第五章-生物體內污染物質的運動過程及毒性

環(huán)境化學

EnvironmentalChemistry主講人：范佳佳fanjiajia@2016年12月28日第五章&第六章1第五章生物體內污染物質的運動過程及毒性2生物膜的結構主要由脂質（主要是磷脂和膽固醇）、蛋白質和多糖類組成。另有少量的水和金屬離子。3第一節(jié)物質通過生物膜的方式磷脂雙分子層既有疏水基團，又有親水基團。親水的頭部處于水相，疏水的尾部朝向中央。

（1）磷脂雙分子層4生物膜中的蛋白質約占細胞蛋白總量的20%～30%，它們或是單純的蛋白質,或是與糖、脂結合形成的結合蛋白。根據它們與膜脂相互作用的方式及其在膜中的排列部位，可以大體分為兩類：表在蛋白與內在蛋白。不同生物膜所具有的不同生物學功能主要是由于所含膜蛋白的種類和數(shù)量的不同。（2）蛋白質5生物膜中含有一定的寡糖類物質。它們大多與膜蛋白結合，少數(shù)與膜脂結合。糖類在膜上的分布是不對稱的，全部都處于細胞膜的外側。生物膜中組成寡糖的單糖主要有半乳糖、半乳糖胺、甘露糖、葡萄糖和葡萄糖胺等。生物膜中的糖類化合物在信息傳遞和相互識別方面具有重要作用。（3）糖類6物質通過生物膜的方式1、膜孔濾過2、被動擴散

3、被動易化擴散

4、主動轉運

5、胞吞和胞飲呈現(xiàn)特異性選擇；是正常的營養(yǎng)物質及其代謝產物通過生物膜的主要方式。大多數(shù)物質通過生物膜的方式。具體以何種方式通過生物膜，主要取決于機體各組織生物膜的特性和物質的結構、理化性質。7物質從高濃度的一側，通過膜轉運到低濃度的另一側。通過被轉運物質本身的擴散作用進行的，是一個不需要外加能量的自發(fā)過程。許多物質的被動轉運過程需要特殊的蛋白載體幫助。被動轉運特點：8主動轉運是在外加能量驅動下進行的物質跨膜轉運過程。主動轉運的物質，可以是離子、小分子化合物，也可以是復雜的大分子物質，如某些蛋白或酶等。這一過程一般都與ATP的釋能反應相偶聯(lián)。9生物膜法是指用天然材料（如卵石）、合成材料（如纖維）為載體，在其表面形成一種特殊的生物膜，生物膜表面積大，可為微生物提供較大的附著表面，有利于加強對污染物的降解作用。生物膜法60年代末期開始出現(xiàn)，主要工藝方法有生物濾池、生物接觸氧化法等。10應用：生物膜法處理工業(yè)廢水污染物質在機體內的運動過程包括吸收、分布、生物轉化和排泄。11第二節(jié)污染物質在機體內的轉運吸收（1）消化管：是吸收污染物質最主要的途徑。

一般通過攝取食物和飲水進入體內。消化管的主要吸收部位在小腸，其次是胃。一般污染物脂溶性越強，濃度越高，被消化道吸收越快。另外，由于胃酸的分泌，一些弱堿性的有機污染物在胃中呈極性離子態(tài)，水溶性增強，脂溶性變差，不易被吸收，但是弱酸性的有機污染物在胃中容易被吸收。12（2）呼吸管吸收大氣污染物的主要途徑。其中的大顆粒部分停留在鼻腔、咽喉等部位，通過噴嚏、進食、吐痰等排出。細顆粒部分可以進入肺部不易復出，其主要吸收部位是肺泡。肺泡的膜很薄，數(shù)量眾多，四周布滿壁膜極薄、結構疏松的毛細血管，因此細顆粒中的可溶性部分經過肺部毛細血管轉運進入血液循環(huán)。13（3）皮膚：由于皮膚角質層的阻隔，皮膚吸收污染物的能力較差，只是一些污染物質進人機體的途徑。一般水溶性強，分子量低的污染物（例如酚、苯胺）才可以通過皮膚吸收。但是當皮膚毛孔張開時，一些大分子污染物也可以通過毛孔進入人體。14（1）葉片吸附可吸附一些顆粒態(tài)污染物，植物葉片越粗糙，比表面積越大，越能吸附大量污染物。一些植物葉片分泌一些油脂性物質，增加了對氣態(tài)污染物的吸附作用。例如云杉、油松、馬尾松能分泌油脂性物質，楊梅、草莓等葉片粗糙，比表面積大。15對植物而言：主要是葉片吸附、葉孔吸收、根部吸收三個途徑（2）葉孔吸收植物呼吸主要通過葉片氣孔進行，大量污染物由此進入植物體內，例如二氧化硫通過通過氣孔進入葉片，被葉肉組織吸收，高濃度的二氧化硫能導致氣孔的開閉功能癱瘓；氟化物、臭氧、光化學煙霧有害成分、一些農藥等都能通過氣孔進入植物體內；16（3）根部吸收大部分通過植物根部細胞膜的被動擴散吸收，即當外部污染物濃度大時，可以擴散進入根部細胞，然后通過蒸騰作用進入植物全身。但是一般在植物根部累積的污染物濃度最大。17分布污染物質常與血液中的血漿蛋白質結合。這種結合呈可逆性，結合與解離處于動態(tài)平衡。血腦屏障：高脂溶性低解離度的污染物質，容易通過血腦屏障，由血液進人腦部，如甲基汞化合物。污染物質由母體轉運到胎兒體內，必須通過由數(shù)層生物膜組成的胎盤，稱為胎盤屏障。有些污染物質可與血液的紅細胞或血管外組織蛋白相結合，也會明顯影響它們在體內的分布。18分布是指污染物質被吸收后或其代謝轉化物質形成后，由血液轉送至機體各組織；與組織成分結合；從組織返回血液；以及再反復等過程。排泄排泄是污染物質及其代謝物質向機體外的轉運過程。排泄器官有腎、肝膽、腸、肺、外分泌等，而以腎和肝膽為主。1、腎排泄一般來說，腎排泄是污染物質的一個主要排泄途徑。腎小球毛細血管壁有許多較大的膜孔，大部分污染物質都能從腎小球濾過;但是，分子量過大的或與血漿蛋白結合的污染物質，不能濾過仍留在血液內。這就是一些高分子污染物（PCB）長期富積人體的原因。192、肝膽

污染物質的另一個重要排泄途徑，是膽汁排泄。

膽汁排泄是指主要由消化管及其他途徑吸收的污染物質，經血液到達肝臟后，與膽汁一起分泌→十二指腸→小腸→大腸→排出體外的過程。少數(shù)是原形物質，多數(shù)是原形物質在肝臟經代謝轉化而形成的產物。一般水溶性大、脂溶性小的化合物，膽汁排泄好。有些物質由膽汁排泄，在腸道運行中又重新被吸收，稱為腸肝循環(huán)。20機體長期接觸某污染物質，若吸收超過排泄及其代謝轉化，則會出現(xiàn)該污染物質在體內逐增的現(xiàn)象，稱為生物蓄積。機體的主要蓄積部位：血漿蛋白、脂肪組織和骨骼。污染物的蓄積部位與毒性部位不一定相同。蓄積部位中的污染物質，常同血漿中游離型污染物質保持相對穩(wěn)定的平衡。蓄積量是吸收、分布、排泄等的代數(shù)和21蓄積生物富集生物通過非吞食方式，從周圍環(huán)境蓄積某種元素或難降解的物質，使其在機體內濃度超過周圍環(huán)境中濃度的現(xiàn)象。生物濃縮系數(shù)(BioconcentrationFactor，BCF)

：影響B(tài)CF的因素物質性質：降解性、脂溶性、水溶性等生物特征：種類、大小、性別、器官、生長發(fā)育階段等環(huán)境條件：溫度、鹽度、pH、氧含量等22第三節(jié)污染物質的生物富集、放大和積累生物濃縮系數(shù)：Cb—某種元素或難降解物質在機體中的濃度;Ce—某種元素或難降解物質在機體周圍環(huán)境中的濃度。23生物放大(Biomagnification)同一食物鏈上的高營養(yǎng)級生物，通過吞食低營養(yǎng)級生物富集某種元素或難降解物質，使其在機體內的濃度隨營養(yǎng)級數(shù)提高而增大的現(xiàn)象。生物放大并不是在所有條件下都能發(fā)生生物積累

(BioaccumulationProcess)生物從周圍環(huán)境和食物鏈蓄積某種元素或難降解物質，使其在機體中的濃度超過周圍環(huán)境中濃度的現(xiàn)象。2425在一個海洋模式生態(tài)系統(tǒng)中研究藤胡、牡蠣、蛤、藍蟹和沙蠶等5種動物對鈦、錳、鎘、硒、砷、鉻、汞等10種重金屬的放大作用，發(fā)現(xiàn)藤胡和沙蠶的生物放大能力較大，牡蠣和蛤次之，藍蟹最小。生物放大并不是在所有條件下都能發(fā)生如汞和銀都被脂首魚積累，但脂首魚對汞有生物放大作用，而對銀沒有。26一、生物轉化中的酶酶(Enzyme)：一類由細胞制造和分泌的、以蛋白質為主要成分的、具有催化活性的生物催化劑。27第四節(jié)污染物質的生物轉化酶的發(fā)現(xiàn)1773年，意大利科學家斯帕蘭扎尼設計了一個巧妙的實驗：將肉塊放入小巧的金屬籠中，然后讓鷹吞下去。過一段時間他將小籠取出，發(fā)現(xiàn)肉塊消失了。于是，他推斷胃液中一定含有消化肉塊的物質。但是什么，他不清楚。1836年，德國科學家施旺從胃液中提取出了消化蛋白質的物質。解開胃的消化之謎。20世紀30年代，科學家們相繼提取出多種酶的蛋白質結晶，并指出酶是一類具有生物催化作用的蛋白質。20世紀80年代，美國科學家切赫和奧特曼發(fā)現(xiàn)少數(shù)RNA也具有生物催化作用。

28生物轉化中的酶催化作用的場所催化反應的類型成分酶的分類胞外酶胞內酶氧化還原酶水解酶裂解酶異構酶合成酶轉移酶單成分酶雙成分酶（酶蛋白+輔酶）29根據酶的催化反應性質分為：氧化還原酶：如細胞色素氧化酶轉移酶：如胃蛋白酶、淀粉酶

水解酶：如轉氨酶

裂解酶：如碳酸酐酶

異構酶：如磷酸葡萄糖異構酶

合成酶：如谷氨酰胺合成酶

30耗氧有機污染物質(Oxygen-ConsumingOrganicPollutant):是生物殘體、排放廢水和廢棄物中的糖類、脂肪和蛋白質等較易生物降解的有機物質。生物降解(Biodegradation)：有機物質通過生物氧化以及其他的生物轉化，可以變成更小、更簡單的分子過程。耗氧有機污染物質的微生物降解31氮的微生物轉化同化：綠色植物和微生物吸收硝態(tài)氮和銨態(tài)氮，組成機體中蛋白質、核酸等含氮有機物質的過程。氨化：生物殘體中的有機氮化合物，經微生物分解成氨態(tài)氮的過程。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。32反硝化：

硝酸鹽在厭氧條件下，通過微生物作用而還原的過程。（1）硝酸鹽還原成亞硝酸

（2）硝酸鹽還原成氮（3）硝酸鹽還原成亞硝酸鹽和氨33氮的微生物轉化傳統(tǒng)水處理理論認為：氨氮的去除是通過硝化和反硝化兩個相互獨立的過程實現(xiàn)的，由于對環(huán)境條件的要求不同，這兩個過程不能同時發(fā)生，而只能序列式進行，即硝化反應發(fā)生在好氧條件下，反硝化反應則發(fā)生在嚴格的缺氧或厭氧條件下。在這種理論指導下，傳統(tǒng)的生物脫氮工藝都是將缺氧區(qū)(或厭氧區(qū))與好氧區(qū)分隔開，如A/O系統(tǒng)。在好氧區(qū)供氧充足，氨氮被硝化菌群氧化成硝酸鹽氮，然后混合液進入缺氧段；在缺氧條件下，反硝化菌利用硝酸鹽氮和原污水中的有機物完成反硝化過程，達到脫氮的目的。34固氮：通過微生物的作用把分子氮轉化為氨的過程。生物固氮在農業(yè)生產中的應用氮素是農作物從土壤中吸收的一種大量元素，土壤每年因此要失去大量的氮素。土壤可以通過兩條途徑獲得氮素：一條是含氮肥料；另一條是生物固氮：豆科植物。好氧根瘤菌35硫的微生物轉化

硫化：微生物（硫桿菌和硫磺菌）作用下，S、H2S生成H2SO4的過程。反硫化：SO42-、SO32-在微生物（脫硫弧菌）作用下，還原生成H2S的過程。由于海水中硫酸鹽濃度較高，所以由硫酸鹽經細菌作用還原為硫化氫，是海水硫化氫的主要來源。36

毒物(Toxicant)毒物是進入生物機體后能使體液和組織發(fā)生生物化學的變化，干擾或破壞機體的正常生理功能，并引起暫時性或持久性的病理損害，甚至危及生命的物質。毒物與非毒物之間并不存在絕對的界限——16世紀的瑞士醫(yī)生和化學家帕拉塞爾蘇斯

“所有的物質都是毒物，沒有物質不是毒物，唯一的區(qū)別是它們的劑量”。

37第五節(jié)污染物質的毒性效應：毒理學把毒物劑量（濃度）與引起個體生理學的變化，如腦電、心電、血象、免疫功能、酶活性等的變化稱為效應。反應：把引起群體的變化，如腫瘤或其他損害的發(fā)生率、死亡率等變化稱為反應。38毒作用的分類：急性(Acute)慢性(Chronic)亞急（或亞慢）(Sub-acute)半數(shù)有效劑量（ED50，medianeffectivedose）半數(shù)有效濃度（EC50，medianeffectiveconcentration)半數(shù)致死劑量（LD50，medianlethaldose)半數(shù)致死濃度（LC50

，medianlethalconcentration)39急性毒作用、慢性毒作用和亞急性毒作用表示方法：半數(shù)有效量、半數(shù)致死量等。實驗方法：口服、灌胃、吸入、皮膚注射。實驗動物：小鼠、家兔。急性毒作用：環(huán)境污染物一次或24小時內多次作用于人或動物機體所引起的損害作用。例子：倫敦煙霧、洛杉磯光化學煙霧。40慢性毒作用：低劑量毒物長期逐漸進入機體，累積到一定程度后而致毒。表示方法：閥劑量、最高允許劑量。特點：劑量低、時間長、危害大。例子：水俁病、骨痛病。41毒作用的過程1、進入體液2、毒物與受體進行原發(fā)反應3、引發(fā)一系列的病理生理的繼發(fā)反應42毒作用的生物化學機制1、酶活性的抑制2、致突變作用(Mutagensis)

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

致癌物艾氏劑、苯并[a]芘、雙（2-氯乙基）醚、氯乙烯、氯仿、四氯化碳、狄氏劑和異狄氏劑、二噁英、亞硝酸鹽、石棉、鎘酸鹽、砷化物、放射性核素、霉素、病毒等

致畸物2,4,5-T、二噁英、有機汞、苯二甲酸酯、砷酸鈉、硫酸鎘、醋酸苯汞等

致突變物DDT、2,4-D、2,4,5-T、二噁英、苯、臭氧、砷酸鈉、硫酸鎘、亞硝酸鹽、鉛鹽等44環(huán)境和生物體中的部分“三致”毒物保鮮膜究竟致癌不致癌？

“PVC（聚氯乙烯）食品保鮮膜對人體有比較大的危害，這種保鮮膜中的有害物質容易析出，隨食物進入人體后，對人體有致癌作用，特別是干擾人體內分泌，引起婦女乳癌、新生兒先天缺陷、男性生殖障礙甚至精神疾病等?！?/p>

2005年10月13日，《第一財經日報》曝出《全球禁用———日韓將致癌PVC保鮮膜轉道中國銷售》。頓時，媒體、塑料業(yè)、衛(wèi)生部門及老百姓便像炸開了鍋，紛紛關注PVC保鮮膜是否致癌。45*“PVC保鮮膜在常溫狀態(tài)下是較為安全的，只有在加熱的情況下才可能釋放出對人體有致癌作用的物質”。*PVC制成軟塑料，比如保鮮膜，就要加入40％～50％的增塑劑，增塑劑屬于小分子，活動能力比較強，看保鮮膜是否對人體有害，要看增塑劑是否對人體有害。*國外禁用PVC原因：國外的垃圾處理方式是焚燒。PVC焚燒后釋放出氯氣，對金屬爐有腐蝕作用。此外，焚燒PVC釋放出的氣體對大氣環(huán)境有污染。

保鮮膜究竟致癌不致癌？

46第六章典型污染物在環(huán)境各圈層中的轉歸與效應47重金屬元素—重金屬的定義重金屬：指相對密度在4.0以上的約60種金屬元素或相對密度在5.0以上的45種金屬元素。重金屬是具有潛在危害的重要污染物，一般指對生物有顯著毒性的元素，如汞、鎘、鉛、鋅、銅、鈷、鎳、錫、鋇、銻等，從毒性角度出發(fā)，通常把砷、鈹、鋰、硒、硼、鋁也包括在內。目前最關注的是汞、砷、鎘、鉛、鉻。48汞——性質、分布等

液態(tài)金屬，易揮發(fā)；多價態(tài)、易轉換；有機汞的揮發(fā)性大于無機汞，有機汞中又以甲基汞和苯基汞的揮發(fā)性最大，濕度越大揮發(fā)越強；無機汞中以碘化汞揮發(fā)性最大，硫化汞最小?？諝庵泄康拇蟛糠治皆陬w粒物上；氣相汞的最后歸趨是進入土壤和海底沉積物；在天然水體中，汞主要與水中存在的懸浮微粒相結合，最后沉降進入水底沉積物。49汞的來源－自然