环境化学第五章生物体内污染物的运动及毒性综述.ppt

第五章 生物体内污染物质的运动过程及毒性 重点要求 （1）掌握污染物质的生物富集、放大和积累 ; 耗氧和有毒有机污染物质的微生物降解 ; 若干元 素的微生物转化 ;毒物的毒性、联合作用和致突 变、致癌及抑制酶活性等作用 （2）了解微生物对污染物质的转化速率 ; 有关 重要辅酶的功能 ; 有毒有机污染物质生物转化的 类型 目 录 1 物质通过生物膜的方式 2污染物质在机体内的转运 3污染物质的生物富集、放大和积累 4 污染物质的生物转化 5.污染物质的毒性 1 物质通过生物膜的方式 1.1生物膜的结构 生物膜主要是由磷脂双分子层和蛋白质镶嵌组成的、厚度为 75 -100A 的流动变动复杂体在磷脂双分子层中 , 中央存在一个 疏水区 , 生物膜是类脂层屏障膜上镶嵌的蛋白质 , 有附着 在磷脂双分子层表面的表在蛋白 ,有深埋或贯穿磷脂双分子层 的内在蛋白 蛋白质的生理功能：或是转运膜内外物质的载体 , 或是起催化作用的酶 , 或是能量转换器在生物膜中还间以 带极性、常含有水的微小孔道，称为膜孔 1.2物质通过生物膜的方式 物质通过生物膜的方式根据机制可分为以下五类 : 1. 膜孔滤过 直径小于膜孔的水溶性物质 , 可借助膜两侧静水压及渗透压 经膜孔滤过。

2. 被动扩散 脂溶性物质从高浓度侧向低浓度侧、即顺浓度梯 度扩散通过有类脂层屏障的生物膜扩散速率服从费克定律 : （5-1） dθ/dt - 物质膜扩散速率 , 即 dt 间隔时间内垂直向扩散通过膜 的物质的量 ; Δx -膜厚度 ;Δc -膜两侧物质的浓度梯度 ;A- 扩散 面积 ;D -扩散系数 一般 , 脂 / 水分配系数越大 , 分子越小 , 或在体液 pH 条件下 解离越少的物质 , 扩散系数也越大 被动扩散不需耗能 , 不需 载体参与 , 不会出现特异性选择、竞争性抑制及饱和现象 3. 被动易化扩散：有些物质可在高浓度侧与膜上特异性蛋白质载体 结合 , 通过生物膜 , 至低浓度侧解离出原物质这一转运称为被动 易化扩散它受到膜特异性载体及其数量的制约 , 因而呈现特异性 选择 , 类似物质竞争性抑制和饱和现象 4. 主动转运：在需消耗一定的代谢能量下 , 一些物质可在低浓度 侧与膜上高浓度特异性蛋白载体结合 , 通过生物膜 , 至高浓度侧 解离出原物质这一转运称为主动转运所需代谢能量来自膜的三 磷酸腺苷酶分解三磷酸腺(ATP) 苷成二磷酸腺苷 (ADP) 和磷酸时 所释放的能量。

这种转运还与膜的高度特异性载体及其数量有关 , 具有特异性选择 , 类似物质竞争性抑制和饱和现象 5. 胞吞和胞饮：少数物质与膜上某种蛋白质有特殊亲和力 , 当其与膜接触后 , 可改变这部分膜的表面张力 , 引起膜的 外包或内陷而被包围进入膜内 , 固体物质的这一转运称为胞 吞 , 而液态物质的这一转运称为胞饮 影响物质通过生物膜方式的因素: 主要决定于机体各组织生物膜的特性和物质的结构、理化性 质如脂溶性、水溶性、解离度、分子大小等 被动易化扩散和主动转运 , 是正常的营养物质及其代谢物通 过生物膜的主要方式，被动扩散方式通过生物膜也是重要方 式 2 污染物质在机体内的转运 2.1吸收 吸收是污染物质从机体外 , 通过各种途径通透体膜进入血液的 过程吸收途径主要是机体的消化管、呼吸道和皮肤 消化管的主要吸收部位在小肠 , 其次是胃 进入小肠的污染 物质大多以被动扩散通过肠粘膜再转入血液 . 污染物质在机体内的运动过程包括吸收、分布、排泄和生物转 化前三者统称转运 , 而排泄与生物转化又称为消除 影响消化管吸收的因素 （1）污染物质的脂溶性：脂溶性越 强及在小肠内浓度越高 , 被小肠吸收也越快。

（2）血液流速：污染物质的脂溶性强，血流速度越大 , 则 膜两侧污染物质的浓度梯度越大 , 机体对污染物质的吸收 速率也越大极性污染物质 , 因其脂溶性小 , 在被小肠吸 收时经膜扩散成了限速因素 , 而对血流影响不敏感 （3）离解度：未解离型易于扩散通过膜小肠液的酸性 (pH≈6.6) 明显低于胃液 (pH≈2), 有机弱碱在小肠和胃液 中分别以未解离型和解离型占优势 , 因此有机弱碱在小肠 中的吸收比在胃中的吸收快 呼吸管是吸收大气污染物的主要途径其主要吸收部位是肺泡 气态和液态气溶胶污染物质 , 可以被动扩散和滤过方式 , 分别迅速 通过肺泡和毛细血管膜进入血液固态气溶胶和粉尘污染物质吸进 呼吸道后 , 可在气管、支气管及肺泡表面沉积到达肺泡的固态颗 粒很小 , 粒径小于 5μm. 其中 , 易溶微粒在溶于肺泡表面体液后 , 按 上述过程被吸收 , 而难溶微粒往往在吞噬作用下被吸收 皮肤吸收是不少污染物质进入机体的途径皮肤接触的污染物质 , 常以被动扩散相继通过皮肤的表皮及真皮 , 再滤过真皮中毛细血管 壁膜进入血液一般 , 分子量低于 300, 处于液态或溶解态 , 呈非极 性的脂溶性污染物质 , 最容易被皮肤吸收 , 如酚、尼古丁、马钱子 碱等。

2. 2分布 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 过程污染物质的转运以被动扩散为主 特点: A 脂溶性污染物质易于通过生物膜 ，组织血流速度是分布的限 速因素它们在血流丰富的组织 ( 如肺、肝、肾 ) 的分布迅速 B 血脑屏障：中枢神经系统的毛细血管壁内皮细胞互相紧密相 连、几乎无空隙当污染物质由血液进入脑部时 , 必须穿过这一 毛细管壁内皮的屏障，此时 , 污染物质的经膜通透性成为其转运 的限速因素 -血脑屏障高脂溶性低解离度的污染物质经膜通透 性好 , 容易通过血脑屏障 , 由血液进入脑部 , 如甲基汞化合物 C 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只有未与蛋白结合的污 染物质才能在体内组织进 行分布 D 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如肝、肾细胞内有 一类含疏基氨基酸的蛋白 , 易与锌、镉、 汞、铅等重金属 结合成复合物 , 称为金属硫蛋白 2.3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、外分泌腺等 , 而以肾和肝胆为主 肾排泄污染物质的效率是肾小球滤过 , 近曲小管主动分泌和远曲 小管被动重吸收的综合结果 大部分污染 物质都能从 肾小球滤过 能分别分泌有机酸 ( 如羧酸、磺酸、尿 酸、磺酰胺 ) 和有 机碱 ( 如胺、季胺) 对滤过肾小球溶液 中的污染物质 , 可 以被动扩散进行重 吸收 , 使之在不同 程度上又返回血液 胆汁排泄：污染物质在肝脏的分泌主要是主动转运，为污染物质代 谢物的主要排出途径即水溶性大、脂溶性小的化合物 , 胆汁排 泄良好 肠肝循环：有些物质由胆汁排泄 , 在肠道运行中又重新被吸收 , 该现象称为肠肝循环 2.4蓄积 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 , 称为生物蓄积蓄积量是吸 收、分布、代谢转化和排泄各量的代数和 机体的主要蓄积部位是血浆蛋白、脂肪组织和骨骼 蓄积部位与毒性作用部位：相同--如百草枯在肺及一氧化碳在红细 胞中血红蛋白的集中不相一致--如 DDT 在脂肪组织中蓄积 , 而 毒性作用部位是神经系统及其他脏器 ; 铅集中于骨髓, 而毒性作 用部位在造血系统、神经系统及胃肠道等。

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 在污染物质蓄积和毒性作用的部位不相一致时 , 蓄 积部位可成为污染物质内在的二次接触源 , 有可能引起机体慢性 中毒 3 污染物质的生物富集、放大和积累 3.1生物富集 生物富集是指生物通过非吞食方式 , 从周围环境 ( 水、土壤、大 气 ) 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 生物富集用生物浓缩系数表示 , 即 : BCF= Cb / Ce (5-2) 式中 :BCF-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 影响生物浓缩系数的因素 （1）物质性质-降解性、脂溶性和水溶性 一般 , 降解性 小、脂溶性高、水溶性低的物质 , 生物浓缩系数高 （2） 生物特征-生物种类、大小、性别、器官、生物发育 阶段等如金枪鱼和海绵对铜的浓缩系数 , 分别是100和 1400 （3）环境条件-包括温度、盐度、水硬度、 pH 值、氧含量 和光照状况等 动力学： 水生生物对水中难降解物质的富集速率 , 是生物对其吸 收速率、消除速率及由生物机体质量增长引起的物质稀释速率的代 数和。

吸收速率 (Ra) 、消除速率 (Re) 及稀释速率 (Rg) 的表示 式为 : （5-3） （5-5） （5-4） 式中 :是 ka 、 ke 、kg -水生生物吸收、消除、生长的速率常数 ; Cw、Cf-水及生物体内的瞬时物质浓度 于是水生生物富集速率 微分方程为 : （5-6） 如果富集过程中生物质量增长不明显 , 则kg可忽略不计 , 式 (5-6) 简 化成 : (5-7) 通常 , 水体足够大 , 水中的物质浓度 (CW) 可视为恒定 又设 t =0 时 ,Cf(O)=0 在此条件下求解式 (5-6) 、式 (5-7), 水生 生物富集速率方程为 : (5-8) (5-9) 从式 (5-8) 、式 (5-9) 看出 , 水生生物浓缩系数 (cf/cw) 随时间延续而 增大 , 先期增大比后期迅速 , 当 t →∞时 , 生物浓缩系数依次为 : 说明在一定条件下生物浓缩系数有一阈值 (5-10) (5-11) 对于有较高脂溶性和较低水溶性的、以被动扩散通过生物膜的难降 解有机物质 , 这一过程的机理可简示为该类物质在水和生物脂肪 组织两相间的分配作用。

有机物质在辛醇-水两相分配系数的对数 (lg Kow) 与其在水生生物体中浓缩系数的对数 (lg BCF) 之间有 良好的线性正相关关系 其通式为 : （5-12） 如 Neeley W.B. 等报道 ,8 种有机物质的 lgKow 和它们在虹蹲体中的 lg BCF 之间相关系数为 0.948, 回归方程为 : lg BCF=0.5421gKow+0.124 (5-13) 式 (5-12) 中 的回归系数α、 b 与有机物质和水生生物的种类及水体 条件有关据此选用已建成的回归方程 , 代入 Kow 值 , 便可估算相 应有机物质的 BCF 值 富集机理-分配作用 3.2生物放大 生物放大是指在同一食物链上的高营养级生物 , 通过吞食低营养级 生物蓄积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 生物放大的程度也用生物浓缩系数表示 影响生物放大的因素:如食物链往往都十分复杂 , 相互交织成网状 , 同一种生物在发育的不同阶段或相同阶段 , 有可能隶属于不同 的营养级而具有多种食物来源 , 这就扰乱了生物放大不同生物 或同一生物在不同的条件下 , 对物质的吸收、消除等均有可能不 同 , 也会影响生物放大状况。

3.3生物积累 生物放大或生物富集是属于生物积累的一种情况 生物积累 : 就是生物从周围环境 ( 水、土壤、大气 ) 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生物积累也用生物浓缩系数表示 以水生生物对某物质的生物积累而论 , 其微分速率方程可以表示为 : 式中 :CW -生物生存水中某物质浓度 ; Ci-食物链 i 级生物中该物质浓度 ;另一项是Ci - 1 -食物链 i-1 级生 物中该物质浓度 ; W。