第五章生物环境化学

环境化学第五章：生物体内污染物质的运动过程及毒性本章重点污染物的生物富集、放大和积累耗氧和有毒有机物的微生物降解元素的微生物转化微生物对污染物的转化速率毒物的毒性、联合作用、致突变、致癌及抑制酶活性第一节物质通过生物膜的方式一、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75-100Å的流动变动复杂体。在磷脂双分子层中，亲水的极性基因排列于内外两面，疏水的烷链端伸向内侧，所以，在双分子层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，但他们亲水端也都露在双分子层的外表面。二、物质通过生物膜的方式1、膜孔滤过2、被动扩散（浓度扩散）费克定律：扩散系数取决于通过物质和膜的性质3、被动易化扩散4、主体转运5、胞吞和胞饮xcDAdtdQ第二节污染物质在机体内的转运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，转运包括：吸收分布。消除包括：排泄和生物转化。一、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消化管是吸收污染物质最主要的途径；呼吸管是吸收大气污染物的主要途径；皮肤吸收是不少污染物质进入机体的途径；二、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。1、脂溶性污染物质易于通过生物膜；2、污染物质常与血液中的血浆蛋白结合；3、有些污染物质可与血液的红细胞或血管外组织蛋白向结合；三、排泄排泄是污染物质及其代谢物质相机体外的转运过程。排泄器官有肾、肝胆、肠、肺、外分泌等，而以肾和肝胆为主。1、肾排泄2、肝胆系统的胆汁排泄3、肠道排泄四、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。如职业病等现象是典型的生物蓄积和生物富集现象。机体的主要蓄积部位：血浆蛋白、脂肪组织和骨骼。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第三节污染物质的生物富集、放大和积累一、生物富集生物富集：生物通过非吞食方式，从走为环境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生物浓缩系数：影响生物浓缩系数的有关因素：1、在物质性质方面2、在生物特征方面3、在环境条件方面ebccBCF/水生生物富集速率方程为：生物浓缩系数：tkkckctkkkkckceewafeggewaf)exp(1)exp(1eawfgeawfkkccBCFkkkccBCF二、生物放大生物放大：同一食物链上的高营养级生物，通过吞食低营养级生物富集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。生物放大并不是在所有条件下都能发生三、生物积累生物积累：生物从周围环境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。水生生物的积累微分速率方程：当dci/dt=0时，有：ci=cwi+cφiigieiiiiiiwaiickkcwackdtdc)(11,1,第四节污染物质的生物转化本节主要介绍生物转化中的酶学和氢传递过程的基础内容，以便于了解污染物质的生物转化。其次，论及：耗氧和有毒有机污染物质的微生物降解；若干重金属和非金属元素的微生物转化一、生物转化中的酶酶是一类由细胞制造和分泌的、以蛋白质为主要成分的、具有催化活性的生物催化剂。酶催化作用的特点：1、催化专一性高2、酶催化效率高3、酶催化需要温和的外界条件二、若干重要辅酶的功能1、FMN和FAD2、NAD+和NADP+3、辅酶Q4、细胞色素酶系的辅酶5、辅酶A其作用是在酶促反应中担任递氢任务,其作用见下图细胞色素酶系的辅酶主要有细胞色素b、c1、c、a和a3等几种在反应中担当传递电子作用，见下图辅酶A是一种转移酶的辅酶，在酶促反应中起着传递酰基的作用三、生物氧化中的氢传递过程生物氧化是指有机物质在机体细胞内的氧化，并伴随有能量的释放。放出的能量主要通过二磷酸腺苷与正磷酸合成三磷酸腺苷而被暂时存放。反应见下图腺苷部分的结构间下图氢传递过程的几种分类1、有氧氧化中以分子氧为直接受氢体的递氢过程；2、有氧氧化中以分子氧为间接受氢体的递氢过程；3、无氧氧化中有机底物转化中间产物作受氢体的递氢过程；4、无氧氧化中某些无机含氧化合物作受氢体的递氢过程1、有氧氧化中以分子氧为直接受氢体的递氢过程2、有氧氧化中以分子氧为间接受氢体的递氢过程3、无氧氧化中有机底物转化中间产物作受氢体的递氢过程4、无氧氧化中某些无机含氧化合物作受氢体的递氢过程四、耗氧有机污染物质的微生物降解耗氧有机污染物质是生物残体、排放废水和废弃物中的糖类、脂肪和蛋白质等较易生物降解的有机物质。1、糖类的微生物降解降解途径：1）多糖水解成单糖2）单糖酵解成丙酮酸3）丙酮酸的转化2、脂肪的微生物降解降解途径：1）脂肪水解成脂肪酸和甘油；2）甘油的转化；3）脂肪酸的转化；1）脂肪水解成脂肪酸和甘油2）甘油的转化3）脂肪酸的转化3、蛋白质的微生物降解基本途径1）蛋白质水解成氨基酸2）氨基酸脱氨成脂肪酸4、甲烷发酵五、有毒有机污染物质生物转化类型有毒有机物质生物转化的主要反映类型如下：1、耗氧反应类型1）混合功能氧化酶加氧氧化2）脱氢酶脱氢氧化3）氧化酶氧化1）混合功能氧化酶加氧氧化2）脱氢酶脱氢氧化醇氧化成醛醇氧化成酮醛氧化成羧基HRCHOOHRCH22HCHORRCHOHRR22121HRCOOHOHCHOR2213）氧化酶氧化氧化酶是伴随有氢原子或电子转移，以分子氧为直接受氢体的酶类。例如：HNHRCHOOHNHRCH232222、还原反应类型1）可逆脱氢酶加氢还原；2）消极还原酶还原；3）偶氮还原酶还原；4）还原脱氯酶还原3、水解反应类型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）磷脂酶使磷酸酯水解OHRRCOOHOHRCOOR''24）酰胺酶使酰胺水解4、若干重要结合反应类型1）葡萄糖醛酸结合2）硫酸结合3）谷胱甘肽结合六、有毒有机污染物质的微生物降解下面介绍几种有机毒物微生物降解的途径1、烃类1）正烷烃的讲解2）烯烃的微生物降解途径主要是烯的饱和末端氧化，再经与正烷烃相同的途径成为不饱和脂肪酸3）苯的微生物降解途径4）苯系化合物的讲解2、农药的降解1）苯氧乙酸的降解2）有机磷杀虫剂对硫磷的可能降解途径3）DDT降解1）苯氧乙酸的降解2）有机磷杀虫剂对硫磷的可能降解途径3）DDT降解DDT的主要降解途径是：在微生物还原脱氯酶作用下，脱氯和脱氯化氢七、氨及硫的微生物转化1、氮的微生物转化1）氮的主要形态：（1）分子氮（2）生物体内的蛋白质、核酸等有机氮化物，以及生物残体变成的各种有机氮化合物（3）氮形态的生物转化：同化、氨化、消化、反硝化和固氮。2）反硝化（1）硝酸盐还原成亚硝酸（2）硝酸盐还原成氮气（3）硝酸盐还原成亚硝酸盐和氨2、硫的微生物转化1）硫化氢、单质硫等在微生物作用下氧化生成硫酸（硫化）2）硫酸盐、亚硫酸盐在微生物作用下还原生成硫化氢（反硫化）3）海水中硫酸盐还原生成硫化氢八、重金属元素的微生物转化1、汞汞的生物甲基化生物作用还原转化汞2、砷砷的微生物甲基化微生物使砷去甲基化HClHgHHgClCHHgHHgCHHClCHHgHHgClCH2222)(2242343AsCHAsOCHOHAsCHOHAsOCHOHAsCHOHAsOCHAsOHAsOHeCHeCHeCHe33233232232322333243333)()()()(九、污染物质的生物转化速率1、酶促反应的速率1）米氏方程：2）影响酶促反应速率的因数（1）pH的影响（2）温度的影响（3）抑制剂的影响2、微生物反应的速率1）微生物反应速率方程：L=L0e-kt2）影响微生物反应速率的因素链长规律链分子规律取代规律环境条件：pH、温度、营养物质、溶解氧、共存物质第五节污染物质的毒性一、毒物的联合作用1、协同作用2、相加作用3、独立作用4、拮抗作用二、毒作用的过程1、进入体液2、毒物与受体进行原发反应3、印发一系列的病理生理的继发反应三、毒作用的生物化学机制1、酶活性的抑制1）有些有机化合物与酶的共价结合2）有些金属离子与含巯基的酶抢劫结合3）某些金属取代金属酶中的不同金属2、致突变作用：基因突变、转换、颠换、插入和缺少。常见的具有致突变的环境污染物质有：亚硝酸类、苯并（a）比、甲醛、苯、砷、铅、烷基汞化合物、甲基对硫磷、敌敌畏、白草枯、黄曲霉毒素B1等3、致癌作用化学致癌物质化学致癌物质作用机理非遗传毒物致癌物质4、致畸作用习题1、在试验水中某鱼体从水中吸收有机污染物质A的速率常熟为18.76h-1，鱼体消除A的速率常熟为2.38*10-2h-1；设A在鱼体内起始浓度为零，在水中的浓度可视为不变。计算A在该鱼体内的浓缩系数及其浓度达到稳定浓度95%时所需的时间。2、在通常天然水中微生物降解丙氨酸的过程如下，在其括号内填写有关的化学式和生物转化途径名称，并索命这一转化过程将对水质带来什么影响？3、名词解释1）被动扩散2）主动转运3）肠肝循环4）血脑屏蔽5）阀剂6）酶的可逆和不可逆抑制剂4、在水体底泥中有下图所示反应发生，填写途中和有关光分解反应中所缺的化学式或辅酶简式。图中的转化对汞的毒性有何影响？