生物體內(nèi)污染物質(zhì)的運動過程及毒性

1、第五章 生物體內(nèi)污染物質(zhì)的運動過程及毒性,本章重點,污染物的生物富集、放大和積累耗氧和有毒有機物的微生物降解元素的微生物轉(zhuǎn)化微生物對污染物的轉(zhuǎn)化速率毒物的毒性、聯(lián)合作用、致突變、致癌及抑制酶活性,第一節(jié) 物質(zhì)通過生物膜的方式,一、生物膜的結(jié)構(gòu),生物膜的結(jié)構(gòu),生物膜主要由磷脂雙分子層和蛋白質(zhì)鑲嵌組成：1、磷脂雙分子層的結(jié)構(gòu) 親水基團(tuán) 疏水基團(tuán)2、鑲嵌蛋白類型與生理功能類型：表在蛋白和內(nèi)在蛋白

2、生理功能：轉(zhuǎn)運膜內(nèi)外物質(zhì)的載體起催化作用的酶能量轉(zhuǎn)換器,生物膜的結(jié)構(gòu),生物膜主要是由磷脂雙分子層和蛋白質(zhì)鑲嵌組成的、厚度為7.5-10nm的流動變動復(fù)雜體。在磷脂雙分子層中，親水的極性基因排列于內(nèi)外兩面，疏水的烷鏈端伸向內(nèi)側(cè)，所以，在雙分子層中央存在一個疏水區(qū)，生物膜是類脂層屏障。膜上鑲嵌的蛋白質(zhì)，有附著在磷脂雙分子層表面的表在蛋白，有深埋或貫穿磷脂雙分子層的內(nèi)在蛋白，但他們親水端也都露在雙分子層的外表面。在生物膜中還有少量

3、帶極性、常含有水的微小孔道，稱為膜孔。,二、物質(zhì)通過生物膜的方式,物質(zhì)通過生物膜的方式根據(jù)其機制分為五類：1、膜孔濾過： 直徑小于膜孔的水溶性物質(zhì)，借助膜兩側(cè)的 靜水壓及滲透壓經(jīng)膜孔濾過。2、被動擴(kuò)散： 脂溶性物質(zhì)通過有類脂層屏障的生物膜，由高濃度側(cè)向低濃度側(cè)的擴(kuò)散，其擴(kuò)散速率服從費克定律： 式中D為擴(kuò)散系數(shù)，決定于通過物質(zhì)和膜的性質(zhì)，A為擴(kuò)散面積。,物質(zhì)通過生物膜的方式,3、

4、被動易化擴(kuò)散： 有些物質(zhì)可在高濃度側(cè)與膜上特異性蛋白質(zhì)載體結(jié)合，通過生物膜，至低濃度側(cè)解離出原物質(zhì)，這一轉(zhuǎn)運為被動易化擴(kuò)散。4、主動轉(zhuǎn)運： 在消耗一定代謝能量下，一些物質(zhì)可在低濃度側(cè)與膜上高濃度的特異性蛋白載體結(jié)合，通過生物膜，至高濃度側(cè)解離出原物質(zhì)。 這種轉(zhuǎn)運與膜的高度特異性載體及其數(shù)量有關(guān)，而具有特異性選擇，類似物質(zhì)競爭性抑制和飽和現(xiàn)象。,主動轉(zhuǎn)運,所需代謝能量來自膜的三磷酸酰苷酶分解三磷酸酰苷(

5、ATP)成二磷酸酰苷（ADP）和磷酸時所釋放的能量。 具有競爭性抑制、特異性選擇和飽和現(xiàn)象。 如鉀離子在細(xì)胞內(nèi)外濃度分布： [K+](細(xì)胞內(nèi)) > [K+](細(xì)胞外),物質(zhì)通過生物膜的方式,5、胞吞和胞飲： 少數(shù)物質(zhì)與膜上蛋白質(zhì)有特殊的親和力，當(dāng)其與膜接觸后，可改變這部分膜的表面張力，引起膜的外包或內(nèi)陷而被包圍進(jìn)入膜內(nèi)，固體物質(zhì)的這一轉(zhuǎn)運稱為胞吞，而液態(tài)物質(zhì)的則稱為胞飲。

6、 物質(zhì)以何種方式通過生物膜，主要決定于機體各組織生物膜的特性和物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)。物質(zhì)的理化性質(zhì)包括脂溶性、水溶性、解離度、分子大小等。除大多數(shù)營養(yǎng)物質(zhì)及其代謝物外，大部分物質(zhì)一般以被動擴(kuò)散方式通過生物膜。,第二節(jié) 污染物質(zhì)在機體內(nèi)的轉(zhuǎn)運,污染物質(zhì)在機體內(nèi)的運動過程包括吸收、分布、排泄和生物轉(zhuǎn)化。前三者統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)運。一、吸收 吸收是污染物質(zhì)從機體外通過各種途徑通透體膜進(jìn)入血液的過程。吸收途徑主要是機體的消化管、呼

7、吸道和皮膚。1、消化管是吸收污染物質(zhì)的最主要途徑通過被動擴(kuò)散被消化管吸收，主動轉(zhuǎn)運很少； 最主要的吸收部位在小腸，其次在胃。影響吸收的主要因素：污染物質(zhì)的脂溶性；污染物質(zhì)在小腸內(nèi)的濃度；血液流速也是影響污染物吸收的因素。污染物的解離情況（未解離易于擴(kuò)散）,吸收,2、呼吸管是吸收大氣污染物的主要途徑： 主要吸收部位在肺泡 吸收的氣態(tài)和液態(tài)氣溶膠物質(zhì)，通過被動擴(kuò)散和濾過方式，分別迅速通過肺泡和毛細(xì)管膜進(jìn)入血液 ；

8、固態(tài)氣溶膠和粉塵污染物中的易溶微粒按上述方式被吸收，而難溶微粒在吞噬作用下被吸收。3、皮膚的吸收是不少污染物質(zhì)進(jìn)入機體的途徑 皮膚接觸的污染物質(zhì)，常以被動擴(kuò)散相繼通過皮膚的表皮、真皮，再濾過真皮中毛細(xì)管壁膜進(jìn)入血液。（分子量低、非極性、液態(tài)或溶解態(tài)、脂溶性）,二、分布,分布指污染物質(zhì)被吸收后和其代謝轉(zhuǎn)化物質(zhì)形成后，由血液送至機體各組織、與組織成分結(jié)合、從組織返回血液、以及再反復(fù)等過程。在污染物質(zhì)的分布過程中，污染物質(zhì)的

9、轉(zhuǎn)運以被動擴(kuò)散為主。影響因素：組織血流速度的影響：脂溶性污染物易于通過生物膜，組織血流速度是分布的限速因素。中樞神經(jīng)系統(tǒng)的毛細(xì)管壁間幾乎無空隙，污染物之經(jīng)膜通透性的大小成為轉(zhuǎn)運的限制因素：低脂溶性高解離度的物質(zhì)經(jīng)膜通透性差，受經(jīng)膜通透性限制。污染物質(zhì)與血液中血漿蛋白結(jié)合能力的大小。有些污染物質(zhì)與血液的紅細(xì)胞和血管外組織蛋白結(jié)合，也會顯著影響它們在機體內(nèi)的分布。,三、排泄,排泄是污染物質(zhì)及其代謝產(chǎn)物向機體外的轉(zhuǎn)運過程。排泄器官有

10、腎臟、肝臟、腸、肺和外分泌腺等。其中，以腎和肝臟為主。腎排泄是污染物通過腎隨尿而排出的過程；腎小球毛細(xì)血管壁有許多較大孔膜，但分子量過大或與血漿蛋白結(jié)合的污染物質(zhì)仍留在血液中。污染物質(zhì)的另一個重要排泄途徑是肝膽系統(tǒng)的膽汁排泄：主要由消化管吸收的污染物質(zhì)，經(jīng)血液到達(dá)肝臟后，以原物或代謝物并膽汁一起分泌至十二指腸，經(jīng)小腸至大腸，再排出體外的過程。主要是主動轉(zhuǎn)運，被動擴(kuò)散少。有些物質(zhì)由膽汁排出，在腸道運行中又重新被吸收，這種現(xiàn)象稱為肝腸

11、循環(huán)。,四、蓄積,機體長期接觸某種污染物質(zhì)，若吸收超過排泄及代謝轉(zhuǎn)化，就會出現(xiàn)該污染物質(zhì)在體內(nèi)逐漸增加的現(xiàn)象，稱為生物蓄積。蓄積量是吸收、分布、代謝轉(zhuǎn)化和排泄各量的代數(shù)和。蓄積時，污染物質(zhì)的體內(nèi)分布，通常表現(xiàn)為相對集中的方式，主要集中在機體的某些部位：機體的主要蓄積部位是血漿蛋白、脂肪組織和骨骼；有些污染物質(zhì)的蓄積部位與毒性作用部位相同，而有些則不一致；蓄積部位中的污染物質(zhì)，常同血漿中游離型污染物質(zhì)保持相對穩(wěn)定的平衡。,第三節(jié)

12、污染物質(zhì)的生物富集、放大和積累,一、生物富集1、生物濃縮系數(shù) 生物通過非吞食方式，從周圍環(huán)境（水、土壤、大氣）蓄積某種元素或難降解的物質(zhì)，使其在機體內(nèi)濃度超過周圍環(huán)境中濃度的現(xiàn)象。生物富集作用的大小可用生物濃縮系數(shù)來表示： BCF＝cb/ca cb——某種元素或難降解物質(zhì)在機體中的濃度； ca——某種元素或難降解物質(zhì)在機體周圍環(huán)境中的濃度。2、生物濃縮系數(shù)的影響因素

13、BCF的取值范圍很大，其主要影響因素為：,生物富集,2、生物濃縮系數(shù)的影響因素在物質(zhì)性質(zhì)方面的主要影響是物質(zhì)的降解性、水溶性和脂溶性；在生物特征方面主要是生物種類、大小、性別、器官、生物發(fā)育階段等；在環(huán)境條件方面包括溫度、鹽度、水硬度、pH值、氧含量和光照狀況等。 一般，重金屬元素和許多含氯碳?xì)浠衔?、稠環(huán)、雜環(huán)有機化合物具有很高的生物濃縮系數(shù)。,生物富集,3、水生生物富集速率水生生物富集速率方程為：

14、生物濃縮系數(shù)： 生物富集作用 達(dá)到平衡時的 BCF ka、ke、kg分別為水生生物吸收、消除、生長的速率常數(shù)； cw、cf分別為水及生物體內(nèi)的瞬時物質(zhì)濃度。,生物富集,水生生物對水中物質(zhì)的富集過程十分復(fù)雜，但對于脂溶性高、水溶性低的，以被動擴(kuò)散通過生物膜的難降解有機物，該過程可近似視為物質(zhì)在水和生物組織兩相間的分配作用。以正辛醇作為水生生物脂肪組織的代用品，發(fā)現(xiàn)這些有機物質(zhì)在辛醇-水

15、兩相分配系數(shù)的對數(shù)與其在水生生物體內(nèi)濃縮系數(shù)的對數(shù)之間具有良好的線性正相關(guān)關(guān)系： lgBCF＝algKow＋b,二、生物放大,生物放大指在同一食物鏈上的高營養(yǎng)級生物，通過吞食低營養(yǎng)級生物蓄積某種元素或難降解物質(zhì)，使其在機體內(nèi)的濃度隨營養(yǎng)級數(shù)提高而增大的現(xiàn)象。生物放大的程度，也用生物濃縮系數(shù)表示。生物放大的結(jié)果，往往是使食物鏈上高營養(yǎng)級生物體內(nèi)這種元素或物質(zhì)的濃度超過周圍環(huán)境中的濃度；但生物放大作用并非在所有條件

16、下都能夠發(fā)生。有些物質(zhì)可以沿食物鏈傳遞，但不能沿食物鏈放大；有些物質(zhì)既不能沿食物鏈傳遞，也不能沿食物鏈放大。生物放大受多方面因素的影響：食物鏈交織；生物對物質(zhì)吸收、消除等作用的變化性。,三、生物積累,生物積累是生物從周圍環(huán)境中（水、土壤、大氣）和食物鏈蓄積某種元素或難降解物質(zhì)，使其在機體中的濃度超過周圍環(huán)境中濃度的現(xiàn)象。生物放大或生物富集分別是屬于生物積累的一種情況。 生物累積也用生物濃縮系數(shù)來表示。水生生物的積累微

17、分速率方程： 食物鏈上水生生物對某種物質(zhì)的積累速率等于從水中的吸收速率、從食物鏈上的吸收速率及其本身消除、吸收速率的代數(shù)和。 當(dāng)生物積累達(dá)平衡時，dci/dt=0,生物積累,積累速率： Ci = Cwi + Cφi 即：積累濃度 = 水中攝取濃度 + 食物鏈傳遞的濃度 反映的是在生物積累達(dá)到平衡時，生物富集和生物放大在生物積累達(dá)到平衡時的貢獻(xiàn)大小。 生物積累

18、、放大和富集可在不同側(cè)面為探討環(huán)境中污染物質(zhì)的遷移、排放標(biāo)準(zhǔn)和可能造成的危害，以及利用生物對環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測和凈化，提供重要的科學(xué)依據(jù)。,第四節(jié) 污染物質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化,物質(zhì)在生物作用下發(fā)生的化學(xué)變化，稱為生物轉(zhuǎn)化或代謝（轉(zhuǎn)化）。生物轉(zhuǎn)化、化學(xué)轉(zhuǎn)化和光化學(xué)轉(zhuǎn)化是污染物質(zhì)在環(huán)境中的三大主要轉(zhuǎn)化類型。污染物質(zhì)在環(huán)境中的生物轉(zhuǎn)化過程中，微生物起到非常重要的作用。 本節(jié)主要介紹生物轉(zhuǎn)化中的酶學(xué)和氫傳遞過程的基礎(chǔ)內(nèi)容，以便于了解污

19、染物質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化；耗氧和有毒有機污染物質(zhì)的微生物降解；若干重金屬和非金屬元素的微生物轉(zhuǎn)化。,污染物質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化,一、生物轉(zhuǎn)化中的酶 酶是一類由細(xì)胞制造和分泌的、以蛋白質(zhì)為主要成分的、具有催化活性的生物催化劑。在酶催化下發(fā)生轉(zhuǎn)化的物質(zhì)稱為底物或基質(zhì)；底物所發(fā)生的轉(zhuǎn)化稱為酶促反應(yīng)。1、酶催化反應(yīng)的特點：催化專一性高：一種酶只能對一種底物或一類底物起催化作用；酶催化效率高；酶催化需要溫和的外界條件，否則失去催化活性，因為

20、酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)。,生物轉(zhuǎn)化中的酶,2、酶的種類（1）根據(jù)起催化作用的場所，將酶分為胞內(nèi)酶和胞外酶兩類。（2）根據(jù)催化反應(yīng)的類型分為六大類：氧化還原酶轉(zhuǎn)移酶水解酶裂解酶異構(gòu)酶合成酶（3）根據(jù)成分，分為兩大類：單成分酶：只含有蛋白質(zhì)雙成分酶：除蛋白質(zhì)外，還有非蛋白質(zhì)部分：輔基或輔酶,生物轉(zhuǎn)化中的酶,雙成分酶：輔基和輔酶的差別：僅同酶蛋白結(jié)合的牢固程度不同。輔酶起傳遞電子、原子或某些化學(xué)基團(tuán)的功能，酶蛋白起著決定催

21、化專一性和催化高效率的功能；輔酶的成分是金屬離子、含金屬的有機化合物或小分子的復(fù)雜有機化合物。同一種輔酶可以結(jié)合不同的酶蛋白，構(gòu)成許多種雙成分酶，對不同底物進(jìn)行相同（同類）反應(yīng)。輔酶對電子、原子或某些化學(xué)基團(tuán)的傳遞功能，是雙成分酶催化反應(yīng)的關(guān)鍵。,二、若干重要輔酶的功能,1、FMN和FAD 輔酶FMN：黃素單核苷酸 FAD：黃素腺嘌呤二核苷酸,FMN和FAD,FMN和FAD是一些氧化還原反應(yīng)酶

22、的輔酶，在酶促反應(yīng)中具有傳遞氫原子的作用：通過在不飽和N原子上加氫。（可逆過程）,2、NAD+和NADP+,輔酶NAD+和NADP+分別稱為輔酶I和輔酶II，分別是煙酰胺嘌呤二核苷酸和煙酰胺嘌呤二核苷酸磷酸的縮寫。它們也是一些氧化還原酶的輔酶，在酶促反應(yīng)中起傳遞氫的作用。,NAD+和NADP+,3、輔酶Q,輔酶Q又稱為泛醌，簡稱為CoQ，也是某些氧化還原酶的輔酶，在酶促反應(yīng)中起到遞氫的作用：（醌式結(jié)構(gòu)部分結(jié)合氫）,4、細(xì)胞色素酶系的輔酶

23、,細(xì)胞色素酶系是催化底物氧化的一類酶系，主要有細(xì)胞色素b、c1、c、a、a3等幾種。它們的酶蛋白部分各不相同，但是輔酶都是鐵卟啉。在酶促反應(yīng)時輔酶鐵卟啉中的鐵不斷進(jìn)行氧化還原，當(dāng)鐵獲得電子時從三價還原為二價，后者把電子傳遞除去后又氧化為三價，從而起到傳遞電子的作用： cytnFe 3+ == cytnFe 2+ cyt——為細(xì)胞色素酶系 n——b、c1、c、a、a3,5、輔酶A,輔酶A是泛酸的一

24、個衍生物，簡寫為CoASH。 輔酶A是一種轉(zhuǎn)移酶的輔酶，所含的巰基與?；纬闪蝓?，在酶促反應(yīng)中起傳遞酰基的作用： CoASH ＋CH3CO+ ＝ CH3CO-SCoA + H+,三、生物氧化中的氫傳遞過程,生物氧化是有機物質(zhì)在機體細(xì)胞內(nèi)的氧化，并伴隨有能量的釋放。放出的能量主要通過二磷酸腺苷與正磷酸合成三磷酸腺苷而被暫時存放。,生物氧化中的氫傳遞過程,在生物氧化中有機物質(zhì)的氧化多為去氫氧化，脫去的氫（

25、H++e）以原子或電子形式由相應(yīng)氧化還原酶按一定順序傳遞給受體。這一氫原子或電子的傳遞過程稱為氫傳遞或電子傳遞過程，其受體為受氫體或電子受體。有氧氧化和無氧氧化兩種：受氫體是細(xì)胞內(nèi)的分子氧則為有氧氧化，受氫體是非分子氧的化合物則為無氧氧化。 好氧微生物進(jìn)行有氧氧化，厭氧微生物進(jìn)行無氧氧化，兼性厭氧微生物視生存環(huán)境中氧含量多少而定。 氫傳遞過程按受氫體情況分為以下幾類：,生物氧化中的氫傳遞過程,1、有

26、氧氧化中以分子氧為直接受氫體的遞氫過程 只有一種酶作用于有機底物，脫落底物的氫（H+＋e），其中的電子由該酶的輔酶直接傳遞給O2，形成激活態(tài)O2-，與脫落氫剩余的H＋化合生成水。,生物氧化中的氫傳遞過程,2、有氧氧化中分子氧為間接受氫體的遞氫過程： 有幾種酶共同發(fā)揮作用，第一種酶從有機底物脫落氫，其余的酶順序傳遞，最后把其中的電子傳給分子氧形成激活態(tài)O2-，并與脫落氫剩余的H＋化合生成水。,生物氧化中的氫傳

27、遞過程,3、無氧氧化中有機底物轉(zhuǎn)化中間產(chǎn)物作為受氫體的遞氫過程： 有一種或一種以上的酶參與，最后常由脫氫輔酶NADH+H+將所含來源于有機底物的氫，傳給該底物生物轉(zhuǎn)化的相應(yīng)中間產(chǎn)物。（中間產(chǎn)物作為受氫體）,生物氧化中的氫傳遞過程,4、無氧氧化中某些無機含氧化合物作為受氫體的遞氫過程： 在這類氫傳遞過程中常見的受氫體是硝酸根、硫酸根和二氧化碳，它們接受來源于有機底物由酶傳遞來的氫，而被分別還原為氮分子（或一氧化二

28、氮）、硫化氫和甲烷。,四、耗氧有機污染物質(zhì)的微生物降解,有機物質(zhì)通過生物氧化以及其他的生物轉(zhuǎn)化，可以變成更小更簡單的分子。這一過程稱為有機物質(zhì)的生物降解。如有機物降解為CO2、水等簡單的無機化合物，則為徹底降解，否則為不徹底降解。 耗氧有機污染物是生物殘體、排放廢水和廢棄物中的糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等較易生物降解的有機物質(zhì)。1、糖類的微生物降解 糖類：碳水化合物，分為單糖、二糖和多糖。微生物降解糖類的基本途徑：

29、（1）多糖水解成單糖：多糖在胞外水解酶催化作用下水解成二糖和單糖，才能被微生物攝取進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。多糖水解的產(chǎn)物以葡萄糖為主。（2）單糖酵解成丙酮酸（有氧氧化或無氧氧化）,糖類的微生物降解,（3）丙酮酸的轉(zhuǎn)化有氧氧化條件下：丙酮酸通過酶促反應(yīng)轉(zhuǎn)化成乙酰輔酶A；乙酰輔酶A與草酰乙酸經(jīng)酶促反應(yīng)轉(zhuǎn)化成檸檬酸；檸檬酸通過酶促反應(yīng)途徑，最后形成草酰乙酸…… 上述生物轉(zhuǎn)化的途徑稱為三羧酸循環(huán)或檸檬酸循環(huán)，簡稱TCA循環(huán)。 丙酮酸

30、完全氧化，總反應(yīng)為： CH3COCOOH＋5/2O2 → 3CO2＋2H2O無氧氧化條件下： 丙酮酸通過酶促反應(yīng)，以其本身作為受氫體而被還原為乳酸；或以其轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn)物作受氫體，發(fā)生不完全氧化生成低級的有機酸、醇及CO2等。,糖類的微生物降解,綜上所述，糖類通過微生物作用，在有氧氧化下能被完全氧化成CO2和水，降解徹底；在無氧氧化下通常氧化不完全，生成簡單有機酸、醇及CO2等，降解不徹底。后一過程因有大

31、量簡單有機酸生成，體系pH下降，所以屬于酸性發(fā)酵。發(fā)酵的具體產(chǎn)物取決于產(chǎn)酸菌種類和外界條件。 TCA循環(huán)是糖、脂類、蛋白質(zhì)代謝聯(lián)絡(luò)的樞紐。 TCA循環(huán)既是物質(zhì)分解代謝的組成部分，亦是物質(zhì)合成的重要步驟，為其他生物合成提供原料。,,2、脂肪的微生物降解,脂肪是由脂肪酸和甘油合成的酯。微生物降解脂肪的基本途徑如下：（1）脂肪水解成脂肪酸和甘油： 脂肪在胞外水解酶催化下水解為脂肪酸和甘

32、油，生成的脂肪酸大多為12－20個碳原子，主要是含偶數(shù)碳原子的飽和酸，還有含雙鍵的不飽和酸。,脂肪的微生物降解,（2）甘油的轉(zhuǎn)化： 甘油在有氧或無氧條件下，均能被相應(yīng)的一系列酶促反應(yīng)轉(zhuǎn)變成丙酮酸。而丙酮酸的進(jìn)一步氧化同前面所述及的方式。即在有氧條件下轉(zhuǎn)化為CO2和水，在無氧氧化條件下轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵蔚挠袡C酸、醇和CO2,脂肪的微生物降解,（3）脂肪酸的轉(zhuǎn)化 有氧氧化條件下： 飽和脂肪酸通常經(jīng)過酶促反應(yīng)（β-氧化）

33、變成脂酰輔酶A和乙酰輔酶A。乙酰輔酶A進(jìn)入三羧酸循環(huán)。脂酰輔酶A又經(jīng)過β-氧化途徑進(jìn)行轉(zhuǎn)化。如果原酸碳原子為偶數(shù)，則陸續(xù)轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A進(jìn)入三羧酸循環(huán)；如果原酸為奇數(shù)碳原子，則最后產(chǎn)物除乙酰輔酶A外還有甲酰輔酶A。甲酰輔酶A最后轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水。,脂肪的微生物降解,無氧氧化條件下： 脂肪酸通過酶促反應(yīng)，往往以其轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn)物作受氫體而不被完全氧化，形成低級的有機酸、醇和CO2?？偨Y(jié)： 脂肪通過微生物

34、作用，在有氧氧化下能被完全氧化成CO2和水，徹底降解。在無氧氧化下通常氧化不完全，生成簡單有機酸、醇及CO2等，降解不徹底。,3、蛋白質(zhì)的微生物降解,微生物降解蛋白質(zhì)的基本途徑：（1）蛋白質(zhì)水解成氨基酸 蛋白質(zhì)在胞外水解酶的作用下經(jīng)過多肽至二肽或氨基酸而被微生物攝入細(xì)胞內(nèi)，在細(xì)胞內(nèi)二肽可繼續(xù)水解成為氨基酸。 氨基酸分為脂肪族氨基酸和芳香族氨基酸兩類。（2）氨基酸脫氮脫羧成脂肪酸 氨基酸在細(xì)胞

35、內(nèi)的轉(zhuǎn)化由于不同酶的作用有多種途徑，其中主要為氨基酸脫氮脫羧形成脂肪酸。脂肪酸進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，最終產(chǎn)物同前。 蛋白質(zhì)中含有硫的氨基酸在有氧氧化下還可形成硫酸，在無氧氧化下可形成硫化氫。,4、甲烷發(fā)酵,無氧條件下糖類、脂肪和蛋白質(zhì)降解得到的簡單有機酸、醇等化合物在可能的條件下，在產(chǎn)氫菌和產(chǎn)乙酸菌作用下，可被轉(zhuǎn)化為乙酸、甲酸、氫氣和二氧化碳，進(jìn)而經(jīng)產(chǎn)甲烷菌作用產(chǎn)生甲烷。復(fù)雜有機物降解的這個總過程，稱為甲烷發(fā)酵或沼氣發(fā)酵。

36、 甲烷發(fā)酵中，一般以糖類降解率和降解速率最高，脂肪次之，蛋白質(zhì)最低。 甲烷發(fā)酵的條件：無氧條件、弱堿性環(huán)境、適宜的碳氮比等。溫度、菌種分布、發(fā)酵有機物質(zhì)的濃度。,五、有毒有機污染物質(zhì)生物轉(zhuǎn)化類型,有毒有機污染物生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)：分為兩個階段：第一階段：通過氧化、還原和水解反應(yīng)在有機物中引入極性基團(tuán)，增加有機物的水溶性，或與機體某些內(nèi)源性物質(zhì)進(jìn)行結(jié)合反應(yīng)，生成水溶性更高的結(jié)合物，從而使其容易排出體外。第二階段：結(jié)合

37、反應(yīng)。第一階段反應(yīng)的產(chǎn)物或生物體內(nèi)具有適宜功能基團(tuán)的原毒物質(zhì)與機體內(nèi)源性物質(zhì)進(jìn)行的結(jié)合反應(yīng)，稱為第二階段。,有毒有機污染物質(zhì)生物轉(zhuǎn)化類型,有毒有機物質(zhì)生物轉(zhuǎn)化的主要反應(yīng)類型如下：1、耗氧反應(yīng)類型 1）混合功能氧化酶加氧氧化 2）脫氫酶脫氫氧化（受氫體非分子氧）醇氧化成醛醇氧化成酮醛氧化成羧基 3）氧化酶氧化（受氫體為分子氧）,混合功能氧化酶加氧氧化,1）可逆脫氫酶加氫還原； 2）硝基還

38、原酶還原； 3）偶氮還原酶還原；,2、還原反應(yīng)類型,還原反應(yīng)類型,4）還原脫氯酶還原,3、水解反應(yīng)類型 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）磷酯酶使磷酸酯水解4）酰胺酶使酰胺水解,六、有毒有機污染物的微生物降解,1、烴類（1）碳原子數(shù)大于1的正烷烴，降解途徑有三種：通過烷烴的末端氧化，或次末端氧化或雙端氧化，逐步生成醇、醛及脂肪酸，而后經(jīng)β-氧化進(jìn)入三羧酸循環(huán)，最

39、終降解為二氧化碳和水。以末端氧化為主要途徑。（2）烯烴的微生物降解途徑：主要是烯烴飽和末端氧化，再經(jīng)過和碳原子數(shù)大于1的正烷烴相同的途徑成為不飽和脂肪酸；或者是烯烴的不飽和末端雙鍵環(huán)氧化成為環(huán)氧化合物，再經(jīng)開環(huán)所成的二醇至飽和脂肪酸。脂肪酸通過β-氧化進(jìn)入三羧酸循環(huán)，降解成二氧化碳和水。（3）苯的微生物降解途徑 一般經(jīng)過三個環(huán)節(jié)：形成二酚；生成有機酸；最后轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A和琥珀酸等，進(jìn)入三羧酸循環(huán)，降解成二氧化碳和

40、水。 從一至數(shù)十個碳原子的烴類化合物，只要條件合適，均可被微生物代謝降解，其中，烯烴最易降解，烷烴次之，芳烴和多環(huán)芳烴更難，而最難的是脂環(huán)烴。。,有毒有機污染物的微生物降解,2、農(nóng)藥的微生物降解1）苯氧乙酸類除草劑2）有機磷殺蟲劑：對硫磷殺蟲劑：酶促反應(yīng)類型：氧化、水解和還原。降解過程的中間產(chǎn)物——對氧磷的毒性反而比母體對硫磷的毒性更大。3）DDT的微生物降解：脫氯和脫氯化氫是DDT降解的主要途徑。有機氯農(nóng)藥比有

41、機氮和有機磷農(nóng)藥的降解難度要大得多。,1）苯氧乙酸的降解,2）有機磷殺蟲劑對硫磷的可能降解途徑,3）DDT降解,DDT的主要降解途徑是：在微生物還原脫氯酶作用下，脫氯和脫氯化氫。,七、氮和硫的微生物轉(zhuǎn)化,1、氮的微生物轉(zhuǎn)化 環(huán)境中氮的三種主要形態(tài)之間通過生物作用，尤其是微生物作用不斷轉(zhuǎn)化。1）同化：綠色植物和微生物吸收硝態(tài)氮和氨態(tài)氮，組成機體中蛋白質(zhì)、核酸等含氮有機物的過程稱為同化。2）氨化：所有生物殘體中的有機氮化合物

42、，經(jīng)微生物分解成氨態(tài)氮的過程稱為氨化。3）硝化：：氨在有氧條件下通過微生物作用，氧化成硝酸鹽的過程稱為硝化。4）反硝化：硝酸鹽在通氣不良的條件下，通過微生物作用而還原的過程為反硝化。通常有三種情形。5）固氮：通過微生物作用將分子氮轉(zhuǎn)化為氨的過程稱為固氮。固氮必須在固氮酶的催化作用下進(jìn)行，最主要的固氮微生物為好氧根瘤菌。,硝化作用,硝化作用主要由亞硝化單胞菌屬和硝化桿菌屬引起。這些細(xì)菌對環(huán)境條件呈現(xiàn)高度敏感性，要求嚴(yán)格的高水平氧；中

43、性至微堿性條件，當(dāng)pH＝9.5以上時硝化細(xì)菌受到抑制，pH＝6.0以下時亞硝化細(xì)菌受到抑制；最適宜的溫度為攝氏30度，低于5度或高于40度便不能活動；參與硝化的微生物為自養(yǎng)型細(xì)菌，但在自然環(huán)境中必須有有機質(zhì)存在條件下才能活動。 硝化在自然界和污水處理中很重要。,反硝化作用,反硝化作用的三種情況：1）微生物將硝酸鹽還原為亞硝酸；2）微生物使硝酸鹽還原為氮氣，在土壤、污水和廄肥中均可發(fā)生；3）微生物將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽和

44、氨，該過程形成的氨被菌體合成自身的氨基酸等含氮物質(zhì)。 微生物進(jìn)行反硝化需在厭氧條件下進(jìn)行。但硝化和反硝化作用可聯(lián)合發(fā)生，這可能是由于環(huán)境中氧分布不均勻所致。反硝化的其他條件為：有豐富的有機物作為碳源和能源，硝酸鹽作為氮源；中性或弱堿性條件，溫度為室溫。 在污水處理過程中增設(shè)反硝化裝置使氣態(tài)無機氮逸出，防止出水引起水體富營養(yǎng)化。,氮和硫的微生物轉(zhuǎn)化,2、硫的微生物轉(zhuǎn)化 硫在環(huán)境中以單質(zhì)硫、無機硫

45、化合物和有機硫化合物三種形態(tài)存在。這些硫形態(tài)可以在微生物和其他生物作用下互相轉(zhuǎn)化：1）硫化：硫化氫、單質(zhì)硫等在微生物作用下進(jìn)行氧化，最后生成硫酸的過程稱為硫化。硫化作用可消除環(huán)境中硫化氫的危害，生成硫酸促進(jìn)土壤中礦物質(zhì)的溶解，以硫桿菌和硫磺菌最為重要。2）反硫化：硫酸鹽、亞硫酸鹽等，在微生物作用下進(jìn)行還原，最后生成硫化氫的過程稱為反硫化。其中以脫硫弧菌最為重要。該過程是海水中硫化氫的主要來源。,八、污染物的生物轉(zhuǎn)化速率,1、酶促反應(yīng)

46、的速率 微生物對污染物質(zhì)的反應(yīng)速率，通常與體外的酶促反應(yīng)有密切關(guān)系。同時，由于微生物體內(nèi)的酶多種多樣，酶促反應(yīng)在不同程度上相互影響，并與微生物的生理活動有聯(lián)系，而使微生物對物質(zhì)的反應(yīng)速率與體外酶促反應(yīng)又有一定差別。（1）米氏方程 酶促反應(yīng)的機理，一般認(rèn)為是底物S與酶E形成復(fù)合物ES，而后再分離出產(chǎn)物P：,酶促反應(yīng)速率,ES形成與分解的速率微分方程為：若酶促反應(yīng)體系處于動態(tài)平衡，則,產(chǎn)物P的生成速率即酶

47、促反應(yīng)的速率v為： v＝k3[ES]，經(jīng)轉(zhuǎn)化可表示為： v= k3 [E]0[S]/(Km+[S]) 式中， Km ＝(k2+k3)/k1 當(dāng)?shù)孜餄舛群芨邥r所有的酶轉(zhuǎn)變?yōu)镋S復(fù)合物，即在[ES]＝[E]0時酶促反應(yīng)達(dá)到最大速率Vmax。 Vmax＝ k3[ES]＝ k3 [E]0 v= Vmax[S]/(Km +[S]) 表明酶濃度

48、一定時，酶促反應(yīng)速率與底物濃度之間的關(guān)系。,酶促反應(yīng)的速率,酶促反應(yīng)的速率,,酶促反應(yīng)的速率,米氏方程表明了在已知Km和Vmax條件下，酶促反應(yīng)速率與底物濃度之間的定量關(guān)系。 當(dāng)酶濃度一定時，酶促反應(yīng)速率與底物濃度之間的關(guān)系可用米氏方程曲線表示，第一階段[S]>Km，v=Vmax，顯示動力學(xué)零級反應(yīng)特征；而第二階段由米氏方程的原形式表達(dá)，反應(yīng)速率隨底物濃度變化處于零級和一級反應(yīng)之間。 注意Km的

49、物理意義和酶學(xué)意義：Km值越大，達(dá)到最大反應(yīng)速率一半所需要的底物濃度越大，說明酶對底物的親和力越小。Km值是酶促反應(yīng)的特征常數(shù)。,酶促反應(yīng)的速率,,酶促反應(yīng)的速率,（2）影響酶促反應(yīng)速率的因素pH對酶促反應(yīng)速率影響顯著：存在最適pH，高于或低于此pH酶反應(yīng)速率顯著減小。各種酶的最適pH一般在5－8之間。 這涉及酶和底物分子結(jié)合的有關(guān)基團(tuán)離解狀態(tài)的變化。,影響酶促反應(yīng)速率的因素,溫度對酶促反應(yīng)速率影響很大：存在最適溫度。各種

50、酶的最適溫度通常在35－55攝氏度，之前溫度每升高10攝氏度，許多酶的反應(yīng)速率增加1～2倍。當(dāng)溫度接近70－80攝氏度時酶變性失活。 但僅在酶反應(yīng)時間規(guī)定下，才有特定的最適溫度。,影響酶促反應(yīng)速率的因素,污染物的酶促反應(yīng)速率還常與抑制劑的存在有密切關(guān)系。分為不可逆抑制作用和可逆抑制作用，前者是以比較牢固的共價鍵同酶結(jié)合，不能用物理方法恢復(fù)酶活性的抑制劑；在后者中最為重要的是競爭性抑制和非競爭性抑制。,污染物的生物轉(zhuǎn)化速率,

51、2、微生物反應(yīng)速率（1）速率公式 -dc/dt=kcn 大多數(shù)有機污染物和無機污染物在水中的微生物轉(zhuǎn)化速率，一般都遵守二級反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律：-d[S]/dt=kb[S][B] [S]和[B]分別表示水中污染物和微生物的濃度。 若水中微生物濃度在一定時間內(nèi)比較穩(wěn)定，可以其數(shù)量平均值作為[B]，則k1=kb[B] ，k1為準(zhǔn)一級反應(yīng)速率方程。,微生物反應(yīng)速率,（2）影響微生物反應(yīng)

52、速率的因素 環(huán)境中污染物的微生物轉(zhuǎn)化速率，取決于物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征和微生物本身特性，此外，還受環(huán)境條件的影響。 有機污染物化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響呈一定規(guī)律：鏈長規(guī)律、鏈分支規(guī)律、取代規(guī)律。 不同微生物體內(nèi)含有不同酶，具有不同的催化活性，由此造成微生物對各種有機污染物的降解速度不同；微生物的共代謝也可促進(jìn)難降解有機物的轉(zhuǎn)化中發(fā)揮重要作用。,影響微生物反應(yīng)速率的因素,環(huán)境條件包括溫度、pH、營養(yǎng)物質(zhì)、

53、溶解氧、共存物質(zhì)等。 溫度：溫度超過各種微生物適宜生長的溫度范圍，導(dǎo)致微生物生長不利，甚至死亡，有機物降解速率快速下降，甚至為零。但在生長溫度范圍內(nèi)適當(dāng)升高，則加速有機物降解。pH：通常在5～9。由于微生物生長的適合pH不一定就是微生物作用酶催化有機底物降解的適當(dāng)條件，可通過試驗在微生物生長合適的pH范圍內(nèi)進(jìn)行最佳選定。溶解氧：好氧和厭氧微生物降解有機物質(zhì)的途徑不同，前者降解速率顯著大于后者。對溶解氧濃度要求不同。其他共存物質(zhì)的

54、影響。,第五節(jié) 污染物質(zhì)的毒性,一、毒物 毒物是進(jìn)入生物機體后可使體液和組織發(fā)生生物化學(xué)變化，干擾或破壞機體的正常生理功能，并引起暫時性或持久性病理損害，甚至可造成生命危險的物質(zhì)。 需要注意的是，該定義受到多種因素的限制，如進(jìn)入機體的物質(zhì)數(shù)量、生物種類、生物暴露于毒物的方式等。限制因素的改變，可使非毒物成為毒物，反之亦然。 毒物可按其作用于機體的主要部位，也可按作用性質(zhì)進(jìn)行分類。,污染物質(zhì)

55、的毒性,二、毒物的毒性1、影響毒物毒性的因素：1）毒物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)2）毒物所處的基體因素3）機體暴露于毒物的狀況4）生物因素5）生物所處的環(huán)境 其中關(guān)鍵性的因素之一是毒物的劑量（濃度），因為毒物毒性在很大程度上取決于毒物進(jìn)入機體的數(shù)量，而該數(shù)量與毒物計量（濃度）密切相關(guān)。2、劑量-反應(yīng)關(guān)系,毒物的毒性,劑量－反應(yīng)關(guān)系效應(yīng)：毒理學(xué)中毒物劑量（濃度）與引起個體生物學(xué)的變化稱為效應(yīng)；反應(yīng)：毒理學(xué)中把引起群體的變

56、化，如腫瘤或其他損害的發(fā)生率、死亡率等的變化稱為反應(yīng)。劑量－反應(yīng)關(guān)系：毒物劑量（濃度）與反應(yīng)（效應(yīng)）變化之間存在著一定的關(guān)系，稱為劑量-反應(yīng)關(guān)系或劑量-效應(yīng)關(guān)系。劑量-反應(yīng)關(guān)系曲線大多呈S形，即在劑量開始增加時，反應(yīng)變化不明顯，隨著劑量的繼續(xù)增加，反應(yīng)變化趨于明顯，到達(dá)一定程度后，變化又不明顯。,劑量-反應(yīng)關(guān)系,,毒物的毒性,3、毒物作用1）毒物作用的快慢：急性、慢性和亞急（或亞慢）性三種。高劑量（濃度）毒物在短時間進(jìn)入機體致毒稱

57、為急性毒作用；低劑量毒物長期逐漸進(jìn)入機體，積累到一定程度致毒稱為慢性毒作用；而介于兩者之間的作用為亞急性或亞慢性毒作用。2）急性毒作用的表示：用半數(shù)有效濃度EC50或半數(shù)有效劑量ED50來表示，兩者分別代表毒物引起一群受試生物的半數(shù)產(chǎn)生同一毒作用所需要的毒物濃度和毒物劑量。若以死亡率作為毒作用的觀察指標(biāo)，稱為LC50和LD50 。3）慢性毒性作用的表示：閾劑量或最高允許劑量。,物質(zhì)的急性毒性根據(jù)半數(shù)致死劑量，一般分為4～5級。,污染

58、物質(zhì)的毒性,三、毒物的聯(lián)合作用： 兩種或兩種以上毒物同時作用于機體所產(chǎn)生的綜合毒性稱為毒物的聯(lián)合作用。1、協(xié)同作用：聯(lián)合作用的毒性大于其中各個毒物成分單獨作用毒性的總和，如以死亡率作為毒性的觀察指標(biāo)，兩種毒物單獨作用的死亡率分別為M1和M2，則協(xié)同作用的死亡率M>M1+M2。2、相加作用：指聯(lián)合作用的毒性等于其中各毒物成分單獨作用毒性的總和，即其中各毒物成分之間均可按比例取代另一毒物成分，混合物毒性無變化，M＝M1

59、+M2。,毒物的聯(lián)合作用,3、獨立作用：各毒物對機體的侵入途徑、作用部位、作用機理等不相同，因而在其聯(lián)合作用中各毒物生物學(xué)毒性彼此無關(guān)、互不影響。獨立作用的毒性低于相加作用，但高于其中單項毒物的毒性。 M＝M1+M2（1－M1）。4、拮抗作用：聯(lián)合作用的毒性，小于其中各毒物成分單獨作用毒性的綜合。 其中某一毒物成分能促進(jìn)機體對其他毒物成分的降解加速、排泄加快、吸收減少或產(chǎn)生低毒代謝產(chǎn)物等，使混合物毒性減少。M<M1，M2。,毒物

60、的聯(lián)合作用,等效應(yīng)圖：以半數(shù)致死劑量（濃度）為等效應(yīng)計量，繪圖評定聯(lián)合作用類型的方法。,污染物質(zhì)的毒性,四、毒作用的過程： 一般要經(jīng)過三個過程：1、毒物被機體吸收，經(jīng)分布、代謝轉(zhuǎn)化，并有一定程度的排泄，達(dá)到其靶器官中的受體。靶器官是毒物首先在機體中達(dá)到毒作用臨界濃度的器官，受體是靶器官中相應(yīng)毒物分子的專一性作用部位。2、毒物或活性代謝產(chǎn)物與受體進(jìn)行原發(fā)反應(yīng)，使受體改性，隨后引起生物化學(xué)效應(yīng)。3、引起一系列病理、生理的繼發(fā)反應(yīng)，

61、出現(xiàn)中毒癥狀。,污染物的毒性,五、毒作用的生物化學(xué)機制 根據(jù)毒作用過程，毒物及其代謝的活性產(chǎn)物與機體靶器官中受體間的生物化學(xué)反應(yīng)及機制，是毒作用的啟動過程。1、酶活性的抑制 毒物進(jìn)入機體后，一方面在酶催化下進(jìn)行代謝轉(zhuǎn)化，另一方面也可干擾酶的正常作用，包括酶活性、數(shù)量等方面，從而有可能導(dǎo)致機體的損害，其中最常見的是對酶活性的抑制。1）有機物可與酶共價結(jié)合，通常通過酶活性內(nèi)羥基進(jìn)行。如有機磷酸酯和氨基甲酸酯對膽堿酯酶的結(jié)

62、合，可對乙酰膽堿酯酶造成不可逆的抑制，使其無法執(zhí)行原有催化乙酰膽堿水解的作用，最終造成一系列神經(jīng)中毒癥狀。,酶活性的抑制,結(jié)合過程對乙酰膽堿酯酶活性造成不可逆抑制，再也不能執(zhí)行原有的催化乙酰膽堿水解的功能。,酶活性的抑制,2）有些重金屬離子與含有巰基的酶強烈結(jié)合，可能的金屬離子有鉛、汞、鎘和銀離子等。酶的巰基即使有些在酶活性中心之外，但可幫助維持酶分子構(gòu)象，對酶活性來說至關(guān)重要。重金屬離子與含巰基的酶進(jìn)行可逆非競爭性結(jié)合，使酶失去活性。

63、這些重金屬離子也能抑制巰基在酶活性中心之內(nèi)的酶，可能也是通過重金屬離子與巰基結(jié)合實現(xiàn)的。,酶活性的抑制,3）某些金屬取代金屬酶中的不同金屬。金屬酶是以金屬離子為輔酶或作為輔酶中某一成分的酶類。由于性質(zhì)相近、離子半徑相近，可以發(fā)生取代，而取代后的酶活性受到抑制。,毒作用的生物化學(xué)機制,2、致突變作用：基因突變和染色體突變 指生物細(xì)胞內(nèi)DNA改變，引起的遺傳特性突變的作用。這種突變作用可遺傳給后代。具有致突變作用的污染物稱為致突變物

64、。1）基因突變：DNA中堿基對的排列順序發(fā)生變化，包括堿基對的轉(zhuǎn)換、顛換、插入和缺失四種類型。2）染色體突變：細(xì)胞內(nèi)染色體是一種復(fù)雜的核蛋白結(jié)構(gòu)，主要成分為DNA，在染色體上排列著很多基因。若改變限于基因范圍，為上述的基因突變；若改變涉及整個染色體，呈現(xiàn)染色體數(shù)目或結(jié)構(gòu)的改變，則稱為染色體畸變。 亞硝胺類、苯并芘類、甲醛、苯、砷、鉛、烷基汞、甲基對硫磷等環(huán)境污染物。,基因突變,,毒作用的生物化學(xué)機制,3、致癌作用

65、 致癌是體細(xì)胞不受控制地生長。能在動物和人體中引起致癌的物質(zhì)稱為致癌物。有化學(xué)、物理和生物性致癌物之分。其中主要為化學(xué)致癌物，其中又以合成化學(xué)物質(zhì)為主。 化學(xué)致癌物根據(jù)作用機理分為遺傳毒性致癌物和非遺傳毒性致癌物。1、遺傳毒性致癌物1）直接致癌物2）間接致癌物，又稱為前致癌物2、非遺傳致癌物：不與DNA反應(yīng)，而是通過其他機制，影響或呈現(xiàn)致癌作用的物質(zhì)。,4、致畸作用 遺傳因素、物理因素、化學(xué)因素、生物因素