环境化学_污染物的生态毒理

第四章污染物的生态毒理(EcotoxicologyofPollutants)内容第一节毒理学与生态毒理学第二节吸收、分布、代谢、排泄第三节生物富集、放大与积累第四节污染物生物转化第五节毒物、毒性内容第一节毒理学与生态毒理学一、毒理学(Toxicology)二、生态毒理学(Ecotoxicology)一、毒理学ToxicologyToxicology(fromtheGreekwordstoxicosandlogos)isthestudyoftheadverseeffectsofchemicalsonlivingorganisms[1].Itisthestudyofsymptoms,mechanisms,treatmentsanddetectionofpoisoning,especiallythepoisoningofpeople.Toxicologystudiestherelationshipbetweendoseanditseffectsonthelivingorganism.Thechiefcriterionregardingthetoxicityofachemicalisthedose,i.e.theamountofexposuretothesubstance.Almostallsubstancesaretoxicundertherightconditions.RelationshipBetweenDoseandToxicity一、毒理学ToxicityofMetabolitesManysubstancesregardedaspoisonsaretoxiconlyindirectly.Anexampleiswoodalcohol,ormethanol,ischemicallyconvertedtoformaldehydeandformicacidintheliver.Itistheformaldehydeandformicacidthatcausethetoxiceffectsofmethanolexposure.Manydrugmoleculesaremadetoxicintheliver,agoodexamplebeingacetaminophen(paracetamol),especiallyinthepresenceofalcohol.二、生态毒理学EcotoxicologyThetermecotoxicologywascoinedbyTruhautin1969,whodefineditasthebranchoftoxicologyconcernedwiththestudyoftoxiceffects,causedbynaturalorsyntheticpollutants,totheconstituentsofecosystems,animal(includinghuman),vegetableandmicrobial,inanintegralcontext”(Truhaut,1977).Ecotoxicologyisallegedtobetheintegrationoftoxicologyandecologyor,asChapman(2002)suggested“ecologyinthepresenceoftoxicants”.Itaimstopredicttheeffectsuponnaturalpopulations,communities,orecosystems-‘theecosystem’-ofstressors,betheyanthropogenicinoriginorotherwise.内容第二节吸收、分布、代谢、排泄一、物质通过生物膜的方式二、污染物质在生物体内的转运一、物质通过生物膜的方式ADMEADMEisanacronyminpharmacokineticsandpharmacologyforabsorption,distribution,metabolism,andexcretion,anddescribesthedispositionofapharmaceuticalcompoundwithinanorganism.1.生物膜的结构70年代(SingerandNicholson,1972)提出的液态镶嵌模型：磷脂双分子层构成细胞膜的骨架(75-100Å)，亲水基团排列于内外两面；蛋白质分子覆盖、镶嵌、贯穿(物质转运的载体，酶；膜孔)。一、物质通过生物膜的方式生物膜脂质双分子层结构一、物质通过生物膜的方式(1)膜孔过滤扩散系数；扩散面积；膜两侧物质浓度梯度；膜厚度；DACxxCDAdtdQ2.物质通过生物膜的方式脂溶性物质从高浓度向低浓度侧扩散。扩散速率服从费克定律。直径小于膜孔的水溶性物质，可借助膜两侧的静水压及渗透压经膜孔滤过。(2)被动扩散在高浓度侧与膜上特性性蛋白质结合，通过生物膜，至低浓度侧解离出原物质。它受到膜特异性载体及其数量的制约，因此有特异性选择，竞争性抑制和饱和现象。(3)被动易化扩散脂/水分配系数越大，分子越小，不容易离解的分子，扩散系数越大。被动扩散不需要耗能，不需要载体参与，没有特异性选择、竞争性抑制及饱和现象。一、物质通过生物膜的方式一、物质通过生物膜的方式在需要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，至高浓度侧解离出蛋白质和原物质。所需要的能量来自于ATP。这种转运具有特异性选择、竞争性抑制和饱和现象。例如钾离子的主动转运。(4)主动转运(ActiveTransport;PassiveTransport)：一、物质通过生物膜的方式少数物质与膜上某种蛋白质具有特殊的亲和力，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，液体物质的这一转运称为胞饮。总之，物质通过生物膜的方式取决于膜内外环境、膜的性质和物质的结构。(5)胞吞和胞饮二、污染物质在生物体内的转运吸收分布排泄生物转化污染物质在生物体内的运动过程转运消除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。吸收途径主要是消化道、呼吸道和皮肤。1.吸收二、污染物质在生物体内的转运口腔食管胃肠消化道被动扩散被动扩散污染物质的脂溶性血液流速pH与酸碱性呼吸道是吸收大气污染物的主要途径被动扩散滤过吞噬皮肤：一般分子量低于300，液态或溶解态脂溶性强的物质。二、污染物质在生物体内的转运污染物质被吸收后或其代谢转化物质形成后，由血液运送至机体各组织；或与组织成分结合；以及在再反复等过程。在污染物质的转运过程中，以被动扩散为主。血脑屏障胎盘屏障与血浆蛋白结合金属硫蛋白结合2.分布关键：脂溶性大小二、污染物质在生物体内的转运3.排泄机体长期接触某些污染物质，若吸收超过其排泄和代谢转化，则会出现该污染物质在体内逐渐增多的现象，称为生物蓄积。蓄积时，污染物质的体内分布，主要是相对集中分布于机体的某些部位。机体的主要蓄积部位是血浆蛋白、脂肪组织和骨骼。有些物质的蓄积部位与毒性作用部位不同。蓄积部位的污染物质，常同血浆中游离型的污染物质保持相对稳定的平衡。4.蓄积肾、肝脏(胆汁)、肺、胃肠其它：汗液和唾液、毛发和指甲、随同乳汁内容第三节生物富集、放大与积累一、生物富集二、生物放大三、生物积累一、生物富集生物富集是指生物通过非吞食方式，从周围环境中蓄积某种元素或难降解性物质，使其在机体内的浓度超过周围环境中的浓度的现象。生物富集常用生物富集系数(生物浓缩系数、生物富集因子)表示：Bioconcentrationfactors(BCF)beCBCFC=BCF－－－生物富集系数（因子）；Cb－－－平衡时，某种污染物质在生物体内的浓度；Ce－－－平衡时，某种污染物质在机体周围环境中的浓度Bioconcentration污染物质因素：脂溶性、可降解性、（结构）生物因素：生物种类、大小、性别、器官、发育阶段环境因素：温度、盐度、硬度、pH、氧含量、光照水生生物对水中难降解性物质的富集是生物对其吸收速率、消除速率以及由于生物体的生长所造成的稀释速率的总和。影响生物富集因子的因素：动力学：一、生物富集一、生物富集吸收速率：消除速率：稀释速率：fggfeeWaaCkRCkRCkRka,ke,kg------水生生物吸收、消除、生长速率常数；Cf------水生生物体内污染物的瞬时状态浓度；CW------水中污染物的瞬时状态浓度；一、生物富集通常水体足够大，水中浓度CW可视为恒定。又t=0时，Cf=0，在此条件下求解上面二式，分别得到：fgfeWafCkCkCkdtdCfeWafCkCkdtdC])exp(1[])exp(1[eeWafgegeWaftkkCkCtkkkkCkC如果富集过程中生物量增长不明显，则kg可以忽略不计，得一、生物富集eaWfgeaWfkkCCBCFkkkCCBCF随时间的增长而增大，WfCCt当时，生物富集因子为：二、生物放大同一食物链上的高营养级的生物，通过吞食低营养级生物而蓄积某种元素或难降解物质，使其在机体内浓度随营养级数升高而增大的现象。生物放大的程度也用生物浓缩系数表示。Biomagnification,alsoknownasbioamplification,orbiologicalmagnificationistheincreaseinconcentrationofasubstance,suchasthepesticideDDT,thatoccursinafoodchainasaconsequenceof:Foodchainenergetics；Low(ornonexistent)rateofexcretion/degradationofthesubstance.三、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。所谓生物积累，就是生物从周围环境和食物链蓄积某种元素或难降解性物质，使其在机体中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。Bioaccumulationisthegeneraltermdescribingaprocessbywhichchemicalsaretakenupbyaplantoranimaleitherdirectlyfromexposuretoacontaminatedmedium(soil,sediment,water)orbyeatingfoodcontainingthechemical.水生生物对某物质的积累速率等于从水中的吸收速率，从食物链上的吸收速率及其本身消除、稀释速率的代数和。igieiiiiiiwaiiCkkCWCkdtdC)(11,1,Cw－－－生物生存的水环境中某物质浓度；Ci－－－食物链i级生物中某物质的浓度；Ci-1－－－食物链i-1级生物中该物质的浓度；Wij-1－－－i级生物对i-1级生物的摄食率；αi,i-1－－－i级生物对i-1级生物中该物质的同化率；Kai－－－i级生物对该物质的吸收速率常数；Kei－－－i级生物体中该物质的消除速率常数;Kgi－－－i级生物的生长速率常数。三、生物积累igieiiiiiiwaiiCkkCWCkdtdC)(11,1,三、生物积累0dtdCi当t∞时，11,1,W)()(igieiiiiigieiaiiCkkWCkkkCiwiiCCCgieiiiiiiikkWCC1,1,1通常Wi,i-1kgi，对于同种生物，kei越小，αi,i-1越大的物质，生物放大越显著。Cw：生物生存的水环境中某物质浓度；Ci：食物链i级生物中某物质的浓度；Ci-1：食物链i-1级生物中该物质的浓度；Wij-1：i级生物对i-1级生物的摄食率；αi,i-1：i级生物对i-1级生物中