环境生物化学.

5.污染物的毒性•5.1毒物•5.2毒物的毒性•5.3毒物的联合作用•5.4毒作用的过程•5.5毒性作用的生物化学机制•毒物指进入生物机体后能使体液和组织发生生物化学的变化，干扰或破坏机体的正常生理功能，并引起暂时性或永久性的病理损害，甚至危及生命的物质。•毒物与非毒物之间不存在绝对的界限。进入机体的物质的量等限制因素的改变，有可能使毒物变为非毒物，反之亦然。大多数环境污染物质都是毒物。•毒物的种类:–按作用机体的主要部位，可分为作用于神经系统、造血系统、心血管系统、呼吸系统、肝、肾、眼、皮肤的毒物等。–根据作用性质，毒物可分为刺激性、腐蚀性、窒息性、致突变、致癌、致畸、致敏的毒物等。•在环境化学研究中最引人关注的毒物包括重金属、放射性元素、化学农药、苯及其同系物、稠环芳烃、氯代烃、酚、氰、N-亚硝基化合物、胺类化合物、多氯代二苯并恶英（PCDD）和多氯代二苯并呋喃（PCDF）等。–2,3,7,8-四氯二苯并二恶英（TCDD）是目前已知的有机毒物中毒性最强的化合物，其毒性是DDT的10000倍，只要摄入0.000001g就会严重损害人体健康。返回•不同毒物或同一毒物在不同条件下的毒性，常有显著的差异。影响毒物的毒性的因素很多，也很复杂。概括来说包括：–1）毒物的化学结构及理化性质（分子立体构型、分子大小、官能团、溶解度、电离度、脂溶性等）–2）毒物所处的机体因素（机体组成、性质等）–3）机体暴露于毒物的状况（剂量、浓度、暴露时间、频率、总时间、部位及途径）–4）生物因素（生物属种差异、年龄、体重、性别、遗传及免疫情况、营养及健康状况等）–5）生物所处的环境（温度、湿度、气压、季节及昼夜节律的变化、光照、噪声等）•其中，关键因素是毒物的结构与性质和毒物的剂量（浓度）。•毒理学中把毒物剂量（浓度）与引起个体生物学的变化，如脑电、心电、血相、免疫功能、酶活性等的变化称为效应。把引起群体的变化，如肿瘤或其他损害的发生率、死亡率等变化称为反应。研究表明，毒物的剂量（浓度）与反（效）应变化之间存在着一定的关系，称为剂量-反（效）应关系。大多数毒物的剂量-反（效）应关系呈S形。•根据剂量大小引起毒性作用快慢的不同，将毒物作用分为急性、慢性、亚急性（慢性）三种。–高剂量毒物在短时间内进入机体致毒为急性毒作用。–低剂量毒物长期逐渐进入机体，累积到一定程度后而致毒为慢性中毒。–介于上述两者之间的为亚急性（慢性）毒作用。•急性毒作用一般以半数有效剂量（ED50）或半数有效浓度（EC50）来表示。ED50和EC50分别是毒物引起一群受试生物的半数产生同一毒作用所需的毒物剂量和毒物浓度。–ED50和EC50数值越小，毒物的毒性越高，反之，则毒性越低。•半数有效剂量或半数有效浓度，若以死亡率作为毒作用的观察指标，则称为半数致死剂量（LD50）或半数致死浓度（LC50）。•慢性毒作用以阈剂量（浓度）或最高允许剂量（浓度）来表示。–阈剂量是指在长期暴露毒物下会引起机体受损害的最低剂量。–最高允许剂量是指长期暴露在毒物下，不引起机体受损害的最高剂量。–阈剂量或最高允许剂量越小，毒物的慢性毒性越高，反之，慢性毒性越小。返回•两种或两种以上的毒物，同时作用于生物体所产生的综合毒性称为毒物的联合作用（交互作用）。毒物的联合作用通常分为四类：•（1）协同作用•指联合作用的毒性大于其中各个毒性成分单独作用毒性的总和。就是说，某一种毒物的存在能够增加其他毒物对生物体的毒性，使混合毒物的毒性增加的作用。–产生协同作用的机理相当复杂，不同的毒物之间所产生协同作用的机理也不相同。通常从一种毒物可以促进生物体对另一种毒物成分的吸收加强、降解受阻、排泄迟缓、蓄积增加或产生高毒代谢物等方面加以分析研究。•（2）相加作用•指联合作用的毒性等于其中各毒物成分单独作用毒性的总和。–当各毒物成分的化学结构近似、性质相似，互相之间没有影响时，其联合作用往往呈现毒性相加作用，如丙烯腈与乙腈、稻瘟净与乐果等。•（3）独立作用•各毒物对生物体的侵入途径、作用部位、毒性作用机理均不相同，其联合作用中各毒物生物学效应彼此无关，互不影响，即独立作用的毒性低于相加作用，但高于其中单项的毒性，如苯巴比妥与二甲苯。•（4）拮抗作用•指联合作用的毒性小于其中各组分单独作用毒性的总和，即其中某一毒物成分的存在能够减小其他毒物对生物体的毒性，使混合物的毒性降低的作用。–毒物之间的抗拮作用机理也相当复杂，不同毒物之间的拮抗作用机理、大小也不同。现在多从某一毒物的存在能够抑制生物体对其他毒物的吸收、加速降解、加速排泄或产生低毒代谢物等方面加以分析研究。如二氯乙烷与乙醇、亚硝酸与氰化物、硒与汞、硒与镉、铁与锰等的拮抗作用。返回•自机体暴露于某一毒物至其出现毒性，一般要经过三个过程。•（1）毒物被机体吸收入体液后，经分布、代谢转化，并有一定程度的排泄，这一过程对毒物毒作用具有重要影响。–其间，毒物或被解毒，转化为无毒或低毒代谢物（非活性代谢物）而陆续排出体外；或被增毒转化为毒性更大的代谢物（活性代谢物）而到达靶器官中的受体；或不被转化直接以原形毒物到达靶器官中的受体。–靶器官是毒物首先在机体中达到毒作用临界浓度的器官。–受体是靶器官中相应毒物分子的专一性作用部位。受体成分几乎都是蛋白质分子，通常是酶，非酶的受体有鸦片类型受体（神经受体）等。•（2）毒物或活性代谢产物与其受体进行原发反应，使受体改性，随后引发生物化学效应。如酶活性受到抑制、细胞膜破裂、干扰蛋白质合成、破坏脂肪和糖的代谢、抑制呼吸等。•（3）引起系列病理生理的继发反应，出现在整体条件下可观察到的毒作用的生理和（或）行为的反应，即致毒症状。–对人和动物来说，有机体体温增高或降低，脉搏加快、减慢或不规则，呼吸速率增加或减小，血压升高或降低，中枢神经系统出现幻觉、痉挛、昏迷、动作机能不协调、瘫痪等症状，以及呼吸系统、血液系统、循环系统、消化系统和泌尿系统等方面的症状。–对于植物来说，则有叶片失绿黄化，乃至枯焦脱落，使生长发育受到阻碍等症状。返回•（1）酶活性的抑制•常见的酶活性抑制剂包括有机磷农药、氨基甲酸酯类农药和重金属离子等。机制有三种类型：•第一是有些有机化合物与酶的共价结合，这种结合往往是通过酶活性内羟基进行。例如有机磷酸酯、氨基甲酸酯等与乙酰胆碱酯酶的结合：–这一结合使乙酰胆碱酯酶失活，造成不可逆的抑制，而乙酰胆碱是一种神经传导物质，在神经冲动的传递中起着重要作用。在正常的情况下机体内的乙酰胆碱量是一定的，而乙酰胆碱酯酶失活后造成机体内乙酰胆碱的累积，将使神经过分受刺激，引起机体痉挛、神经麻痹等神经中毒症状，以致死亡。(C2H5O)2P-O-SNO2HO-ENO2SHO(C2H5O)2P-OE++对硫磷乙酰胆碱酯酶磷酰化的乙酰胆碱酯酶（无活性）O-C-NHCH3OOHCH3NH-C-O-EO++HO-E西维因（无活性）•第二是重金属与含巯基的酶强烈结合，涉及的重金属离子主要是Pb2+、Hg2+、Cd2+、Ag+、Cu2+等。此酶巯基常在酶活性中心之外，帮助维持酶分子的构象，对于酶活性来说是很重要的。重金属离子与含巯基的酶进行可逆非竞争性的结合，使酶失活。•这些重金属离子也能抑制巯基在酶活性中心之内的酶，可能也是通过重金属离子与巯基结合来实现的。•第三是某些金属取代金属酶中的不同金属。金属酶是金属离子为辅酶或是辅酶一个成分的酶类。一个有关的例子是Cd(II)可以取代锌酶中的Zn(II)，因为两者性质和离子半径都很近似的缘故。碱性磷酸酶、醇脱氢酶和碳酸酐酶等一些锌酶被Cd2+取代后便失活。++Hg2+ESHSHH+2ESSHg•（2）致突变作用•致突变作用是指生物细胞内DNA改变引起的遗传特性突变的作用。这一突变可遗传至后代。具有致突变作用的污染物质称为致突变物质。致突变作用又分为基因突变和染色体突变两类。•基因突变是指DNA中碱基对的排列顺序发生改变，包括碱基对的转换、颠换、插入和缺失四种类型。•转换是同型碱基之间的置换，即嘌呤碱被另一嘌呤碱取代，嘧啶碱被另一嘧啶碱取代。•颠换是异型碱基之间的置换，就是嘌呤碱基为嘧啶碱基取代，反之亦然。颠换和转换统称碱型置换，所致突变称为碱型置换突变。•插入和缺失分别是DNA碱基对顺序中增加和减少一对碱基或几对碱基，使遗传密码格式发生改变，自该突变点之后的一系列遗传密码都发生错误。这两中突变统称为移码突变。•细胞内染色体是一种复杂的核蛋白结构，主要成分是DNA。在染色体上排列着很多基因。若改变只限于基因范围就是上述的基因突变，若涉及整个染色体，呈现染色体结构或数目的改变则称为染色体畸变。•染色体畸变属于细胞水平的变化，这种改变可用普通光学显微镜直接观察。基因突变属于分子水平的变化，不能用上述方法直接观察，常用的鉴定基因突变的试验是鼠伤寒沙门氏菌-哺乳动物肝微粒体酶试验（艾姆斯试验）。•常见的具有致突变作用的环境污染物质有亚硝胺类、苯并(a)芘、甲醛、苯、砷、铅、烷基汞化合物、甲基对硫磷、敌敌畏、百草枯、黄曲霉素B1等。•（3）致癌作用•致癌是体细胞不受控制地生长。•致癌物根据性质可分为化学（性）致癌物、物理性致癌物（如x-射线、放射性核素氡）和生物性致癌物。•按照对人和动物致癌作用的不同，可分为确证致癌物、可疑致癌物、潜在致癌物。–目前确认对人类有致癌作用的化学物质有20多种，如二甲基亚硝胺、苯并(a)芘、2-萘胺、砷及其化合物、石棉等。–此外Cd、Ni、As等若干重金属的单质及其无机化合物对动物是致癌的，有的对人也是致癌的。•人类癌症80~85%与化学致癌物有关，在化学致癌物中又以合成化合物为主。•根据作用机理分为遗传毒性致癌物和非遗传毒性致癌物。•遗传毒性致癌物细分为•1）直接致癌物（直接与DNA反应引起DNA基因突变的致癌物，如双氯甲醚）•2）间接致癌物（前致癌物，不能直接与DNA反应，需要机体代谢活化转变，经过近致癌物至终致癌物后才能与DNA反应导致遗传密码修改，如二甲基亚硝胺、苯并(a)芘等）–大多数目前已知的致癌物都是前致癌物。•非遗传毒性致癌物不与DNA反应，而是通过其他机制影响或呈现致癌作用的物质。包括•1）促癌物（可使已经癌变细胞不断增殖而形成瘤块，如巴豆油中的巴豆醇二酯、雌性激素乙烯雌酚等，免疫抑制剂硝基咪唑硫嘌呤等）•2）助致癌物（可加速细胞癌变和已癌变细胞增殖成瘤块，如二氧化硫、乙醇、儿茶酚、十二烷等，促癌物巴豆醇二酯同时也是助致癌物）•3）固体致癌物（如石棉、塑料、玻璃等可诱发机体间质的肿瘤）。•（4）致畸作用•人或动物在胚胎发育过程中由于各种原因形成的形态结构异常，称为先天性畸形或畸胎。•遗传因素、物理因素（如电离辐射）、化学因素、生物因素（如病毒），母体营养缺乏或内分泌障碍等都可引起先天性畸形，并称为致畸作用。•具有致畸作用的污染物称为致畸物。–截止到20世纪80年代初期，已知对人的致畸物约有25种，对动物的致畸物约有800种。其中最为著名的是“反应停”，曾于20世纪60年代初在欧洲及日本被用作人们妊娠早期安眠镇静药，结果导致约10000名产儿四肢不全或四肢严重短小。另外，甲基汞对人致畸作用也是大家熟知的。•一般认为致畸物的致畸生化机制可能有以下几种：•1）致畸物干扰生殖细胞遗传物质的合成，从而改变了核酸在细胞复制中的功能；•2）致畸物引起染色体数目过多或缺少；•3）致畸物抑制酶活性；•4）致畸物使胎儿失去必需的物质（如维生素），从而干扰了向胎儿的能量供给或改变了胎盘细胞膜的通透性。第五章生物环境化学•1.生物环境与生态系统•2.生物组成与微生物的生理特征（略）•3.污染物的生物积累•4.污染物的生物转化•5.污染物的毒性1.生物环境与生态系统•1.1生物环境•1.2生物圈•1.3生态系统•自然界中的生物，包括植物、动物、微生物等有生命的机体，构成了人类赖以生存的生物环境。•生物环境是自然环境要素中的重要组成部分，为人类提供了基本食物来源，通过绿色植物的光合作用，将CO2和H2O固定为糖类等有机物；又通过动、植物的呼吸作用将这些有机物的化学键断裂，变植物体内的储存