环境生物学污染物的生物转运与生物转化

详细介绍污染物进入生物机体途径、在体内的生物转化、浓缩、积累、放大及其机理教材：孔繁翔主编，环境生物学，2000，高等教育出版社，北京1本文档共53页；当前第1页；编辑于星期二\17点27分第三节

污染物在生物体内

的生物转运和生物转化2本文档共53页；当前第2页；编辑于星期二\17点27分生物转运（Bio-transport）——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。这些过程具有类似机理：都需要通过细胞的膜结构。生物膜（细胞膜）：包括细胞外层的细胞膜（质膜）、细胞内的内质网膜、线粒体膜和核膜等。生物膜的组成：脂质分子（主要是磷脂类）和蛋白分子。膜的内外表面是亲水端，膜的中心是疏水部分。许多环境污染物的毒作用与生物膜的结构有关。3本文档共53页；当前第3页；编辑于星期二\17点27分4本文档共53页；当前第4页；编辑于星期二\17点27分（一）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被动转运（PassiveTransport)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；是分子直径小于生物膜亲水性孔道直径的水溶性化合物的主要转运方式。特殊转运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（Pinocytosis)胞饮作用内吞物质为液体吞噬作用内吞物质为固体物质5本文档共53页；当前第5页；编辑于星期二\17点27分（二）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。多数动物吸收的主要途径：呼吸系统、消化管和皮肤1）呼吸系统吸收吸收对象主要针对气体、蒸汽、气溶胶、颗粒状物质等形式的污染物。吸收方式多以被动扩散的方式，通过呼吸膜吸收入血。气体、蒸汽的吸收速度与肺泡和血液中毒物的浓度（分压）差呈正比；气溶胶和颗粒状物质的吸收情况与颗粒大小有明显差异，有生物学意义的颗粒大小是0.1-10μm。主要吸收部位：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。6本文档共53页；当前第6页；编辑于星期二\17点27分（二）污染物的吸收（AbsorptionofPollutant）多数动物吸收的主要途径：呼吸系统、消化管和皮肤2）消化管吸收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。污染物在消化管吸收的多少与其浓度和性质有关，浓度越高吸收越多，脂溶性物质较易吸收，水溶性易离解或难溶于水的物质则不易吸收。主要吸收部位如胃和小肠。哺乳动物的肠道中有特殊的转运系统吸收营养物质和电解质；有些污染物（如铊和铅）可为正常吸收铁和钙的系统所转运。胃酸、胃肠道消化液和肠道微生物都可使化学物质降解或发生其他变化，使其被吸收的情况以及毒性作用与原来化合物不同。7本文档共53页；当前第7页；编辑于星期二\17点27分（二）污染物的吸收（AbsorptionofPollutant）多数动物吸收的主要途径：呼吸系统、消化管和皮肤3）皮肤吸收：如有机磷农药可透过完整皮肤引起中毒。污染物经皮肤吸收的两条途径：1）通过表皮脂质屏障是主要的吸收途径；2）通过汗腺、皮脂腺和毛囊等皮肤附属器，绕过表皮屏障随意直接进入真皮。但这不是主要吸收途径。污染物经皮肤吸收的两个不同阶段：1）第一阶段——穿透相，污染物透过表皮进入真皮。主要以简单扩散方式透过，透过速度与污染物的脂溶性有关；2）第二阶段——吸收相，污染物由真皮进入乳头层毛细血管。毒物的扩散速度取决于本身的水溶性。影响皮肤吸收的因素：皮肤完整与否、皮肤的部位、污染物的理化性质、化合物与皮肤接触的条件（接触的面积、持续时间等）。8本文档共53页；当前第8页；编辑于星期二\17点27分（二）污染物的吸收（AbsorptionofPollutant）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，有两种方式：主动吸收（耗能）和被动吸收（包括吸收、扩散、质量流动）；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（如SO2,NOx,O3）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。9本文档共53页；当前第9页；编辑于星期二\17点27分（三）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。一部分污染物可以和血浆蛋白质（主要是白蛋白）结合（可逆），而不易透过生物膜；一部分呈游离状态，可以到达一定的组织细胞，呈现某种生物学作用。被吸收的环境污染物，有些可在脂肪组织或骨组织中蓄积和沉积，一般对机体的毒性作用较小；例如：90%铅沉积在骨骼中；DDT和六六六等有机氯化合物则大量蓄积在脂肪组织中。但在脂肪或骨组织中蓄积的污染物，在一定的条件下，可被重新释放，进入全身循环中，如饥饿时。10本文档共53页；当前第10页；编辑于星期二\17点27分（四）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。1）肾脏排泄：是污染物最重要的排泄器官，转运方式是肾小球滤过和肾小管主动转运；2）随同胆汁排泄：也是一种主要排泄途径。肠胃道吸收的污染物进入肝脏，被代谢转化，并通过主动转运进入胆汁，随粪便排出；3）其他排泄途径11本文档共53页；当前第11页；编辑于星期二\17点27分污染物在体内的生物转化（一）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。其中：1）外源化合物（Xenobiotics

）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。

12本文档共53页；当前第12页；编辑于星期二\17点27分（一）生物转化（Biotransformation）的概念2）内源性化合物：指生物机体正常的生理活动产生的物质。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。4）生物转化的主要场所是肝脏，其它有肺、胃、肠、皮肤等。13本文档共53页；当前第13页；编辑于星期二\17点27分二、污染物在体内的生物转化（二）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。14本文档共53页；当前第14页；编辑于星期二\17点27分二、污染物在体内的生物转化（二）生物转化的过程排出体外外源性化合物一级代谢物结合产物（二级代谢）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）15本文档共53页；当前第15页；编辑于星期二\17点27分二、污染物在体内的生物转化（二）生物转化的过程1.相I反应（1）氧化反应：在混合功能氧化酶系的催化下进行的反应。

在氧化反应中，O2起了“混合”作用，即一个氧原子还原为水，另一个氧原子进入底物中。因此，这些酶称为混合功能氧化酶（MixedFunctionOxidase,MFO）。NADPH2：还原型辅酶IINADP：氧化型辅酶IIRH（污染物）MFOROH（氧化产物）O2NADPH2NADPH2O微粒体（Microsome）非微粒体16本文档共53页；当前第16页；编辑于星期二\17点27分二、污染物在体内的生物转化（二）生物转化的过程1.相I反应（1）氧化反应微粒体MFO参与的反应脂肪族羟化芳香族羟化：羟化为酚类N-羟化：毒性与羟化部位有关环氧化：烯烃类转化为环氧化物N-氧化/P-氧化/S-氧化氧化性脱烷基/脱氨/脱卤非微粒体单胺和二胺氧化醇、醛氧化17本文档共53页；当前第17页；编辑于星期二\17点27分二、污染物在体内的生物转化（二）生物转化的过程1.相I反应（2）还原反应微粒体还原（肠道的细菌体内）硝基还原偶氮还原还原性脱卤非微粒体还原（醇、醛、酮、硫氧化物、氮氧化物等）（3）水解作用：污染物含有可被水解的酯键酯酶酰胺酶糖苷酶18本文档共53页；当前第18页；编辑于星期二\17点27分2.相II反应：亦称结合反应（ConjugationReaction)解毒表现1）使有毒化合物某些功能基团失活；2）大多数化合物通过结合反应，水溶性增加，很快由肾脏排出。反应阶段1）首先是形成一个活化的中间体（需要ATP）2）继而由多种转移酶将活化的中间体的一个化学基团，作为供体转移到另一个化学物（受体），形成结合物。受体——外源性化合物及其代谢产物供体——细胞内物质，是细胞代谢的正常产物，如：各种核苷酸衍生物，某些氨基酸（如甘氨酸、谷氨酰胺）及其衍生物（如谷胱甘肽）。19本文档共53页；当前第19页；编辑于星期二\17点27分2.相II反应：亦称结合反应（ConjugationReaction)结合反应的主要类型结合反应类型结合物异物或某一级代谢物葡萄糖醛酸化UDPGA酚、醇、羧酸、胺、磺胺、硫醇硫酸化PAPS酚、芳香胺、醇甲基化SAM多元酚、硫醇、胺、N-杂环化合物乙酰化乙酰辅酶A胺、芳香胺、氨基化合物甘氨酸结合甘氨酸羧酸（以酰基辅酶A形式）谷胱甘肽结合谷胱甘肽卤化物、硝基化合物、环氧化物20本文档共53页；当前第20页；编辑于星期二\17点27分微生物对生物外源性物质（人工合成的难降解污染物）的转化作用种类：稳定剂、表面活性剂、人工合成的聚合物（如塑料）、杀虫剂、除草剂以及各种工艺流程中的废品等。例子：

21本文档共53页；当前第21页；编辑于星期二\17点27分1）氯苯类用途：稳定剂（润滑油、绝缘油、增塑剂、油漆、热载体、油墨等都含有）危害：急性中毒；是一种致癌因子。降解菌：产碱杆菌、不动杆菌、假单胞菌、芽孢杆菌以及沙雷氏菌的突变体。降解机理：如，对二氯苯的微生物转化，酶的催化脱氯是关键步骤22本文档共53页；当前第22页；编辑于星期二\17点27分2）洗涤剂可分为阴离子型、阳离子型、非离子型、两性电解质四类。我国目前生产的洗涤剂属于阴离子型烷基苯磺酸钠。较早开发的是非线性的丙烯四聚物型烷基苯磺酸盐（ABS）：ABS甲基分支干扰生物降解，链末端与4个碳原子相连的季碳原子抗攻击的能力更强。23本文档共53页；当前第23页；编辑于星期二\17点27分A．降解洗涤剂的微生物细菌——假单胞菌、邻单胞菌、黄单胞菌、产碱单胞菌、产碱杆菌、微球菌、大多数固氮菌放线菌——诺卡氏菌B.降解途径24本文档共53页；当前第24页；编辑于星期二\17点27分3）典型含氮有机物种类：氰化物、乙腈、丙腈、正丁腈、丙烯腈等腈类化合物及硝基化合物

水中来源：化工腈纶废水、国防工业废水、电镀废水等。危害：生物毒害、环境积累降解微生物：细菌——紫色杆菌、假单胞菌放线菌——诺卡氏菌真菌——氧化性酵母菌和霉菌中的赤霉菌(茄科病镰刀霉)、木霉及担子菌等25本文档共53页；当前第25页；编辑于星期二\17点27分B．降解途径a.氰化物5HCN+5.5O25CO2+H2O+5NH3b.有机腈26本文档共53页；当前第26页；编辑于星期二\17点27分微生物对生物外源性物质（人工合成的难降解污染物）的转化作用微生物对生物外源性物质的转化作用：脱卤（主要是脱氯）反应：如DDT的脱氯；还原反应：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…共代谢

(cometabolism)：是指微生物在生长基存在的情况下对非生长基的降解,降解的中间产物又会被另外一种微生物所代谢,最后污染物完全矿化。

——是去除难降解有机污染物的主要方式。27本文档共53页；当前第27页；编辑于星期二\17点27分影响生物转化的因素生物因素——种族、个体差异（由各自的遗传因素决定，主要体现在生物体内酶的种类和活力有区别）生理因素年龄性别激素和昼夜规律：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营养因素——蛋白质、无机盐、维生素等营养缺乏时会以不同方式影响到生物体对外源性化合物的转化作用。28本文档共53页；当前第28页；编辑于星期二\17点27分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。生物转化过程极其复杂，同一种外源性化合物可以进行不同形式转化反应，形成各种不同的代谢产物，导致不同的生物学效应。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。29本文档共53页；当前第29页；编辑于星期二\17点27分第四节

环境污染物在生物体内

的浓缩、积累与放大30本文档共53页；当前第30页；编辑于星期二\17点27分一、生物浓缩生物浓缩（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。指标：生物浓缩系数/富集因子（BioconcentrationFactor，BCF）KBCF＝物质在生物体内的浓度/物质在环境介质中的浓度31本文档共53页；当前第31页；编辑于星期二\17点27分一、生物浓缩影响生物浓缩程度的因素物质本身的性质：同一种生物对不同物质的浓缩程度会有很大差别，如褐藻对钼的浓缩系数是11，对铅的浓缩系数却高达70000；生物因素：不同种生物对同一种物质的浓缩程度会有很大差别；环境因素：同一种物质，由于环境条件不同，浓缩程度也可能不同。32本文档共53页；当前第32页；编辑于星期二\17点27分二、生物累积生物累积（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。指标：浓缩系数发生生物累积的条件：机体内某种元素或难分解化合物的浓缩水平取决于摄取和消除这两个相反过程的速率，当摄取量〉消除量→生物累积33本文档共53页；当前第33页；编辑于星期二\17点27分二、生物累积影响生物累积程度的因素：生物因素：不同种生物、同种生物的不同器官和组织、生物体的个体大小、不同生长发育阶段；例如：1）体重不同的黄鳝对PCB的累积程度不同；2）水生态系统中，单细胞浮游植物对重金属和有机卤代化合物的摄取主要是通过吸附作用，因此摄取量是表面积的函数，不是生物量的函数。34本文档共53页；当前第34页；编辑于星期二\17点27分三、生物放大生物放大（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。

结果：使食物链上高营养级生物机体中物质的浓度显著地超过环境浓度。指标：浓缩系数35本文档共53页；当前第35页；编辑于星期二\17点27分水生食物链中污染物的迁移和归趋路径（据叶常明）36本文档共53页；当前第36页；编辑于星期二\17点27分三、生物放大例子：美国图尔湖和克拉马斯南部保护区有机氯杀虫剂DDT对生物群落的污染（如图1-6）

湖水（0.006mg/L）→大型水生植物（0.0-2.1mg/L,3500）→无脊椎动物（0.0-610mg/L,10000）→鱼类（痕量-1.6mg/L）→水鸟（63-75.5mg/L,105000-125873）,水鸟脂肪体（459.5mg/L,765833）37本文档共53页；当前第37页；编辑于星期二\17点27分三、生物放大各种生物对不同物质的生物放大作用有差别。生物放大的原理：生态系统食物链的物质流动。假定：污染物在食物链转移过程中没有代谢和排泄损失例子…….A物质100g（0.1mgDDT,1mg/kg）B物种A物质10g（0.1mgDDT,10mg/kg）C物种A物质1g（0.1mgDDT,100mg/kg）38本文档共53页；当前第38页；编辑于星期二\17点27分美国长岛河口地区生物对DDT富集的研究：大气颗粒物中DDT含量：3×10-6mg/kg水体小鱼体内的DDT含量：0.5mg/kg浮游动物体内DDT含量：0.04mg/kg大鱼体内的DDT含量：2mg/kg富集系数约为6×105倍DDT排出量DDT摄取量＞生物富集39本文档共53页；当前第39页；编辑于星期二\17点27分山东省东营市广利河水生态环境中PCBs的生物富集：40本文档共53页；当前第40页；编辑于星期二\17点27分DDT残毒的生物放大的例子（据叶常明）41本文档共53页；当前第41页；编辑于星期二\17点27分受污染的水体食物链的生物放大作用人类健康生态破坏研究表明，亲脂性化合物的生物放大是化合物在较高营养级生物体内得以积累的主要贡献。但是对于其它大多数化学物，相对于生物浓缩，生物放大对化学物的积累是一个不大重要的因素。42本文档共53页；当前第42页；编辑于星期二\17点27分四、生物浓缩系数（BCF）例子：土壤和植物之间的BCF=植物体内某物质的浓度/土壤溶液中该物质的浓度通常BCF用来表示某种物质在水中的浓度同在水生生物体内的浓度之间的关系。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43本文档共53页；当前第43页；编辑于星期二\17点27分四、生物浓缩系数（BCF）测定方法测定方法优缺点平衡法实验室饲养法条件易于控制，但求得的数值不够准确，与自然条件下的实际数值有差距（小些）野外调查法能够求得标准的数值，但技术难度大（如分析技术的限制），试验的时间周期可能较长动力学方法（KBCF=摄取速率常数K1/释放速率常数K2）节省试验时间，更适合大个体生物其他间接测定方法利用lgKBCF与lgKOW或Sw（溶解度）的相关关系来推算对有机毒物44本文档共53页；当前第44页；编辑于星期二\17点27分四、生物浓缩系数（BCF）影响BCF的因素生理因素：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、光照条件及季物质本身的性质：如化学性质、物理状态45本文档共53页；当前第45页；编辑于星期二\17点27分辛醇/水分配系数定义：有机化学物的辛醇/水分配系数Kow指在一个由辛醇和水组成的两相平衡体系中，化学物在辛醇相的摩尔浓度Co与其在水相中的摩尔浓度Cw之比，即Kow=Co/CwKow反映了有机化学物在有机相和水相间分配的一种倾向，或者说反映了该化学物的疏水与亲水的一种性质，Kow越大的化学物，其疏水性就越大。Kow的大小主要取决于化学物与辛醇和水两种容积间相互作用力的大小及性质。分子间作用力与辛醇相似的化学物的Kow较大，如壬醇；分子间作用力与水相似的化学物的Kow一般较小，如甲醇。46本文档共53页；当前第46页；编辑于星期二\17点27分辛醇/水分配系数必须注意的一点：一个化学物的Kow不同于该化学物在辛醇和水中溶解度的比值，因为定义Kow时，辛醇/水二元体系中所指的辛醇相和水相都不是纯的辛醇和水。环境意义：研究显示，与化学物的水溶度、沉积物或土壤对化学物的吸附系数、化学物的生物浓缩因子等都有密切的联系，因此，研究的测定和计算方法，对于研究有机污染物在多介质环境中的行为和生态效应具有非常重要的意义。47本文档共53页；当前第47页；编辑于星期二\17点27分五、生物浓缩机理和浓缩模型（一）生物浓缩机理qvCB1VBcBVTcTK2cTqvcBo血液组织图1－7生物体某一组织生物浓缩的机理模型其中，qv——血液通过该组织的流量；cB1和cB0——进出该组织的血中化合物的浓度；VB和V