第五章-生物體內(nèi)污染物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程及毒性

環(huán)境化學(xué)

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(nèi)污染物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程及毒性2生物膜的結(jié)構(gòu)主要由脂質(zhì)（主要是磷脂和膽固醇）、蛋白質(zhì)和多糖類(lèi)組成。另有少量的水和金屬離子。3第一節(jié)物質(zhì)通過(guò)生物膜的方式磷脂雙分子層既有疏水基團(tuán)，又有親水基團(tuán)。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(zhì)約占細(xì)胞蛋白總量的20%～30%，它們或是單純的蛋白質(zhì),或是與糖、脂結(jié)合形成的結(jié)合蛋白。根據(jù)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(lèi)：表在蛋白與內(nèi)在蛋白。不同生物膜所具有的不同生物學(xué)功能主要是由于所含膜蛋白的種類(lèi)和數(shù)量的不同。（2）蛋白質(zhì)5生物膜中含有一定的寡糖類(lèi)物質(zhì)。它們大多與膜蛋白結(jié)合，少數(shù)與膜脂結(jié)合。糖類(lèi)在膜上的分布是不對(duì)稱(chēng)的，全部都處于細(xì)胞膜的外側(cè)。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(lèi)化合物在信息傳遞和相互識(shí)別方面具有重要作用。（3）糖類(lèi)6物質(zhì)通過(guò)生物膜的方式1、膜孔濾過(guò)2、被動(dòng)擴(kuò)散

3、被動(dòng)易化擴(kuò)散

4、主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)

5、胞吞和胞飲呈現(xiàn)特異性選擇；是正常的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及其代謝產(chǎn)物通過(guò)生物膜的主要方式。大多數(shù)物質(zhì)通過(guò)生物膜的方式。具體以何種方式通過(guò)生物膜，主要取決于機(jī)體各組織生物膜的特性和物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)。7物質(zhì)從高濃度的一側(cè)，通過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)到低濃度的另一側(cè)。通過(guò)被轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)本身的擴(kuò)散作用進(jìn)行的，是一個(gè)不需要外加能量的自發(fā)過(guò)程。許多物質(zhì)的被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程需要特殊的蛋白載體幫助。被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)特點(diǎn)：8主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)是在外加能量驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行的物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程。主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)，可以是離子、小分子化合物，也可以是復(fù)雜的大分子物質(zhì)，如某些蛋白或酶等。這一過(guò)程一般都與ATP的釋能反應(yīng)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(qiáng)對(duì)污染物的降解作用。生物膜法60年代末期開(kāi)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(yīng)用：生物膜法處理工業(yè)廢水污染物質(zhì)在機(jī)體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程包括吸收、分布、生物轉(zhuǎn)化和排泄。11第二節(jié)污染物質(zhì)在機(jī)體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)吸收（1）消化管：是吸收污染物質(zhì)最主要的途徑。

一般通過(guò)攝取食物和飲水進(jìn)入體內(nèi)。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(qiáng)，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(jī)污染物在胃中呈極性離子態(tài)，水溶性增強(qiáng)，脂溶性變差，不易被吸收，但是弱酸性的有機(jī)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(guò)噴嚏、進(jìn)食、吐痰等排出。細(xì)顆粒部分可以進(jìn)入肺部不易復(fù)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(jié)構(gòu)疏松的毛細(xì)血管，因此細(xì)顆粒中的可溶性部分經(jīng)過(guò)肺部毛細(xì)血管轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入血液循環(huán)。13（3）皮膚：由于皮膚角質(zhì)層的阻隔，皮膚吸收污染物的能力較差，只是一些污染物質(zhì)進(jìn)人機(jī)體的途徑。一般水溶性強(qiáng)，分子量低的污染物（例如酚、苯胺）才可以通過(guò)皮膚吸收。但是當(dāng)皮膚毛孔張開(kāi)時(shí)，一些大分子污染物也可以通過(guò)毛孔進(jìn)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(zhì)，增加了對(duì)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(zhì)，楊梅、草莓等葉片粗糙，比表面積大。15對(duì)植物而言：主要是葉片吸附、葉孔吸收、根部吸收三個(gè)途徑（2）葉孔吸收植物呼吸主要通過(guò)葉片氣孔進(jìn)行，大量污染物由此進(jìn)入植物體內(nèi)，例如二氧化硫通過(guò)通過(guò)氣孔進(jìn)入葉片，被葉肉組織吸收，高濃度的二氧化硫能導(dǎo)致氣孔的開(kāi)閉功能癱瘓；氟化物、臭氧、光化學(xué)煙霧有害成分、一些農(nóng)藥等都能通過(guò)氣孔進(jìn)入植物體內(nèi)；16（3）根部吸收大部分通過(guò)植物根部細(xì)胞膜的被動(dòng)擴(kuò)散吸收，即當(dāng)外部污染物濃度大時(shí)，可以擴(kuò)散進(jìn)入根部細(xì)胞，然后通過(guò)蒸騰作用進(jìn)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(zhì)常與血液中的血漿蛋白質(zhì)結(jié)合。這種結(jié)合呈可逆性，結(jié)合與解離處于動(dòng)態(tài)平衡。血腦屏障：高脂溶性低解離度的污染物質(zhì)，容易通過(guò)血腦屏障，由血液進(jìn)人腦部，如甲基汞化合物。污染物質(zhì)由母體轉(zhuǎn)運(yùn)到胎兒體內(nèi)，必須通過(guò)由數(shù)層生物膜組成的胎盤(pán)，稱(chēng)為胎盤(pán)屏障。有些污染物質(zhì)可與血液的紅細(xì)胞或血管外組織蛋白相結(jié)合，也會(huì)明顯影響它們?cè)隗w內(nèi)的分布。18分布是指污染物質(zhì)被吸收后或其代謝轉(zhuǎn)化物質(zhì)形成后，由血液轉(zhuǎn)送至機(jī)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(guò)程。排泄排泄是污染物質(zhì)及其代謝物質(zhì)向機(jī)體外的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)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(lái)說(shuō)，腎排泄是污染物質(zhì)的一個(gè)主要排泄途徑。腎小球毛細(xì)血管壁有許多較大的膜孔，大部分污染物質(zhì)都能從腎小球?yàn)V過(guò);但是，分子量過(guò)大的或與血漿蛋白結(jié)合的污染物質(zhì)，不能濾過(guò)仍留在血液內(nèi)。這就是一些高分子污染物（PCB）長(zhǎng)期富積人體的原因。192、肝膽

污染物質(zhì)的另一個(gè)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(zhì)，經(jīng)血液到達(dá)肝臟后，與膽汁一起分泌→十二指腸→小腸→大腸→排出體外的過(guò)程。少數(shù)是原形物質(zhì)，多數(shù)是原形物質(zhì)在肝臟經(jīng)代謝轉(zhuǎn)化而形成的產(chǎn)物。一般水溶性大、脂溶性小的化合物，膽汁排泄好。有些物質(zhì)由膽汁排泄，在腸道運(yùn)行中又重新被吸收，稱(chēng)為腸肝循環(huán)。20機(jī)體長(zhǎng)期接觸某污染物質(zhì)，若吸收超過(guò)排泄及其代謝轉(zhuǎn)化，則會(huì)出現(xiàn)該污染物質(zhì)在體內(nèi)逐增的現(xiàn)象，稱(chēng)為生物蓄積。機(jī)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(zhì)，常同血漿中游離型污染物質(zhì)保持相對(duì)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(guò)非吞食方式，從周?chē)h(huán)境蓄積某種元素或難降解的物質(zhì)，使其在機(jī)體內(nèi)濃度超過(guò)周?chē)h(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(zhì)性質(zhì)：降解性、脂溶性、水溶性等生物特征：種類(lèi)、大小、性別、器官、生長(zhǎng)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(zhì)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(zhì)在機(jī)體中的濃度;Ce—某種元素或難降解物質(zhì)在機(jī)體周?chē)h(huán)境中的濃度。23生物放大(Biomagnification)同一食物鏈上的高營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物，通過(guò)吞食低營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物富集某種元素或難降解物質(zhì)，使其在機(jī)體內(nèi)的濃度隨營(yíng)養(yǎng)級(jí)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?chē)h(huán)境和食物鏈蓄積某種元素或難降解物質(zhì)，使其在機(jī)體中的濃度超過(guò)周?chē)h(huán)境中濃度的現(xiàn)象。2425在一個(gè)海洋模式生態(tài)系統(tǒng)中研究藤胡、牡蠣、蛤、藍(lán)蟹和沙蠶等5種動(dòng)物對(duì)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(lán)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(yú)積累，但脂首魚(yú)對(duì)汞有生物放大作用，而對(duì)銀沒(méi)有。26一、生物轉(zhuǎn)化中的酶酶(Enzyme)：一類(lèi)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。27第四節(jié)污染物質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化酶的發(fā)現(xiàn)1773年，意大利科學(xué)家斯帕蘭扎尼設(shè)計(jì)了一個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)：將肉塊放入小巧的金屬籠中，然后讓鷹吞下去。過(guò)一段時(shí)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(zhì)。但是什么，他不清楚。1836年，德國(guó)科學(xué)家施旺從胃液中提取出了消化蛋白質(zhì)的物質(zhì)。解開(kāi)胃的消化之謎。20世紀(jì)30年代，科學(xué)家們相繼提取出多種酶的蛋白質(zhì)結(jié)晶，并指出酶是一類(lèi)具有生物催化作用的蛋白質(zhì)。20世紀(jì)80年代，美國(guó)科學(xué)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(zhuǎn)化中的酶催化作用的場(chǎng)所催化反應(yīng)的類(lèi)型成分酶的分類(lèi)胞外酶胞內(nèi)酶氧化還原酶水解酶裂解酶異構(gòu)酶合成酶轉(zhuǎn)移酶單成分酶雙成分酶（酶蛋白+輔酶）29根據(jù)酶的催化反應(yīng)性質(zhì)分為：氧化還原酶：如細(xì)胞色素氧化酶轉(zhuǎn)移酶：如胃蛋白酶、淀粉酶

水解酶：如轉(zhuǎn)氨酶

裂解酶：如碳酸酐酶

異構(gòu)酶：如磷酸葡萄糖異構(gòu)酶

合成酶：如谷氨酰胺合成酶

30耗氧有機(jī)污染物質(zhì)(Oxygen-ConsumingOrganicPollutant):是生物殘?bào)w、排放廢水和廢棄物中的糖類(lèi)、脂肪和蛋白質(zhì)等較易生物降解的有機(jī)物質(zhì)。生物降解(Biodegradation)：有機(jī)物質(zhì)通過(guò)生物氧化以及其他的生物轉(zhuǎn)化，可以變成更小、更簡(jiǎn)單的分子過(guò)程。耗氧有機(jī)污染物質(zhì)的微生物降解31氮的微生物轉(zhuǎn)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(jī)體中蛋白質(zhì)、核酸等含氮有機(jī)物質(zhì)的過(guò)程。氨化：生物殘?bào)w中的有機(jī)氮化合物，經(jīng)微生物分解成氨態(tài)氮的過(guò)程。硝化：氨在有氧條件下通過(guò)微生物作用,氧化成硝酸鹽的過(guò)程。32反硝化：

硝酸鹽在厭氧條件下，通過(guò)微生物作用而還原的過(guò)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(zhuǎn)化傳統(tǒng)水處理理論認(rèn)為：氨氮的去除是通過(guò)硝化和反硝化兩個(gè)相互獨(dú)立的過(guò)程實(shí)現(xiàn)的，由于對(duì)環(huán)境條件的要求不同，這兩個(gè)過(guò)程不能同時(shí)發(fā)生，而只能序列式進(jìn)行，即硝化反應(yīng)發(fā)生在好氧條件下，反硝化反應(yīng)則發(fā)生在嚴(yán)格的缺氧或厭氧條件下。在這種理論指導(dǎo)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(kāi)，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(jìn)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(jī)物完成反硝化過(guò)程，達(dá)到脫氮的目的。34固氮：通過(guò)微生物的作用把分子氮轉(zhuǎn)化為氨的過(guò)程。生物固氮在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用氮素是農(nóng)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(guò)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(zhuǎn)化

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

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

“所有的物質(zhì)都是毒物，沒(méi)有物質(zhì)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(zhì)的毒性效應(yīng)：毒理學(xué)把毒物劑量（濃度）與引起個(gè)體生理學(xué)的變化，如腦電、心電、血象、免疫功能、酶活性等的變化稱(chēng)為效應(yīng)。反應(yīng)：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(chēng)為反應(yīng)。38毒作用的分類(lèi)：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(shí)驗(yàn)方法：口服、灌胃、吸入、皮膚注射。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物：小鼠、家兔。急性毒作用：環(huán)境污染物一次或24小時(shí)內(nèi)多次作用于人或動(dòng)物機(jī)體所引起的損害作用。例子：倫敦?zé)熿F、洛杉磯光化學(xué)煙霧。40慢性毒作用：低劑量毒物長(zhǎng)期逐漸進(jìn)入機(jī)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(diǎn)：劑量低、時(shí)間長(zhǎng)、危害大。例子：水俁病、骨痛病。41毒作用的過(guò)程1、進(jìn)入體液2、毒物與受體進(jìn)行原發(fā)反應(yīng)3、引發(fā)一系列的病理生理的繼發(fā)反應(yīng)42毒作用的生物化學(xué)機(jī)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(jī)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(duì)人體有比較大的危害，這種保鮮膜中的有害物質(zhì)容易析出，隨食物進(jìn)入人體后，對(duì)人體有致癌作用，特別是干擾人體內(nèi)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(cái)經(jīng)日?qǐng)?bào)》曝出《全球禁用———日韓將致癌PVC保鮮膜轉(zhuǎn)道中國(guó)銷(xiāo)售》。頓時(shí)，媒體、塑料業(yè)、衛(wèi)生部門(mén)及老百姓便像炸開(kāi)了鍋，紛紛關(guān)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(duì)人體有致癌作用的物質(zhì)”。*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(dòng)能力比較強(qiáng)，看保鮮膜是否對(duì)人體有害，要看增塑劑是否對(duì)人體有害。*國(guó)外禁用PVC原因：國(guó)外的垃圾處理方式是焚燒。PVC焚燒后釋放出氯氣，對(duì)金屬爐有腐蝕作用。此外，焚燒PVC釋放出的氣體對(duì)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(zhuǎn)歸與效應(yīng)47重金屬元素—重金屬的定義重金屬：指相對(duì)密度在4.0以上的約60種金屬元素或相對(duì)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(duì)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(nèi)。目前最關(guān)注的是汞、砷、鎘、鉛、鉻。48汞——性質(zhì)、分布等

液態(tài)金屬，易揮發(fā)；多價(jià)態(tài)、易轉(zhuǎn)換；有機(jī)汞的揮發(fā)性大于無(wú)機(jī)汞，有機(jī)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(qiáng)；無(wú)機(jī)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(jìn)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(jié)合，最后沉降進(jìn)入水底沉積物。49汞的來(lái)源－自然