生物体内污染物质的运动过程及毒性

生物体内污染物质的运动过程及毒性第五章本章重点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、联合作用第一节物质通过生物膜的方式一、生物膜的结构(ConstitutionofBiologicalMembrane)生物膜主要是由磷脂双分子层和蛋白质镶嵌组成的在双分子层中央存在一个疏水区，生物膜是类脂层屏障。膜上镶嵌的蛋白质的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、被动扩散费克定律：3、被动易化扩散4、主动转运5、胞吞和胞饮第二节污染物质在机体内的转运(TransportofPollutantinBodies)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：吸收和分布。消除包括：排泄和生物转化。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。一、吸收(Adsorption)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(Distribution)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。三、排泄(Excretion)排泄是污染物质及其代谢物质向机体外的转运过程。排泄器官以肾和肝胆为主。1、肾排泄(RenalExcretion)2、肝胆系统的胆汁排泄(BiliaryExcretion)3、肠道排泄(EnterohepaticExcretion)四、蓄积(Accumulation)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。第三节污染物质的生物富集、放大和积累生物富集(BiologicalConcentration)：生物通过非吞食方式，从周围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(BioconcentrationFactor)：BCF=cb/ce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、在环境条件方面水生生物富集速率方程为：eawfgeawfkkccBCFkkkccBCF生物浓缩系数：二、生物放大(Biomagnification)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(BioaccumulationProcess)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：igieiiiiiiwaiickkcwackdtdc)(11,1,当dci/dt=0时，有：ci=cwi+cφi第四节污染物质的生物转化(BiotransformationofPollutedMatter)1、生物转化中的酶学和氢传递过程；2、耗氧和有毒有机污染物质的微生物降解；3、若干重金属和非金属元素的微生物转化本节重点：一、生物转化中的酶(EnzymeinBiotransformation)酶(Enzyme)：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(EffectofSomeImportantCoenzyme)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+ecytnFe3+cytnFe2+-e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CoASH+CH3CO+CH3CO—SCoA+H+三、生物氧化中的氢传递过程(HydrogenTransforProcessinBiologicalOxidation)生物氧化(BiologicalOxidation):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。OOO腺苷—O—P—O~P—OH+HO—P—OH+能量OHOHOHOOO腺苷—O—P—O~P—O~P—OH+H2OOHOHOH腺苷部分的结构间下图氢传递过程的几种分类(ClassificationofHydrogenTransforProcess)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(MicrobialDegradationofOxygen-ConsumingOrganicPollutant)耗氧有机污染物质(Oxygen-ConsumingOrganicPollutant):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。生物降解(Biodegradation)：有机物质通过生物氧化以及其他的生物转化，可以变成更小、更简单的分子过程。1、糖类的微生物降解(MicrobialDegradationofCarbohydrate)1）多糖水解成单糖C12H22O11+H2OC6H12O6+C6H12O6蔗糖葡萄糖果糖2）单糖酵解成丙酮酸C6H12O6+2NAD+2CH3COCOOH+2NADH+2H+葡萄糖酵解总反应式：3）丙酮酸的转化a.有氧氧化CH3COCOOH+NAD++CoASHCH3COSCoA+NADH+H++CO2OCH2COOHCH3COSCoA+C-COOH+H2OHO-C-COOH+CoASHCH2COOHCH2COOHOCH2COOH-H2OCHCOOH+H2OCH(OH)COOH-2HCH2COOHC-COOHC(OH)COOHC-COOHCHCOOHCHCOOHCH2COOHCH2COOHCH2COOHCH2COOHC=OCOOH草酰乙酸柠檬酸顺乌头酸异柠檬酸草酰琥珀酸-2H-CO2COOH+2H2O-2H-2H、-CO2CH2CH(OH)COOHCHCOOHCH2COOHCH2CH2COOHCHCOOHCH2COOH+H2OC=OCOOH苹果酸延胡索酸琥珀酸α-酮戊二酸三羧酸循环总反应为：CH3COCOOH+2.5O23CO2+2H2O丙酮酸受到完全氧化b)无氧氧化厌氧乳酸菌CH3COCOOH+2[H]CH3CH(OH)COOHCH3COCOOHCO2+CH3CHOCH3CHO+2[H]CH3CH2OH兼性厌氧CH3COCOOH+2[H]CO2+CH3CH2OH酵母菌2、脂肪的微生物降解(MicrobialDegradationofFat)降解途径：1）脂肪水解成脂肪酸和甘油CH2OOCR1CH2OHR1COOHCHOOCR2+3H2OCHOH+R2COOHCH2OOCR3CH2OHR3COOH2）甘油的转化CH2OHCHOHCH3COCOOH+4[H]CH2OH3）脂肪酸的转化(TransformationofFattyAcid)在有氧氧化条件下，饱和脂肪酸通常经过酶促β–氧化途径变成脂酰辅酶A和乙酰辅酶A。饱和脂肪酸β–氧化途径简要图示CoASHH2ORCH2CH2COOHRCH2CH2COSCoAFADFADH2RCH=CHCOSCoAH2ORCH(OH)CH2COSCoANAD+NADH+H+RC(O)CH2COSCoACoASHCH3COSCoA+RCOSCoACH3(CH2)16COOH+26O218CO2+18H2O无氧氧化条件下，脂肪酸通过酶促反应，往往以其转化的中间产物作受氢体而被不完全氧化，形成低级的有机酸、醇和二氧化碳等。3、蛋白质的微生物降解(MicrobialDegradationofProtein)蛋白质的一级结构蛋白质的二级结构蛋白质的三级结构蛋白质的四级结构肌红蛋白的三级结构血红蛋白的四级结构基本途径：1）蛋白质水解成氨基酸2）氨基酸脱氨成脂肪酸NH2OHR-C-COOH+H2OR-C-COOH+NH3HHNH2R-C-COOH+O2RCOOH+NH3+CO2H有氧氧化(AerobicOxidation)：NH2R-C-COOH+2[H]RCH2COOH+NH3HNH2R-C-COOHRCH=CHCOOH+NH3H无氧氧化(AnaerobicOxidation)4、甲烷发酵CH3COOHCH4+CO2CO2+4H2CH4+2H2O糖类葡萄糖丙酮酸乙酰辅酶A蛋白质低级醇CO2有机酸草酰乙酸柠檬酸氨基酸脂肪酸延胡索酸三羧酸循环异柠檬酸NH3脂肪琥珀酸α-酮戊二酸五、有毒有机污染物质生物转化类型(TypesofBiotransformationofToxicOrganicPollutant)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碳双键环氧化R1CH=CHR2+OR1CHCHR2O+OO碳羟基化CH3(CH2)nCH3+OCH3(CH2)nCH2OH-CH2(CH2)2CH3+O-CH2(CH2)2CH2OH氧脱烃R-O-CH3+OROH+HCHO-O-CH2R-OH+O+RCHO硫脱烃、硫-氧化及脱硫R-S-CH3+OR-SH+HCHOR1-S-R2+OR1-S-R2OO+OR1-S-R2ORNH-CH3+ORNH2+HCHOR1R1CH-NH2+OC=NOH+H2OR2R2RCH2NH2+ORCHO+NH3氮脱烃、氮氧化及脱氮2）脱氢酶脱氢氧化(DehydrogenOxidationofDehydrogenase)醇氧化成醛HRCHOOHRCH22HCHORRCHOHRR22121HRCOOHOHCHOR221醇氧化成酮醛氧化成羧基3）氧化酶氧化(OxidationofOxidationase)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(TypesofReductionReaction)1）可逆脱氢酶加氢还原R1R1C=O+2HCH—OHR2R22）硝基还原酶还原(ReductionofNitrateReductase)3）偶氮还原酶还原(ReductionofOzo-reductase)4）还原脱氯酶还原(ReductionofDechlorinationReductase)3、水解反应类型(TypesofhydrolysisReaction)OHRRCOOHOHRCOOR''2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）磷酯酶使磷酸酯水解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1、有毒有机物质生物转化反应类型；2、微生物降解(MicrobialDegradation)；3、耗氧有机污染物质(Oxygen-consumingOrganicPollutant)的微生物降解。复习六、有毒有机污染物质的微生物降解(MicrobialDegradationofToxicOrganicPollutants)1、烃类(Hydrocarbons)1）正烷烃的降解C原子数大于1的正烷烃，其降解途径以烷烃末端氧化最为常见。加氧酶CH3(CH2)nCH2CH3CH3(CH2)nCH2CH2OH