环境微生物学课件

第一篇環境污染的生物效應第一章環境污染物在生態系統中的行為第一節環境污染概述一、環境污染1定義：環境污染(EnvironmentalPollution)是指有害物質或因數進入環境,並在環境中擴散、遷移、轉化,使環境系統結構與功能發生變化,對人類以及其他生物的生存和發展產生不利影響的現象。

人類活動與自然因素引起的不同。不同國家環境品質標準不同。2環境污染類型（1）按環境要素分：大氣污染、水體污染和土壤污染等。（2）按污染物的性質分：生物污染、化學污染和物理污染。（3）按污染物的形態分：廢氣污染、廢水污染和固體廢棄物汙染，雜訊污染、輻射污染等。（4）按污染產生的原因分：生產污染和生活汙染。生產污染又可分為工業污染、農業污染、交通污染等；（5）按污染涉及範圍分：全球性污染、區域性污染、局部污染等。

3環境效應環境條件影響下，物質之間通過物理、化學、生物作用所產生的環境效果。環境效應按環境變化的性質可分為環境生物效應、環境化學效應和環境物理效應。

（1）環境生物效應是指各種環境因素變化而導致生態系統變異的效果。

如大型水利工程；森林砍伐，水土流失；致癌物引起癌症患者增多等。急性環境生物效應，慢性環境生物效應。（2）環境化學效應是在多種環境條件的影響下,物質之間的化學反應所引起的環境效果,如環境的酸化、土壤的鹽鹼化、地下水硬度的升高、光化學煙霧的發生等。（3）環境物理效應是物理作用引起的環境效果,如熱島效應、溫室效應、雜訊、

地面沉降等。

二、污染源1定義造成環境污染的污染物發生源稱之為污染源。它通常指向環境排放有害物質或對環境產生有害物質的場所、設備和裝置。按污染物的來源，可分為天然污染源和人為污染源。

2人為污染源的分類按污染物種類：有機、無機、雜訊污染源等。大多數為混合污染源。按污染的主要對象：大氣、水體、土壤污染源等。按排放的污染物的空間分佈方式：點污染源、非點污染源。按人類社會活動功能分：工業、農業、交通、生活污染源等。（一）工業污染源工業生產過程中產生，多數為點污染源。（二）農業污染源化肥、農藥等污染。（三）交通運輸污染源對周圍環境造成污染的交通運輸設施和設備。（四）生活污染源人類消費活動產生的廢水、廢氣和廢渣等。在重視工業污染源同時，必須高度重視農業非點源污染。三、污染物污染物（Pollutant)是進入環境後使環境的正常組成結構、狀態和性質發生變化、直接或間接有害於人類生存和發展的物質,是造成環境污染的重要物質組成,這類物質有的是自然界釋放的,有的是人類活動產生的。環境科學研究的主要是人類生產和生活排放的污染物。（一）生產性污染物生產活動造成。如廢水、廢氣、廢渣、雜訊等。（二）生活污染物數量增多，種類複雜。污染物產生途徑多樣性。如農藥在生產、使用過程均可產生。污染物由有用物質到污染物的量的概念。污染物分類方法多樣。

四、優先污染物在眾多污染物中篩選出潛在危險大的作為優先研究和控制對象,稱之為優先污染物(PriorityPollutant)或稱為優先控制污染物。

我國水中優先控制污染物黑名單。P27。第二節污染物在環境中的遷移與轉化

一、污染物在環境中的遷移

污染物主要通過三條途徑進入環境

:①人類活動過程中無意釋放,如交通事故和火災;②廢物的排放,如工業廢水、廢氣和固體廢物排放;③人類活動過程中故意的應用,如殺蟲劑的應用。污染物還可以在各環境要素間發生遷移

所謂污染物的遷移是指污染物在環境中發生的空間位置的移動及其引起的富集、分散和消失過程。由於污染物的遷移作用,使得污染物可以傳送到很遠的距離,由局部性污染引起區域性污染、甚至造成全球性的污染。

（一）遷移方式1機械遷移：水、氣、重力的機械遷移（擴散、搬運等）2物理－化學遷移：溶解－沉澱、氧化－還原作用、水解作用、絡合和螯合作用、吸附一解吸作用等。是污染物在環境中遷移的最重要的形式。3生物遷移：污染物通過生物的吸收、代謝、生長、死亡等過程所實現的遷移，是複雜的遷移形式。

（二）影響遷移的因素制約污染物遷移因素：一方面是污染物自身的物理化學性質,另一方面是外界環境理化條件和區域自然地理條件。1內部因素原子的電負性、離子半徑、電價、離子電位和化合物的鍵性和溶解度等是影響污染物遷移的主要理化參數。由共價鍵結合的污染物易進行氣遷移,由離子鍵結合的污染物易進行水遷移…….

2外部因素A外界環境理化條件影響污染物遷移的外部因素主要是環境的酸堿條件、氧化一還原條件、膠體的種類和數量、絡合配位體的數量和性質等。

（1）大多數重金屬在強酸性環境中形成易溶性化合物,有較高的遷移能力,而在鹼性環境申則形成難溶性化合物,難以遷移。（2）有些汙染物在氧化環境中有較強的遷移能力,如鉻、釩、硫,有些污染物在還原環境中有較強的遷移能力,如鐵、銨。（3）當環境中存在大量有機或無機配位體,特別是大量

Cl-和SO42-前,可大大促進汞、鎘、鋅、鉛的遷移。（4）當環境中有大量膠體,特別是有大量蒙脫石和難溶性胡敏酸時可大大阻止汞、鉛、鎘的遷移。

B區域自然地理條件

在自然環境中,所有影響污染物遷移的理化條件均受區域自然地理條件(氣候、地形、水文、土壤等)的制約,其中氣候條件對污染物遷移的影響最為明顯,主要表現為兩個最重要的氣候因數一熱量和水分之間的配合狀況。污染物在環境中遷移直接影響環境品質,有些情況下起有利作用,有些情況下起不利作用。

二、污染物的形態和分佈

(一)污染物的形態

環境中污染物的形態是環境中污染物的外部形狀、化學組成和內部結構的表現形式。不同形態的污染物在環境中有不同的化學行為,並表現出不同的污染效應。例如,六價鉻有強烈毒性,而三價鉻毒性較弱。

按污染物的化學組成和內部結構可以分為單質和化合態兩類。

污染物形態若按其物理性狀和結構來分可分為固體、流體(氣體和液體)、射線等形態。按污染物的形態和功能特點,還可分為離子態、代換態、膠體、有機結合態和難溶態等。①許多種污染物可溶於水形成離子態（如Hg2+)

。②代換態是水體或土壤溶液中存在的離子或分子態的物質,在物理化學的作用下產生各種同離子代換的表現形式。③膠體是一種常見的複雜分散體系,可分為氣溶膠、水溶膠和固溶膠等。

氣溶膠有飄塵、煙氣和霧等形態。

④有機結合態是由生物吸收積累起來的污染物,如農產品中的殘留農藥。⑤難溶態是以矽酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽、硫化物、氧化物等形態存在的難溶物質,廣泛地分佈於岩石、土壤、河湖底泥和各種固體廢棄物品(特別是廢渣)中。(二）污染物的分佈污染物的分佈，不只是指在環境空間的濃度分佈，而且還指污染物不同形態、不同相態之間的分配。如汞。(P32)三、污染物在環境中的轉化

污染物在環境中通過物理、化學或生物的作用改變形態或轉變成另一種物

質的過程稱為污染物的轉化(TransformationofPollutant)。（一）轉化形式

污染物的轉化形式可分為物理轉化、化學轉化和生物轉化三種類型。

污染物在環境中轉化的結果，一方面使污染物的生物毒性降低，另一方面毒性增強。

（二）大氣中的轉化污染物以光化學氧化、催化氧化反應為主。大氣中的碳氫化合物和氮氧化物（一次污染物）在陽光（紫外線）作用下發生光化學氧化反應產生臭氧、過氧乙醯硝酸酯（PAN)等(二次污染物）。如光化學煙霧。（三）水體中的轉化1氧化還原作用如湖泊，水體淨化過程等。2.配合作用

天然水體中存在許多無機配位體,如

OH－、Cl－等和有機配位體如氨基酸,腐殖酸,以及生活廢水中洗滌劑、清潔劑、農藥和大分子環狀化合物等。水體中各種配位體可以與水中各種污染物特別是重金屬污染物進行配合反應，改變其性質和存在狀態,影響污染物在水體中的發生、遷移、反應和生物效應等。

3.生物降解作用

水體中的微生物

,特別是底泥中的厭氧微生物可使一些污染物發生轉化，如無機汞轉化為一甲基汞或二甲基汞。

（四）土壤中的轉化土壤由固、液、氣三相構成。污染物在土壤中的轉化及其行為取決於污染物和土壤的理化性質。生物降解在這裏起重要的作用。

四、污染物的生物地球化學迴圈

污染物的生物地球化學迴圈就是生物的合成作用和礦化作用所引起的汙染物周而複始的迴圈運動過程。(一)迴圈過程

(二)迴圈機理

在被污染的環境中,污染物質隨著營養物被生物吸入體內,污染物在環境(水、土、氣)與生物群落之間交換引起污染物的生物地球化學循環。

在這個迴圈過程中同時伴隨有污染物的遷移、轉化、分散、富集的過程,從而使得污染物的形態、化學組成和性質也發生變化。如酚第三節污染物在生物體內的生物轉運和生物轉化

一生物轉運

生物轉運

(Bio-transportorBiotransport)是指環境污染物經各種途徑和方式同生物機體接觸而被吸收、分佈和排泄等過程的總稱。

生物膜Biologicalmembrane各類細胞器的膜（如內質網膜、內囊體膜等）、質膜和核膜在分子結構上基本相同，它們統稱為生物膜。膜的結構1895年Overton膜是由脂組成的1917年Langmuir磷脂單分子層1925年Gorter&Grendel

磷脂雙分子層1932年Davson&Danielli

“三明治”模型

……流動鑲嵌模型生物膜的“流動鑲嵌模型”主要特點Fluidmosaicmodel有序性流動性不對稱性生物膜的結構是與其功能相一致的。（一）污染物透過細胞膜的方式主要分為被動轉運、特殊轉運和胞飲作用三種形式。1被動轉運（passivetransport）被動轉運的特點是生物膜不起主動作用;不消耗細胞的代謝能量。這種轉運形式包括簡單擴散和濾過兩種方式。簡單擴散是脂溶性有機化合物的主要轉運方式。濾過過程是環境污染物通過生物膜上的親水性孔道的轉運過程。濾過是分子直徑小於生物膜親水性孔道直徑的水溶性化合物的主要轉運方式。

簡單擴散（simplediffusion）概念：脂溶性物質從高濃度側向低濃度側跨膜轉運影響因素：*動力：濃度差*阻力：通透性（permeability）

通透性：物質通過膜的難易程度

2特殊轉運特點：具有特定結構的環境污染物和生物膜中的蛋白質構成的載體形成可逆性複合物進行轉運，生物膜有主動選擇性,包括主動轉運和易化擴散。主動轉運

是環境污染物由生物膜低濃度一側逆濃度梯度向高濃度一側轉運。這種轉運需要消耗細胞代謝能量，是水溶性大分子化合物的主要轉運形式。易化擴散facilitateddiffusion載體蛋白carrierprotein能與被載物結合，有特異性易化擴散（facilitateddiffusion）

概念：在膜蛋白的幫助下物質從高濃度側向低濃度側跨膜轉運。特點：從高濃度到低濃度特異性

3胞吞和胞吐作用

endocytosisandexocytosis

——生物大分子或顆粒物質的運輸(二）污染物的吸收吸收就是污染物在多種因素影響下，自接觸部位透過體內生物膜進入血液迴圈的過程。對多數動物而言，主要是通過消化管、呼吸系統、皮膚三條途徑吸收。1.呼吸系統吸收

（1）

氣體和蒸氣：以氣體和蒸氣存在的化合物,到達肺泡後主要經過被動擴散，通過呼吸膜吸收入血。其吸收速度與肺泡和血液中毒物的濃度(分壓)差呈正比。

（2）氣溶膠和顆粒狀物質以被動擴散方式通過細胞膜吸收，吸收情況與顆粒大小有明顯差異。以被動擴散方式通過細胞膜吸收情況與顆粒大小有明顯差異〉在生物學上有意義的顆粒大小是0.1μm－10μm。2消化管吸收污染物在消化管吸收的多少與其濃度和性質有關,濃度越高吸收越多，脂溶性物質較易吸收,水溶性易離解或難溶於水的物質則不易吸收。

經胃腸道吸收的外源化合物主要通過下列轉運方式：（1）簡單擴散

是外源化學物在胃腸道吸收的主要方式。分子量小的(200D以下)，脂溶性大的(油水分配係數大)，極性低的(解離度小)化學物較易通過生物膜被吸收。（2）濾過

小腸粘膜細胞膜上有直徑0.4nm左右的親水性孔道，分子量100左右，直徑小於親水性孔道的小分子，可隨同水分子一起濾過而被吸收，例如，經口攝入的鉛鹽10%,錳鹽4%,鎘鹽1.5%和鉻鹽1%可被胃腸道吸收。（3）主動轉運機體需要的某些營養物質如糖類、氨基酸、核酸、無機鹽可由腸道通過主動轉運逆濃度梯度被吸收，少數外源化學物，由於其化學結構或性質與體內所需的營養物質非常相似，也能通過主動轉運進入機體。例如鉛可利用鈣的運載系統，鉈、鈷和錳可利用鐵的運載系統；抗癌藥５-氟尿嘧啶（5-FU）和５-溴尿嘧啶可利用小腸上皮細胞上的嘧啶運載系統。（4）胞吞作用

偶氮色素及某些微生物毒素可通過胞吞作用進入腸粘膜上皮細胞。（5）淋巴管吸收

脂肪經腸道吸收後，與磷脂和蛋白質一起形成乳糜微粒，經胞吐作用進入細胞外空間，通過淋巴管直接進入全身靜脈血流。某些脂溶性外源化學物也可沿這一途徑被淋巴管吸收。例如苯並(a)芘［benzo(a)pyrene］、３-甲基膽蒽(3-methylcholan-threne)和順二甲氨基芴(cis-dimethylaminostilbene)以及DDT都式通過這種方式吸收的。3皮膚吸收1、吸收特點皮膚的通透性不高，但污染物也可透過皮膚而被吸收，例如氯仿可透過完整健康的皮膚引起肝損害，有機磷殺蟲劑和汞的化學物可經皮膚吸收，引起中毒以至死亡。1吸收途徑與階段污染物經皮膚簡單擴散方式的吸收，主要通過表皮或皮膚附件如汗腺管，皮脂腺和毛囊吸收，分為兩個階段.第一階段:為穿透角質層的屏障作用，但速度較慢。第二階段:為吸收階段，須經過顆粒層、棘細胞層、生髮層和真皮，各層細胞都富有孔狀結構，不具屏障功能，外源化學物極易透過，然後通過真皮中大量毛細血管和毛細淋巴管而進入全身迴圈。2、影響因素(1)污染物的理化性質

脂/水分配系數在1左右者，更容易被吸收。非脂溶性的極性外來化學物的吸收與其分子量大小有關，分子量較小者也較易穿透角質層被吸收。(2)皮膚的完整性

人體不同部位皮膚對外源化學物的吸收能力存在差異，角質層較厚的部位如手掌、足底，吸收較慢，腹部皮膚較薄，污染物易被吸收。(3)其他因素化合物與皮膚接觸的條件。血流速度和細胞間液流動加快，吸收也快；皮膚大量排出汗液，外源化學物容易在皮膚表面汗液中溶解、粘附，延長外源化學物與皮膚接觸時間，也易於吸收。4.植物對污染物的吸收（1）根部：蒸騰流而輸送到植物各部分。根部吸收污染物主要有兩種方式:主動吸收過程和被動吸收過程。（2）葉片上的氣孔。（3）表皮：滲透。

（三）污染物的體內分佈血液是大多數外源化學物在吸收後或排泄前最為重要的運輸系統，主要有以下幾種運輸形式1、與血漿蛋白結合

污染物與血漿蛋白的結合一般是非共價結合，常以氫鍵連接。血漿蛋白的結合有競爭現象，結合率高的外源化學物可將結合率低的外源化學物從血漿蛋白的結合位點上置換出來，而增加後者的血漿游離濃度。2、溶解狀態

外源化學物在血液溶解後，游離形式存在的多少對於運輸量有影響。如水溶性化學物，主要溶解於血漿的水性介質中；脂溶性化學物，可溶解在乳糜微粒或中性脂肪酸中。

3、與血紅蛋白結合血紅蛋白有較強的親合力，這些化合物多與血紅蛋白結合，隨血循環運送到全身各處。4、吸附或結合於紅細胞表面如有機磷化合物吸附於紅細胞表面並與膜上膽鹼酯酶結合，容易運輸。5被吸收的污染物可能在脂肪組織或骨組織中蓄積和沉積。鉛有90%沉積在骨髓中;DDT和六六六等著機氯化合物則大量蓄積在脂肪組織中。6某些組織器官具有阻止或減緩外源化學物進入組織器官的生理功能，即屏障作用。在毒理學中較為重要的屏障有皮膚屏障、血腦屏障和胎盤屏障。（四）污染物的排泄污染物的排泄是指進入機體的環境污染物及其代謝轉化產物被機體清除的過程。1腎臟是環境污染物最重要的排泄器官,其轉運方式是腎小球濾過和腎小管主動轉運。2.隨同膽汁排泄

這也是一種主要排泄途徑。

3.其他排泄途徑

二、污染物在體內的生物轉化(一)生物轉化的概念污染物在體內的生物轉化(Biotransformation)是指外源化合物進入生物機體後在有關酶系統的催化作用下的代謝變化過程。

外源化合物(Xenobitic)系指除了營養元素及維持正常生理功能和生命所必需的物質以外,存在於環境之中,可與機體接觸並進入機體,引起機體發生生物學變化的物質,又稱為外來化合物或外源性生物活性物質,包括藥物、日用化學品、工業化學品、食品添加劑,環境污染物等。

（二）生物轉化過程外源化學物的生物轉化過程分兩項反應。第一相反應(PhaseⅠreaction)主要包括氧化(oxydation)、還原(reduction)和水解(hydrolysis)；

形成某些活性基因(如一

OH、-SH、一

COOH、-NH2等)或進一步使這些活性基因暴露。第二相反應(phaseⅡreaction)主要為結合反應(conjugation),結合反應指化合物經第一相反應形成的中間代謝產物在酶系統催化下與細胞內的某些化合物相互結合的反應過程。肝臟是機體內最重要的代謝器官，外源化合物的生物轉化過程主要在肝臟進行。其他組織器官，例如肺、腎、腸道、腦、皮膚等也具有一定的生物轉化能力。1相Ⅰ反應（1）氧化反應是在混合功能氧化酶系的催化下進行的。這些氧化酶位於細胞微粒體上。有些外源性化合物也可被位於線粒體部分的非微粒體氧化還原酶所催化。<1>微粒體混合功能氧化酶參與的主要反應①脂肪族羥化反應常見於丁烷、戊烷和已烷等直鏈脂肪族化合物烷烴類，其羥化產物為醇類。②芳香族羥化反應

芳香環上的氫被氧化，形成酚類。例如苯可形成苯酚，苯胺可形成對氨基酚或鄰氨基酚。常用的氨基甲酸酯類農藥殘殺威經機體內氧化亦可形成羥化產物。

③N-羥化反應

是外源化學物的氨基（H2N-）上的一個氫與氧結合的反應。苯胺可代表一種類型。苯胺經羥化後形成羥胺，羥胺的毒性較苯胺本身為高，可使血紅蛋白氧化成為高鐵血紅蛋白。具有毒理學意義的是有些芳香胺類本身並不致癌，經N-羥化後才具有致癌作用。④環氧化反應在微粒體混合功能氧化酶催化下，一個氧原子在外源化學物的兩個相鄰碳原子之間構成一橋式結構（P45)，形成環氧化物。有些環氧化物可以致癌，例如氯乙烯的環氧化產物環氧氯乙烯即為致癌物。有些外源化學物的環氧化物性質極為穩定，可長期在環境和機體脂肪組織中存留，例如有機氯殺蟲劑艾氏劑的環氧化物鍬氏劑已造成嚴重的生態問題。還有些化學物的環氧化物性質極不穩定，將繼續發生羥化，形成二氫二醇化合物。⑤N－氧化反應如三甲胺生成三甲胺氧化物。⑥P-氧化反應如二苯甲磷，通過氧化反應可生成二苯甲磷氧化物。⑦S-氧化反應這一反應多發生在硫醚類化合物，其代謝產物為亞碸，有一部分可繼續氧化為碸類。可進行硫氧化反應的外源化學物還有某些有機磷化合物，例如殺蟲劑內吸磷和甲拌磷等；氨基甲酸酯類殺蟲劑中的滅蟲威及常用藥物氯丙嗪。⑧氧化性脫鹵典型的氧化脫鹵反應可以滴滴涕（DDT）為代表。DDT經脫鹵反應可形成滴滴伊（DDE）和滴滴埃（DDI）。DDE具有較重要的毒理學意義，脂溶性極高，反應活性較低，可在脂肪組織中大量蓄積，DDT代謝物的60%、DDI主要由尿中排出。

⑨氧化性脫氨反應胺類物質在氧化同時脫去一個氨基，如苯丙胺生成苯丙酮。⑩氧化性脫烷基反應反應產物為分別含有氨基、羥基、或巰基的化合物並有醛或酮生成。由於反應中有一個O原子插入外源化學物的-C-H鍵，所以稱為氧化脫烷基反應，可分N-脫烷基反應(如煙鹼，二甲基亞硝胺致癌)、O-脫烷基反應(如農藥甲基對硫磷生成一甲基對硫磷解毒)和S-脫烷基反應（四乙基鉛脫烷基後生成三乙基鉛毒性增強）。

(2)非微粒體氧化體內具有催化醇、醛和酮功能基團的化合物的氧化反應的酶類,主要線上粒體和肝組織的胞液中存在，在肺和腎中亦有出現。包括醇脫氫酶、醛脫氫酶和胺氧化酶類，例如單胺氧化酶、雙胺氧化酶等。①醇與醛類脫氫反應分別由醇脫氫酶與醛脫氫酶催化。醇脫氫酶催化醇類氧化形成醛或酮，醛類氧化反應主要由肝組織中的醛脫氫酶催化。因攝入乙醇經脫氫酶催化而形成的乙醛將繼續氧化成為乙酸。乙醇的毒性主要來自乙醛。有人由於遺傳缺陷造成醛脫氫酶活力較低，乙醛在體內不易經氧化分解而解毒，飲灑後容易出現乙醛聚積，灑精中毒及酒醉與此有關。

②胺氧化反應胺氧化酶主要存在於線粒體，可催化單胺類和二胺類氧化反應，形成醛類。根據底物不同，可分為單胺氧化酶（MAO）和二胺氧化酶（DAO）。MAO可將伯胺、仲胺、叔胺等脂肪族胺類氧化脫去胺基，形成相應的醛類並釋放出NH3。DAO主要催化二胺類的氧化反應，例如腐胺、屍胺等。（2）還原反應

（1）微粒體還原主要包括硝基還原、偶氮還原、還原性脫鹵。①硝基還原反應典型的硝基還原反應可以硝基苯為例。在反應過程中先形成亞硝基苯和苯羥胺，終產物為苯胺。

②偶氮還原反應脂溶性偶氮化合物在腸道易被吸收，還原作用主要在肝微粒體以及腸道中進行；而水溶性偶氮化合物雖然可被肝臟胞液以及微粒體中還原酶還原，但由於其水溶性較強，在腸道不易被吸收，所以主要被腸道菌叢所還原，肝微粒體參與較少。偶氮化合物中還有一些色素，例如蘇丹Ⅳ，經還原後形成鄰氨基偶氮甲苯。③還原性脫鹵如CHCl3脫鹵加氫，生成CH3Cl2（2）非微粒體還原如醛類和酮類還原反應，可分別生成伯醇和仲醇。乙醇在氧化還原反應中可經醇脫氫酶催化氧化為乙醛，同時醇脫氫酶也可催化乙醛還原為乙醇，這是可逆反應中相反方向的反應。

（3）水解作用①酯酶水解作用。有機磷農藥在哺乳動物體內代謝主要方式。②醯胺酶水解作用。水解過程比酯酶慢。農藥樂果的水解反應。③糖苷酶水解作用。如硫代葡萄糖毒苷的水解反應。2結合反應(相

Ⅱ反應）

絕大多數外源化學物在第一相反應中無論發生氧化、還原或水解反應，最後必須進行結合反應排出體外。結合物一般將隨同尿液或膽汁由體內排泄。（1）、葡萄糖醛酸化葡萄糖醛酸結合反應在結合反應中佔有重要的地位，在許多外源化學物都可進行，如醇類、酚類、羧酸類、硫醇類和胺類等。葡萄糖醛酸為葡萄糖的中間代謝產物，先活化成尿苷二磷酸α-葡萄糖醛酸（UDPGA），然後經各種轉移酶催化，將葡萄糖醛酸基轉移到外源化學物分子。根據進行結合反應的外源化學物結構及結合方式或部位不同，可分為O-葡萄糖醛酸結合(醇類，酚類，羧酸胺類)、N-葡萄糖醛酸結合(氨基甲酯類，芳香胺類，磺胺類)和S-葡萄糖醛酸結合，統稱葡萄糖醛酸化。

（2）硫酸化系外源化學物與硫酸根結合反應，硫酸的來源主要是含硫氨基酸的代謝物。在大多數外源化學物的結合反應中，硫酸結合往往與葡萄糖醛酸結合反應同時存在，如機體接觸的外源物較少，則首先進行硫酸結合，隨著劑量增多，硫酸結合減少，而與葡萄糖醛酸的結合增多。（3）乙醯化系外源化學物與乙醯基結合的反應，多發生在芳香族伯胺類、磺胺類、肼類化合物的氨基（-NH2）或羥氨基。

（4）氨基酸化是帶有羧酸基的外源化學物與一種α-氨基酸結合的反應，多發生在芳香羧酸，例如芳基乙酸。參與結合反應的氨基酸主要有甘氨酸、穀氨醯胺以及牛磺酸，較少見的還有天冬醯胺、精氨酸、絲氨酸以及N-甘氨醯甘氨酸等。（5）穀胱甘肽化是外源化學物在一系列酶催化下與還原型穀胱甘肽結合形成硫醚氨酸的反應。應具備以下條件：一定程度的疏水性；含有一個親電子碳原子；可與穀胱甘肽進行一定程度的非酶促反應。這樣的化學物主要有鹵化物，例如烷基鹵化物、硝基鹵化物、芳基鹵化物，各種酯類化合物如磷酸酯類殺蟲劑，苯、萘、苯胺等芳烴類及芳胺類化合物和環氧化物等。另外，值得注意的是有些外源化學物與穀胱甘肽形成的結合物可與生物大分子結合，誘發突變以及癌變，例如氯甲烷和二溴乙烷。

（6）、甲基化在甲基轉移酶催化下，將內源性來源的甲基結合於外源化學物分子結構內的反應。與其它結合反應相比，甲基結合後，外源化學物的功能基團未被遮蓋，水溶性沒有明顯的增強，有的反而下降；生物學作用並未減弱，有的反而增強，甲基化反應有解毒作用。內源性甲基供體是S-腺苷甲硫氨酸(SAM)。能進行甲基結合反應的外源化學物主要有含羥基、巰基或氨基的酚類、硫醇類和各種胺類，還有吡啶、喹啉等含氮雜環化合物。

第四節環境污染物在生物體內的濃縮、積累與放大一、生物濃縮是指生物機體或處於同一營養級上的許多生物種群,從周圍環境中蓄積某種元素或難分解的化合物，使生物體內該物質的濃度超過環境中的濃度的現象,又稱生物學濃縮，生物學富集。生物濃縮的程度用濃縮係數或富集因子〈

BioconcentrationFactor，BCF〉來表示,亦指生物機體內某種物質的濃度和環鏡中該物質濃度的比值。

二、生物積累生物積累(Bioaccumulation)是指生物在其整個代謝活躍期通過吸收、吸附、吞食籌各種過程,從周圍環境中蓄積某些元素或難分解的化合物以致隨著生長發育,濃縮係數不斷增大的現象,又稱生物學積累。

生物積累過程中,不同種生物,同一種生物的不同器官和組織,對同一種元素或物質的平衡濃縮係數的數值,以及達到平衡所需要的時間,可能有很大差別。生物個體大小同積累量的關係三、生物放大生物放大(Biomagnification)是指在生態系統中,由於高營養級生物以低營養級生物為食物,某種元素或難分解化合物在生物機體中的濃度隨著營養級的提高而逐步增大的現象,又稱為生物學放大。DDT的生物放大。四、生物濃縮係數生物濃縮係數(BCF）生物體內某種元素或難分解的化合物的濃度同它所生存的環境中該物質的濃度比值，用以表示生物濃縮程度。求得水生生物中某種物質的濃縮係數有兩種方法

:實驗室飼養法和野外調查法,兩者各有優缺點。由於生物對污染物的吸收和積累隨著生物機體的生理因素和外界環境條件而發生變化,因此,生物濃縮係數隨之而變。

五、生物濃縮機理和濃縮摸型

(一)生物濃縮機理

生物的各種器官和組織對某污染物的濃縮程度,取決於該物質在血液中的濃度,生物組織與血液對該物質親合性的差異以及生物組織對該物質的代謝。

(二)生物濃縮的模型

目前採用生物濃縮的模型很多,如單一組合模型、食物鏈組合模型等。

第五節生物對污染物在環境中行為的影響一、生物引起的環境污染生物污染(BiologicalPollution)：是指對人和生物有害的微生物、寄生蟲等病原體和變應原等污染水、氣、土壤和食品,影響生物產量和品質,危害人類健康,這種污染稱為生物污染。

（一）環境中的病原微生物

1空氣中的微生物污染2水體中的微生物污染(1)沙門氏菌(Salmonella)

(2)志賀氏菌屬(Shigella)

(3)霍亂弧菌(Vibriocholerae)

(4)腸道病毒屬(Enterovirus)

(5)甲型肝炎病毒、呼腸鍋病毒等

3.土壤的微生物污染造成土壤微生物污染主要方式有:(1)用未經徹底元害處理的人、畜糞便施肥。(2)用未經處理的生活污水、醫院污水和含有病原體的工業廢水進行農田灌溉和利用其污泥施肥。(3)病畜屍體處理不當。(二)水體的富營養化

水體的富營養化(Eutrophication)作用是指大量的氮、磷等營養元素物質進入水體,使水中藻類等浮游生物旺盛增殖,從而破壞水體的生態平衡的現象。（三）微生物代謝產物與環境污染1.硫化氫

2.酸性礦水

3.硝酸和亞硝酸

4.微生物毒素

（1）黴菌毒素

①黃麯黴毒素(Aflaoxin)②島狀毒素和

leuteoskyrin毒素

③鐮刀黴配質糖苷和枝孢菌酸

(2)細菌毒素

①肉毒毒素

②葡萄球菌腸毒素

③放線菌毒素

④藻類毒素

二、金屬的生物轉化

（一）汞的氧化、還原和甲基化

環境中的無機汞三種形式存在：:Hg2+2

、Hg2+

和

Hg0

1汞的氧化和還原無機或有機汞化物中的二價汞離子還原為元素汞。

2.汞的甲基化汞的甲基化過程也可在還原環境中自發進行。

在自然界,形成甲基汞的同時進行著脫甲基作用。

（二）砷的氧化、還原和甲基化

元素砷不溶於水和強酸,所以幾乎無毒。砷的有機、無機化合物有毒,As3+

毒性大於As5+o俗稱砒霜的是三價砷化物AS203。1.砷的氧化和還原

假單胞菌、黃單胞菌、節桿菌、產堿菌等細菌氧化亞砷酸鹽為砷酸鹽,使之毒性減弱。微生物的這種活性是湖泊中亞砷酸鹽氧化為砷酸鹽的主要原因。

2.砷的甲基化

三甲基砷一一一種揮發性的、有大蒜氣昧的劇毒物質。(三)硒的氧化、還原和甲基化

硒是細菌、溫血動物及人的必需元素,但它又是劇毒元素。紫色硫細菌把元素硒氧化為硒酸鹽,毒性增強。

(四)其他重金屬的生物轉化

1鉛可以由三甲基醋酸鉛生成四甲基鉛

2.錫

錫與有機基團結合時,毒性明顯增強。錫能被生物甲基化。

某些細菌和真菌在有

Cd2+

的情況下生長時,能積累大量鎘。

微生物也能使鎘甲基化。從銻礦中分離到一種能氧化銻並以此作為能源的專性好氧細菌。(五)重金屬生物轉化的環境效應

微生物通過分泌或呼吸作用排出形成的有機金屬化合物,是微生物具有的一種對有毒金屬解毒方式;但被排出的金屬化合物，可能比其原形態對高等生物具更大的危害性。

另一方面,微生物可以把化合態金屬還原成單質。如汞。微粒體(microsomes)

微粒体是细胞被匀浆破碎时,内膜系统的膜结构破裂后自己重新封闭起来的小囊泡(主要是内质网和高尔基体),这些小囊泡的直径大约100nm左右,是異質性的集合體,將它們稱為微粒體。

多數情況下,微粒體是指在細胞勻漿和差速離心過程中獲得的由破碎的內質網自我融合形成的近似球形的膜囊泡狀結構,它包含內質網膜和核糖體兩種基本成分。在體外實驗中,具有蛋白質合成、蛋白質糖基化和脂類合成等內質網的基本功能。

第二章污染物對生物的影響

第一節污染物在生物化學和分子水準上的影響污染物進入機體後,首先將導致機體一系列的生物化學變化。這些變化廣義上說可分為兩種:一種是用來保護生物體抵抗污染物的傷害,稱之為防護性生化反應;另一種不起保護作用,稱之為非防護性生化反應。一、對生物機體酶的影響(一)酶活性的誘導

至今發現有許多不同化學結構的化合物,能誘導混合功能氧化酶和其他酶。這些化合物包括藥物、殺蟲劑、多環芳烴和許多其他化合物,其中大量是存在環境中的污染化合物。這些能誘導酶的化合物大都屬有機親脂性化合物,並且在較長的生物半衰期。其誘導作用是增加酶的合成速度,或可能降低酶蛋白的分解。應用

RNA和

DNA代謝抑制劑,發現誘導作用發生在轉錄水準上,並不需要新的

DNA合成，有人認為,外源性化合物誘導酶蛋白合成,主要是操縱基因去阻遏作用(Depression)。外源性化合物與阻遏物形成複合物,使阻遏作用失效,故操縱基因不受阻遏,結構基因指導酶蛋白合成增加。

混合功能氧化酶(MFO)

（1）混合功能氧化酶是污染物在體內進行生物轉化相

I過程中的關鍵酶系。它們對人工合成化學品解毒發揮了重要的作用。

（2）存在於大多數組織的細胞內質網上。（3）混合功能氧化酶引起的生物轉化的反應特徵相同,但底物產物的化學特性差別很大,即具多種催化功能。

（4）具有明顯的物種差異性和多樣性。（5）許多外源性化合物進入體內,經混合功能氧化酶作用後發生各種變化,大多數被轉化成低毒易溶的代謝產物排出體外。然而有些則變成高毒甚至變成致癌物。

（6）可以利用混合功能氧化酶誘導反應作為分子水準上敏感性的生物指標，來監測污染物對生態系統的早期影響。2抗氧化防禦系統酶在長期進化中,需氧生物發展防禦過氧化損害的系統(AntioxidantDefense)其組成包括:水溶性組分如穀胱甘肽(GSH)、維生素C；脂溶性組分,如維生素E、胡蘿蔔素。但當體內抗氧化防禦系統不能消除活性氧時,它們可使DNA鏈斷裂、脂質過氧化、酶蛋白失活等,從而引起機體氧化應激(OxidativeStress)或氧毒性。(1）超氧化物歧化酶(SOD):在抗氧化防禦系統中起重要的作用。超氧化物歧化酶存在於多種需氧生物中,有三種典型的同工酶,並具不同的金屬中心。（2）穀胱甘肽過氧化酶：是以H2O2為底物，催化形成H20，消除H2O2。它也能催化有機過氧化氫物還原成相應的醇。根據植物體穀脫甘肽過氧化酶活性的變化可繪製大氣污染圖譜。

(3)過氧化氫酶（Ct）過氧化氫酶僅能分解H2O2。魚類暴露於漂白紙漿廢水後，過氧化氫酶升高2－7倍。水生生物暴露於受多環芳烴(PAH)污染的底泥後，過氧化氫酶也升高。3.穀胱甘肽轉移酶(GSTs)

穀胱甘肽轉移酶(GlutathioneTransferases，GST)是污染物在體內生物轉化相Ⅱ過程中的重要酶,具有許多同工酶。該酶的生理作用是與不同的親電性化合物或一些相Ⅰ代謝產物結合,產生水溶性化合物,易於排出體外,因此起到脫毒作用。肝是脊椎動物中

GSTs的主要場所。

(二)酶的抑制作用

酶活性的抑制可分為不可逆性抑制、非競爭性抑制和競爭性抑制。A不可逆性抑制是由於污染物與酶蛋白的活性中心功能基因不可逆性結合而引起的。如鉛、汞等重金屬與酶活性中心上的半胱氨酸殘基的巰基結合，抑制酶的活性。B非競爭性抑制是一種可逆性抑制,污染物與酶分子的結合位置不是底物的結合位置,因此增加底物濃度,不能使抑制作用逆轉。非競爭性抑制劑能與游離的酶結合,也可能與酶一底物複合物結合。最常見的非競爭性抑制是某些污染物與酶分子中半胱氨酸殘基的巰基可逆性結合,引起酶構型改變,使酶活性受到可逆性但非競爭性抑制。

C競爭性抑制特點是當底物濃度增加時,抑制作用減弱。競爭性抑制作用的強弱取決於抑制劑的濃度與底物濃度的相對比例。這是因為競爭性抑制劑與酶的正常底物在化學結構上相似、與酶活性中心結合部位相同,但競爭性抑制不被酶代謝。如5－氟尿嘧啶。D除上述抑制以外,有些污染物是通過生成中間代謝產物抑制酶活性,造成生物化學損害。例如,有機氟代烷的毒性。E還有些污染物可消耗輔酶或抑制輔酶的合成,導致酶活性抑制,如鉛可使體內煙酸量下降。F此外有些金屬離子是酶的輔基或啟動劑,污染物與這些金屬離子結合,抑制相應的酶。

舉例說明污染物對酶的抑制作用：1腺三磷酶（ATPase）是生物體重要酶，存在於所有的細胞中。在細胞供能活動、離子平衡等過程中起重要作用。ATPase抑制已作為–項評價污染應為的指標。

2乙醯膽鹼酯酶（AchE）乙醯膽鹼酯酶（AchE）在神經系統的信號傳導中起重要作用。有機磷農藥和氨基甲酸酯農藥對高等和低等動物的AchE具有明顯的抑制作用。3.δ一氨基己醯丙酸脫氫酶(ALAD)存在於許多組織的細胞質中,其生理作用在合成血紅蛋白中起重要作用。目前把

ALAD作為一個敏感的指標,應用於監測和理評價鉛污染對生態系統的影響。4.蛋白磷酸酶

蛋白磷酸酶（ProteinPhosphatase）廣泛存在於細胞中，對任何一種蛋白質進行脫磷酸化作用。人們研究發現微囊藻毒素對蛋白磷酸酶的抑制作用很強，是迄今最強的蛋白磷酸酶抑制劑。

二、對生物大分子的影響

污染物及其活性代謝產物可直接與生物大分子反應，共價結合，如蛋白質、核酸、脂肪酸等，導致生物大分子的化學性損傷，從而影響生物大分子的功能，引起一系列生物學反應，產生毒性效應。在污染物及其活性代謝產物與生物大分子結合中，最典型的方式是污染物及其活性代謝產物作為生物合成的原料，摻入生物大分子，導致生物大分子組成的功能性異常。如給動物大劑量的D-半乳糖胺，D-半乳糖胺代謝物摻入糖蛋白及糖脂，產生細胞膜損害，最終發生動物肝損害。污染物及其活性代謝物還可抑制生物大分子的合成。例如蛋白質合成抑制、DNA合成抑制。1對蛋白質影響（1）蛋白質中的許多活性基團易與污染物及其活性代謝產物發生反應，導致蛋白質化學損傷，對細胞膜和亞細胞的損傷作用，最終可導致細胞死亡和組織壞死。（2）污染物還可誘導生物機體內一些功能蛋白產生，如應激蛋白和金屬硫蛋白。是防護性生化反應。如金屬硫蛋白對二價金屬離子具有極高的親和力，與微量金屬Zn等結合調節其細胞內濃度，而與有毒金屬如Cd、Hg的作用，可以保護細胞免受金屬毒性影響。並可被重金屬誘導。2對DNA影響

DNA受損各種修復酶增加並被活化。如不能被修復，則產生DNA結構和功能影響，細胞突變。外源性化合物及其活性代謝產物與DNA作用產生突變的順序。1形成DNA加合物。DNA的二次修飾。如鏈斷裂。DNA結構的破壞被固定。細胞功能改變，姊妹染色體交換。細胞分裂時，外源性化合物造成的危害可導致DNA突變及其基因功能改變。DNA中堿基最易受到攻擊。親電性化合物主要攻擊鳥嘌呤的N7和C8等。親核化合物主要攻擊胞嘧啶等。自由基等主要攻擊腺嘌呤等。DNA的修復途徑：（1）光復活修復：最簡單、最特異性的酶催化修復過程。可見光提供能量，光復活酶與嘧啶二聚體結合，催化解聚，使DNA恢復原來狀態，酶釋放。（2）切除修復：切除DNA的損傷部位，再重新合成，恢復DNA順序。<1>內切，5‘端切開DNA鏈。<2>外切。外切核酸酶切除損傷的核苷酸及鄰近的核酸。<3>修補DNA聚合酶催化，以互補鏈為範本。<4>3’-OH和5’磷酸連接成二酯鍵，DNA恢復原來狀態。DNA連接酶催化。（3）複製後修復<1>複製後重組修復先複製，在損傷處留下缺口，重組時，缺口與未損傷姐妹鏈相對，以姐妹鏈為範本並修復連接。

<2>分支移動修復當DNA複製到損傷處時，新合成的子鏈移動，原已解螺旋的親鏈重新纏繞，以正常子鏈為範本合成，再解螺旋，子鏈移回，繼續半保留複製。3脂質的過氧化細胞和亞細胞膜系統磷脂富含多烯脂肪酸側鏈，很容易因污染物在細胞內形成的自由基作用下脂質過氧化。導致細胞膜通透性變化等。如O3、NO2、Cd等。第二節污染物在細胞和器官水準上的影響一、對細胞的影響

(一)對細胞膜的影響

1污染物引起的膜脂過氧化作用導致細胞膜的損傷。例如,大氣污染物S02

經氣孔進入葉組織後溶於浸潤細胞壁的水分中,產生SO32-或HSO3-,後被細胞氧化成SO42-,這一過程產生了自由基，引起脂膜的過氧化，傷害了膜系統。2

汙染物可影響細胞膜的離子通透性。如擬除蟲菊酯殺蟲劑和DDT均可作用於細胞膜的Na+通道，干擾Na+通過細胞膜，影響神經傳導。3污染物與細胞膜上的受體結合，干擾了受體正常的生理功能。

（二）對細胞器的影響1線粒體污染物不僅可以引起細胞線粒體膜和脊的形態結構地改變,而且可以影響線粒體的氧化磷酸化和電子傳遞功能。

2光面內質網和糙面內質網某些污染物經代謝活化產生自由基,可導致光面內質網結構和微粒體膜的一些重要組分如混合功能氧化酶的破壞。多種化學致癌物如黃麯黴毒素等,能引起糙面內質網上附著核糖體脫落,導致蛋白質合成控制的改變。

3污染物還可影響微管、微絲、高爾基體、溶酶體等其他細胞器。

二、對組織器官的影響（一）靶器官1概念：污染物進入機體後,對各器官並不產生同樣的毒作用，而只對部分器官產生直接毒作用，這些器官稱為靶器官(TargetOrgan)。

例如,放射性碘積累在哺乳動物的甲狀腺中,可能引起甲狀腺癌。2靶器官不一定是效應器官污染物的毒作用不直接由靶器官表現出來，而由另一個效應器官表現出來。如有機磷農藥的靶器官是神經系統,而效應器官則是瞳孔、唾液腺和橫紋肌等。3靶器官也不同於蓄積器官蓄積器官是汙染物毒物在體內的蓄積部位。污染物在蓄積器官內的濃度高於其他器官,但對蓄積器官並不一定顯示毒作用。如DDT等有機氯農藥的靶器宮雖是中樞神經系統和肝臟,但這類農藥主要蓄積在脂肪組織中。

4靶器官可以是接觸、吸收毒物的器官，也可以是遠離接觸、吸收部位的器官。如大氣污染物中的鉛經肺吸收後,卻主要作用於神經系統和造血器官。（二）對組織器官的影響1氟化氫汙染時植物吸收的

F－隨蒸騰流轉移到葉尖和葉緣,在那裏積累至一定濃度後就會使組織壞死,出現葉片脫落。2對動物組織器官影響複雜。以重金屬污染為例鉛(Pb)可損害動物造血器官骨髓和神經系統。對造血器官的損害是通過干擾血紅素合成,引也貧血。對神經系統制損害是引起末梢神經炎,出現運動和感覺障礙。

第三節污染物在個體水準上的影晌

一、死亡

1不同污染物可引起同一種動物死亡率各不相同，同一種污染物也可導致不同動物不同得死亡率。2許多因素能影響污染物對動物的致死效應。污染物的種類及其物理化學性質、生物種類、污染物作用的時間、水質條件和多種污染物的綜合作用。3不同生物種類及其生理狀態、年齡、發育階段等也影響污染物的致病作用。二、對行為的影響（一）對水生生物行為的影響回避行為

目前已知能對污染物產生回避反應的水生動物主要是各種魚、蝦、蟹,此外,水生昆蟲也有一定的回避能力。

不同的水生動物對同種污染物的回避能力差異很大。如雜色鱒對DDT有較強的回避能力,閥值為0.005mg/L;食蚊魚次之,閥值為0.1mg/L;草蝦完全不回避。

一般來說,水生生物對污染物的回避閥值低於污染物對水生生物的致死濃度，但有例外。水生生物的回避能力在實驗室和野外也存在差異性

。如在受銅、鋅污染的-條加拿大河流中,野外現場觀測的閥值為實驗室閥值的18倍。2捕食行為污染物可影響水生動物的胃口,最終導致捕食的停止。例如拒食可能是由於缺乏味覺而不能證實這一被捕獵物是否可食。

3.警惕行為

警惕行為的破壞,就導致容易被捕食,這樣就增加了死亡率,使種群數量下降。例如,電離輻射和汞可以增加食蚊魚被鱸魚捕食的危險性。(二)對鳥類行為的影響

有機磷農藥可以抑制鳥類的乙酷膽鹼靡酶(AchE)的活性,引起神經系統中毒。

導致了鳥的平衡和協調性的損害。

鳥類行為改變還表現在對領地的失控和不能照顧它們的後代。

三、對繁殖的影響1污染物影響鳥類繁殖一個典型的效應是鳥蛋殼變薄。有機氯碳氫化合物如

DDT能引起某些鳥類的蛋殼變薄,使得蛋易碎和易破,導致鳥類繁殖損害。機理主要是阻礙了鈣