质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过程。主动转运---（消耗代谢能量）物质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。

胞吞和胞饮

149污染物质生物富集、放大和积累

生物富集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

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。

150污染物质的生物富集、放大和积累生物放大

同一食物链的高营养级生物，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。生物放大的程度用生物浓缩系数表示。生物积累

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。

151污染物质生物转化

物质在生物作用下的化学变化称为生物转化或代谢(转化)。微生物可以催化转化或降解有机污染物。

生物转化、化学转化和光化学转化构成污染物质在环境中的主要转化类型。水环境微生物的类群

细菌、真菌和藻细菌的分类自养生物和异养生物好氧细菌及厌氧细菌152污染物质生物转化生物转化酶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。酶的种类有2103多种。酶分为胞外酶和胞内酶两大类。（根据催化反应类型）酶---氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶、异构酶、合成酶。（按照成分）酶---单成分酶和双成分酶两大类153污染物质毒性毒物---进入生物机体----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，引起暂时性或持久性的病理损害，甚至危及生命的物质。按作用于机体的主要部位可分为作用于神经系统、造血系统、心血管系统、呼吸系统、肝、肾、眼、皮肤的毒物等。根据作用性质，毒物可分为刺激性、腐蚀性、窒息性、