第五章-生物体内污染物质的运动过程及毒性

环境化学

EnvironmentalChemistry主讲人：范佳佳fanjiajia@2016年12月28日第五章&第六章1第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性2生物膜的结构主要由脂质（主要是磷脂和胆固醇）、蛋白质和多糖类组成。另有少量的水和金属离子。3第一节物质通过生物膜的方式磷脂双分子层既有疏水基团，又有亲水基团。亲水的头部处于水相，疏水的尾部朝向中央。

（1）磷脂双分子层4生物膜中的蛋白质约占细胞蛋白总量的20%～30%，它们或是单纯的蛋白质,或是与糖、脂结合形成的结合蛋白。根据它们与膜脂相互作用的方式及其在膜中的排列部位，可以大体分为两类：表在蛋白与内在蛋白。不同生物膜所具有的不同生物学功能主要是由于所含膜蛋白的种类和数量的不同。（2）蛋白质5生物膜中含有一定的寡糖类物质。它们大多与膜蛋白结合，少数与膜脂结合。糖类在膜上的分布是不对称的，全部都处于细胞膜的外侧。生物膜中组成寡糖的单糖主要有半乳糖、半乳糖胺、甘露糖、葡萄糖和葡萄糖胺等。生物膜中的糖类化合物在信息传递和相互识别方面具有重要作用。（3）糖类6物质通过生物膜的方式1、膜孔滤过2、被动扩散

3、被动易化扩散

4、主动转运

5、胞吞和胞饮呈现特异性选择；是正常的营养物质及其代谢产物通过生物膜的主要方式。大多数物质通过生物膜的方式。具体以何种方式通过生物膜，主要取决于机体各组织生物膜的特性和物质的结构、理化性质。7物质从高浓度的一侧，通过膜转运到低浓度的另一侧。通过被转运物质本身的扩散作用进行的，是一个不需要外加能量的自发过程。许多物质的被动转运过程需要特殊的蛋白载体帮助。被动转运特点：8主动转运是在外加能量驱动下进行的物质跨膜转运过程。主动转运的物质，可以是离子、小分子化合物，也可以是复杂的大分子物质，如某些蛋白或酶等。这一过程一般都与ATP的释能反应相偶联。9生物膜法是指用天然材料（如卵石）、合成材料（如纤维）为载体，在其表面形成一种特殊的生物膜，生物膜表面积大，可为微生物提供较大的附着表面，有利于加强对污染物的降解作用。生物膜法60年代末期开始出现，主要工艺方法有生物滤池、生物接触氧化法等。10应用：生物膜法处理工业废水污染物质在机体内的运动过程包括吸收、分布、生物转化和排泄。11第二节污染物质在机体内的转运吸收（1）消化管：是吸收污染物质最主要的途径。

一般通过摄取食物和饮水进入体内。消化管的主要吸收部位在小肠，其次是胃。一般污染物脂溶性越强，浓度越高，被消化道吸收越快。另外，由于胃酸的分泌，一些弱碱性的有机污染物在胃中呈极性离子态，水溶性增强，脂溶性变差，不易被吸收，但是弱酸性的有机污染物在胃中容易被吸收。12（2）呼吸管吸收大气污染物的主要途径。其中的大颗粒部分停留在鼻腔、咽喉等部位，通过喷嚏、进食、吐痰等排出。细颗粒部分可以进入肺部不易复出，其主要吸收部位是肺泡。肺泡的膜很薄，数量众多，四周布满壁膜极薄、结构疏松的毛细血管，因此细颗粒中的可溶性部分经过肺部毛细血管转运进入血液循环。13（3）皮肤：由于皮肤角质层的阻隔，皮肤吸收污染物的能力较差，只是一些污染物质进人机体的途径。一般水溶性强，分子量低的污染物（例如酚、苯胺）才可以通过皮肤吸收。但是当皮肤毛孔张开时，一些大分子污染物也可以通过毛孔进入人体。14（1）叶片吸附可吸附一些颗粒态污染物，植物叶片越粗糙，比表面积越大，越能吸附大量污染物。一些植物叶片分泌一些油脂性物质，增加了对气态污染物的吸附作用。例如云杉、油松、马尾松能分泌油脂性物质，杨梅、草莓等叶片粗糙，比表面积大。15对植物而言：主要是叶片吸附、叶孔吸收、根部吸收三个途径（2）叶孔吸收植物呼吸主要通过叶片气孔进行，大量污染物由此进入植物体内，例如二氧化硫通过通过气孔进入叶片，被叶肉组织吸收，高浓度的二氧化硫能导致气孔的开闭功能瘫痪；氟化物、臭氧、光化学烟雾有害成分、一些农药等都能通过气孔进入植物体内；16（3）根部吸收大部分通过植物根部细胞膜的被动扩散吸收，即当外部污染物浓度大时，可以扩散进入根部细胞，然后通过蒸腾作用进入植物全身。但是一般在植物根部累积的污染物浓度最大。17分布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。血脑屏障：高脂溶性低解离度的污染物质，容易通过血脑屏障，由血液进人脑部，如甲基汞化合物。污染物质由母体转运到胎儿体内，必须通过由数层生物膜组成的胎盘，称为胎盘屏障。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。18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。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、外分泌等，而以肾和肝胆为主。1、肾排泄一般来说，肾排泄是污染物质的一个主要排泄途径。肾小球毛细血管壁有许多较大的膜孔，大部分污染物质都能从肾小球滤过;但是，分子量过大的或与血浆蛋白结合的污染物质，不能滤过仍留在血液内。这就是一些高分子污染物（PCB）长期富积人体的原因。192、肝胆

污染物质的另一个重要排泄途径，是胆汁排泄。

胆汁排泄是指主要由消化管及其他途径吸收的污染物质，经血液到达肝脏后，与胆汁一起分泌→十二指肠→小肠→大肠→排出体外的过程。少数是原形物质，多数是原形物质在肝脏经代谢转化而形成的产物。一般水溶性大、脂溶性小的化合物，胆汁排泄好。有些物质由胆汁排泄，在肠道运行中又重新被吸收，称为肠肝循环。20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。污染物的蓄积部位与毒性部位不一定相同。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。蓄积量是吸收、分布、排泄等的代数和21蓄积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(BioconcentrationFactor，BCF)

：影响BCF的因素物质性质：降解性、脂溶性、水溶性等生物特征：种类、大小、性别、器官、生长发育阶段等环境条件：温度、盐度、pH、氧含量等22第三节污染物质的生物富集、放大和积累生物浓缩系数：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。23生物放大(Biomagnification)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生物积累

(BioaccumulationProcess)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。2425在一个海洋模式生态系统中研究藤胡、牡蛎、蛤、蓝蟹和沙蚕等5种动物对钛、锰、镉、硒、砷、铬、汞等10种重金属的放大作用，发现藤胡和沙蚕的生物放大能力较大，牡蛎和蛤次之，蓝蟹最小。生物放大并不是在所有条件下都能发生如汞和银都被脂首鱼积累，但脂首鱼对汞有生物放大作用，而对银没有。26一、生物转化中的酶酶(Enzyme)：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。27第四节污染物质的生物转化酶的发现1773年，意大利科学家斯帕兰扎尼设计了一个巧妙的实验：将肉块放入小巧的金属笼中，然后让鹰吞下去。过一段时间他将小笼取出，发现肉块消失了。于是，他推断胃液中一定含有消化肉块的物质。但是什么，他不清楚。1836年，德国科学家施旺从胃液中提取出了消化蛋白质的物质。解开胃的消化之谜。20世纪30年代，科学家们相继提取出多种酶的蛋白质结晶，并指出酶是一类具有生物催化作用的蛋白质。20世纪80年代，美国科学家切赫和奥特曼发现少数RNA也具有生物催化作用。

28生物转化中的酶催化作用的场所催化反应的类型成分酶的分类胞外酶胞内酶氧化还原酶水解酶裂解酶异构酶合成酶转移酶单成分酶双成分酶（酶蛋白+辅酶）29根据酶的催化反应性质分为：氧化还原酶：如细胞色素氧化酶转移酶：如胃蛋白酶、淀粉酶

水解酶：如转氨酶

裂解酶：如碳酸酐酶

异构酶：如磷酸葡萄糖异构酶

合成酶：如谷氨酰胺合成酶

30耗氧有机污染物质(Oxygen-ConsumingOrganicPollutant):是生物残体、排放废水和废弃物中的糖类、脂肪和蛋白质等较易生物降解的有机物质。生物降解(Biodegradation)：有机物质通过生物氧化以及其他的生物转化，可以变成更小、更简单的分子过程。耗氧有机污染物质的微生物降解31氮的微生物转化同化：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。硝化：氨在有氧条件下通过微生物作用,氧化成硝酸盐的过程。32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。（1）硝酸盐还原成亚硝酸

（2）硝酸盐还原成氮（3）硝酸盐还原成亚硝酸盐和氨33氮的微生物转化传统水处理理论认为：氨氮的去除是通过硝化和反硝化两个相互独立的过程实现的，由于对环境条件的要求不同，这两个过程不能同时发生，而只能序列式进行，即硝化反应发生在好氧条件下，反硝化反应则发生在严格的缺氧或厌氧条件下。在这种理论指导下，传统的生物脱氮工艺都是将缺氧区(或厌氧区)与好氧区分隔开，如A/O系统。在好氧区供氧充足，氨氮被硝化菌群氧化成硝酸盐氮，然后混合液进入缺氧段；在缺氧条件下，反硝化菌利用硝酸盐氮和原污水中的有机物完成反硝化过程，达到脱氮的目的。34固氮：通过微生物的作用把分子氮转化为氨的过程。生物固氮在农业生产中的应用氮素是农作物从土壤中吸收的一种大量元素，土壤每年因此要失去大量的氮素。土壤可以通过两条途径获得氮素：一条是含氮肥料；另一条是生物固氮：豆科植物。好氧根瘤菌35硫的微生物转化

硫化：微生物（硫杆菌和硫磺菌）作用下，S、H2S生成H2SO4的过程。反硫化：SO42-、SO32-在微生物（脱硫弧菌）作用下，还原生成H2S的过程。由于海水中硫酸盐浓度较高，所以由硫酸盐经细菌作用还原为硫化氢，是海水硫化氢的主要来源。36

毒物(Toxicant)毒物是进入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。毒物与非毒物之间并不存在绝对的界限——16世纪的瑞士医生和化学家帕拉塞尔苏斯

“所有的物质都是毒物，没有物质不是毒物，唯一的区别是它们的剂量”。

37第五节污染物质的毒性效应：毒理学把毒物剂量（浓度）与引起个体生理学的变化，如脑电、心电、血象、免疫功能、酶活性等的变化称为效应。反应：把引起群体的变化，如肿瘤或其他损害的发生率、死亡率等变化称为反应。38毒作用的分类：急性(Acute)慢性(Chronic)亚急（或亚慢）(Sub-acute)半数有效剂量（ED50，medianeffectivedose）半数有效浓度（EC50，medianeffectiveconcentration)半数致死剂量（LD50，medianlethaldose)半数致死浓度（LC50

，medianlethalconcentration)39急性毒作用、慢性毒作用和亚急性毒作用表示方法：半数有效量、半数致死量等。实验方法：口服、灌胃、吸入、皮肤注射。实验动物：小鼠、家兔。急性毒作用：环境污染物一次或24小时内多次作用于人或动物机体所引起的损害作用。例子：伦敦烟雾、洛杉矶光化学烟雾。40慢性毒作用：低剂量毒物长期逐渐进入机体，累积到一定程度后而致毒。表示方法：阀剂量、最高允许剂量。特点：剂量低、时间长、危害大。例子：水俣病、骨痛病。41毒作用的过程1、进入体液2、毒物与受体进行原发反应3、引发一系列的病理生理的继发反应42毒作用的生物化学机制1、酶活性的抑制2、致突变作用(Mutagensis)

3、致癌作用(Carcinogenesis)4、致畸作用(Teratogensis)43

致癌物艾氏剂、苯并[a]芘、双（2-氯乙基）醚、氯乙烯、氯仿、四氯化碳、狄氏剂和异狄氏剂、二噁英、亚硝酸盐、石棉、镉酸盐、砷化物、放射性核素、霉素、病毒等

致畸物2,4,5-T、二噁英、有机汞、苯二甲酸酯、砷酸钠、硫酸镉、醋酸苯汞等

致突变物DDT、2,4-D、2,4,5-T、二噁英、苯、臭氧、砷酸钠、硫酸镉、亚硝酸盐、铅盐等44环境和生物体中的部分“三致”毒物保鲜膜究竟致癌不致癌？

“PVC（聚氯乙烯）食品保鲜膜对人体有比较大的危害，这种保鲜膜中的有害物质容易析出，随食物进入人体后，对人体有致癌作用，特别是干扰人体内分泌，引起妇女乳癌、新生儿先天缺陷、男性生殖障碍甚至精神疾病等。”

2005年10月13日，《第一财经日报》曝出《全球禁用———日韩将致癌PVC保鲜膜转道中国销售》。顿时，媒体、塑料业、卫生部门及老百姓便像炸开了锅，纷纷关注PVC保鲜膜是否致癌。45*“PVC保鲜膜在常温状态下是较为安全的，只有在加热的情况下才可能释放出对人体有致癌作用的物质”。*PVC制成软塑料，比如保鲜膜，就要加入40％～50％的增塑剂，增塑剂属于小分子，活动能力比较强，看保鲜膜是否对人体有害，要看增塑剂是否对人体有害。*国外禁用PVC原因：国外的垃圾处理方式是焚烧。PVC焚烧后释放出氯气，对金属炉有腐蚀作用。此外，焚烧PVC释放出的气体对大气环境有污染。

保鲜膜究竟致癌不致癌？

46第六章典型污染物在环境各圈层中的转归与效应47重金属元素—重金属的定义重金属：指相对密度在4.0以上的约60种金属元素或相对密度在5.0以上的45种金属元素。重金属是具有潜在危害的重要污染物，一般指对生物有显著毒性的元素，如汞、镉、铅、锌、铜、钴、镍、锡、钡、锑等，从毒性角度出发，通常把砷、铍、锂、硒、硼、铝也包括在内。目前最关注的是汞、砷、镉、铅、铬。48汞——性质、分布等

液态金属，易挥发；多价态、易转换；有机汞的挥发性大于无机汞，有机汞中又以甲基汞和苯基汞的挥发性最大，湿度越大挥发越强；无机汞中以碘化汞挥发性最大，硫化汞最小。空气中汞含量的大部分吸附在颗粒物上；气相汞的最后归趋是进入土壤和海底沉积物；在天然水体中，汞主要与水中存在的悬浮微粒相结合，最后沉降进入水底沉积物。49汞的来源－自然