1、第四章：生物圈和生物污染第四章：生物圈和生物污染知识点：污染物在生物体内的转运；知识点：污染物在生物体内的转运；生物转化生物转化4.1 物质通过生物膜的机理物质通过生物膜的机理4.1.1 生物膜的结构生物膜的结构4.1.2 物质通过生物膜的方式物质通过生物膜的方式1.膜孔滤过n细胞膜上具有充满水分的小孔，水及水中的小分子物质活离子，可借助膜两侧的水压或渗透压透过细胞膜称作膜孔滤过。n毒物滤过膜孔的速度主要取决于膜孔的大小。如，毛细血管合肾小球毛细血管的膜孔为40；大多数细胞的膜孔为4。2.被动扩散（浓度扩散）n物质从高浓度侧经细胞膜向低浓度侧的转运过程为被动扩散。多数外源性毒物常以这种方式通过
2、细胞膜。n扩散速率服从费克定律：n扩散系数取决于通过物质的分子结构、脂溶性及带电情况，和膜的性质。n被动扩散不需耗能，不需载体参与，因而不会出现特异性选择、竞争性抑制及饱和现象。xcDAdtdQ3.易化扩散（载体转运或载体扩散）n某些物质借助膜上一些特殊蛋白-载体的帮助，由高浓度处经细胞膜向低浓度处扩散的转运为易化扩散。n扩散速率与膜上载体的数量有关。存在特异性选择、竞争抑制和饱和现象。4.主动转运n在需消耗一定的代谢能量下，一些分子量较大的水溶性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，至高浓度侧解离出原物质。这一转运为主动转运。n存在特异性选择、竞争抑制和饱和现象。5.胞
3、吞和胞饮n某些固态物质与细胞膜上某种蛋白质有特殊亲和力，当其与细胞膜接触后，可改变这部分膜的表面张力，引起细胞膜的外包或内凹，将固态物质包围进入细胞，这种方式称胞吞，如为液态物质，称为胞饮。n对于由网状内皮系统清除肺泡里的微粒和血液中的某些毒物具有重要意义。总结：总结：n外来物质以何种方式通过细胞膜，主要取决于：外来物质以何种方式通过细胞膜，主要取决于：毒毒物本身的化学结构；物本身的化学结构；理化性质；理化性质；细胞膜的结构。细胞膜的结构。n易化扩散和主动转运是正常营养物质及其代谢产物通易化扩散和主动转运是正常营养物质及其代谢产物通过细胞膜的主要方式。过细胞膜的主要方式。n除与正常营养物质及其
4、代谢产物类似的毒物外，大多除与正常营养物质及其代谢产物类似的毒物外，大多数物质是以被动扩散方式通过细胞膜。膜孔滤过不是数物质是以被动扩散方式通过细胞膜。膜孔滤过不是主要方式。主要方式。4.2 污染物质在机体内的转运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。其中转运包括：吸收、分布和排泄。消除包括：排泄和生物转化。4.2.1 吸收吸收 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。吸收主要途径是消化管、呼吸管和皮消化管、呼吸管和皮肤肤。1.消化管消化管吸收污染物最主要途径。吸收主要部位在小肠，其次是胃。影响吸收的因素：n污染物脂溶性：脂溶性越
5、强，被小肠吸收越快。npH：小肠液pH6.6、胃液pH2，有机弱碱在小肠中吸收比胃中快；虽然有机酸在胃中比在小肠中利于吸收，但小肠吸收面积大且血流速快，因此还是小肠中吸收快。n血流速度：对于脂溶性污染物，血流速度快，机体对污染物吸收速度大；一些极性污染物，脂溶性小，扩散为限速因素，对血流速度不敏感。2.呼吸管呼吸管是吸收大气污染物的主要途径。主要吸收部位是肺泡。气体污染物可直接进入肺部而转入血液呼吸 2.5m粒径颗粒部分会留在鼻咽部，易通过 人体活动排出 0.52.5m粒径颗粒部分可进入支气管，粘于 粘液层并排出 0.5m粒径颗粒部分可深入肺部，部分被溶 出进入体液3.皮肤皮肤人体皮肤摄取环境
6、污染物的能力很差。具有水溶性兼脂溶性的低分子污染物（分子量300）如酚、苯胺等较易通过皮肤进入机体。此外，人体可通过出汗排污，但是次要途径。4.2.2 分布分布 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。n血流速度：脂溶性物质容易通过生物膜，组织血流速度是分布的限速。n血脑屏障：污染物经膜的通透性是限速。n污染物与血浆蛋白的结合能力：污染物常与血液中的血浆蛋白质结合。该结合呈可逆性。4.2.3 排泄排泄 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。肾排泄肾排
7、泄是污染物通过肾随尿而排除的过程。肾排泄污染物的效率是肾小球滤过，近曲小管主动分泌和远曲小管被动重吸收的综合结果。是污染物的一个主要排泄途径。肝胆系统的胆汁排泄肝胆系统的胆汁排泄污染物在肝脏的分泌主要是主动转运，被动扩散较少。排泄物中，少数是原形物质，多数是代谢产物，所以胆汁排泄是原形污染物排出体外的一个次要途径，是代谢产物的主要排除途径。一般，分子量在300以上、水溶性大的化合物，胆汁排泄良好。4.2.4 蓄积蓄积n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。n机体的主要蓄积部位：血浆蛋白、脂肪组织和骨骼。n蓄积部位中的污染物质，常同
8、血浆中游离型污染物质保持相对稳定的平衡。4.3 污染物质的生物富集、放大和积累污染物质的生物富集、放大和积累蓟运河河口生态系中不同营养级生物体内汞含量01234河水水草浮游植物底栖动物浮游动物底栖动物食草性鱼类杂食性鱼类肉食性鱼类水鸟汞含量（mg/L）蓟运河河口生态系中不同营养级生物体内六六六含量02468101214河水水草浮游生物底栖动物食草性鱼类杂食性鱼类肉食性鱼类水鸟含量（mg/L）生物富集生物富集：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。n生物浓缩系数：n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
9、、在环境条件方面ebccBCF/4.3.1 生物富集生物富集水生生物富集速率方程为：生物浓缩系数：tkkckctkkkkckceewafeggewaf)exp(1)exp(1eawfgeawfkkccBCFkkkccBCFEnd 4.3.2 生物放大生物放大n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。n生物放大并不是在所有条件下都能发生4.3.3 生物积累生物积累n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。n水生生物的积累微分速率方程：式中，C化学
10、物质在生物体中浓度(g/g)；ka生物从水中吸收化学物质速率常数(1/d)；生物对化学物质同化效率(吸收化学物质重量/摄取化学物质重量)；R每天每克体重所摄取的克数；Cf食物中化学物质浓度(g/g)；k为生物释放化学物质的排泄速率常数ke与生物增重速率常数kg之和(1/d)。CkRCCkdtdCfwa对上式积分得：对上式积分得：)exp()exp(10tkCtkkRCCkCfwa达稳态时达稳态时 ，于是有，于是有，wfuwCCkRkkCCBAF生物累积因子0dtdCwfCCkRBCFBAF4.4.1 生物转化的一般原则生物转化的一般原则1.生物转化的定义生物转化的定义生物转化：在酶催化下发生的
11、化学转化。2.生物转化的特点生物转化的特点n专一性n高效性n反应条件温和4.4 污染物质的生物转化污染物质的生物转化3.生物转化的对象生物转化的对象n高度极性的物质：容易排泄，发生酶催化可能性小n易蒸发的物质：容易从肺排泄，发生酶催化可能性小n非极性亲脂物质：容易发生酶催化反应n高持久性的物质：容易发生酶催化反应4.4.2 生物转化中的酶生物转化中的酶1.分类n根据催化起作用的场所：胞内酶；胞外酶n根据酶的成分：单成分酶；双成分酶n根据催化反应类型：氧化还原酶 转移酶 水解酶 裂解酶 异构酶 合成酶2.若干重要辅酶的功能若干重要辅酶的功能nFMN和和FADnNAD+和和NADP+n辅酶辅酶Qn
12、细胞色素酶系的辅酶细胞色素酶系的辅酶n辅酶辅酶A辅酶的成分：金属离子、含金属离子的有机化辅酶的成分：金属离子、含金属离子的有机化合物、小分子的复杂有机化合物。合物、小分子的复杂有机化合物。辅酶Q的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n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3.生物氧化中的氢传递过程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。生物氧化是机体获得能量的一种很重要的方式。因为有机化合物的键能很高。生物氧化释放的能量主要通过二磷酸腺苷与正磷酸合成三
13、磷酸腺苷而被暂时存放。反应见下图：氢传递过程的分类氢传递过程的分类n有有氧氧化中以分子氧为直接受氢体的递氢过程n有有氧氧化中以分子氧为间接受氢体的递氢过程n无无氧氧化中有机底物转化中间产物作受氢体的递氢过程n无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有氧氧化中以分子氧为直接受氢体的递氢过程体的递氢过程2.有氧氧化中以分子氧为间接受氢体的有氧氧化中以分子氧为间接受氢体的递氢过程递氢过程3.无氧氧化中有机底物转化中间产物无氧氧化中有机底物转化中间产物作受氢体的递氢过程作受氢体的递氢过程酵母菌酵母菌乳酸菌乳酸菌4.无氧氧化中某些无机含氧化合物作无氧氧化中某些无机
14、含氧化合物作受氢体的递氢过程受氢体的递氢过程4.4.3 污染物质生物转化类型污染物质生物转化类型第一阶段反应 氧化、还原、水解第二阶段反应 结合1.氧化反应 混合功能氧化酶加氧氧化 脱氢酶脱氢氧化 氧化酶氧化细胞色素细胞色素P450酶酶1）混合功能氧化酶加氧氧化混合功能氧化酶加氧氧化2）脱氢酶脱氢氧化）脱氢酶脱氢氧化n醇氧化成醛n醇氧化成酮n醛氧化成羧基HRCHOOHRCH22HCHORRCHOHRR22121HRCOOHOHCHOR2213）氧化酶氧化）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：HNHRCHOOHNHRCH232221）可逆脱氢酶加氢还原；
15、2）硝基还原酶还原；3）偶氮还原酶还原；2.还原反应类型还原反应类型4）还原脱氯酶还原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OHRRCOOHOHRCOOR23.水解反应类型水解反应类型4)酰胺酶使酰胺水解酰胺酶使酰胺水解n葡萄糖醛酸结合n硫酸结合n谷胱甘肽结合4.若干重要结合反应类型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End 4.4.4 有毒污染物质的微生物降解有毒污染物质的微生物降解(1)烃类烃类-氧化：在有氧氧化条件下，饱和脂肪酸经过酶促-氧化变成脂酰辅酶A和乙酰辅酶A。乙酰辅酶A进入三羧酸循环，生成CO2和H2O。脂
16、酰辅酶A又经-氧化途径进行转化。三羧酸循环三羧酸循环 TCACH3COCOOH+5/2O23CO2+2H2O正烷烃的降解正烷烃的降解烯烃的降解烯烃的降解苯的降解苯的降解n苯氧乙酸n有机磷杀虫剂-对硫磷nDDT降解(2)农药农药苯氧乙酸的降解苯氧乙酸的降解对硫磷的降解途径对硫磷的降解途径DDT的的降降解解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6.氮的微生物转化氮的微生物转化(1)氮的主要形态：n分子氮n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n铵盐、硝酸盐等无机氮化合物n氨的同化：将氨合成细胞物质的生物反应。n氨化：将有机氮转化为氨的生物反
17、应。n硝化：将氨氧化为亚硝酸盐和硝酸盐的生物反应。n反硝化：将硝酸盐还原的生物反应。n固氮：将氮气还原为氨的生物反应。(2)氮形态的生物转化硝化硝化硝化分为两个阶段：硝化分为两个阶段：2NH3+3O2 2H+2NO2-+2H2O+能量能量 （亚硝化菌）（亚硝化菌）2NO2-+O2 2NO3-+能量能量 （硝化菌）（硝化菌）硝化菌和亚硝化菌均为化能自氧细菌，对环境条件高度敏硝化菌和亚硝化菌均为化能自氧细菌，对环境条件高度敏感。一般认为：感。一般认为：DO控制在控制在1.52.0 mg/L；生长温度范围；生长温度范围540，最佳温度为，最佳温度为2530；最适生长；最适生长pH，亚硝化菌为，亚硝化
18、菌为7.08.5，硝化菌为，硝化菌为6.57.5。反硝化反硝化反反硝化需要厌氧环境，氧分压愈低，反硝化愈强，一般硝化需要厌氧环境，氧分压愈低，反硝化愈强，一般低于低于0.5 mg/L；需有机物作为碳源；需有机物作为碳源；pH一般为中性至微一般为中性至微碱性；适宜温度范围碱性；适宜温度范围1535。7.汞的微生物转化汞的微生物转化n汞的生物甲基化 在好氧或厌氧条件下，水体底质中某些微生物能使二价无机汞盐转变为甲基汞和二甲基汞的过程，称汞的生物甲基化。n生物作用还原转化汞HClHgHHgClCHHgHHgCHHClCHHgHHgClCH2222)(2242343 1酶促反应酶促反应 米氏方程的推导
19、：4.4.5 生物降解速率生物降解速率PEES)S()(sk1k2k底物酶EES)kk(SESEkdtESd3201酶促体系处于动态平衡时，ES)kk(SESEk3201整理后，132m0kkkK，其中SKSEESm产物P的生成速率：ESk3v03maxmaxvEkSKSvvm，其中碱性磷酸酶（Alkaline Phosphatase,AP）是一种专一性较广的磷酸酯水解酶，可以催化所有的磷酸酯的水解反应和磷酸基团的转移反应，在生物体内具有非常重要的生理功能。2生长代谢生长代谢 Growth metabolism有毒有机物作为微生物培养的唯一碳源，使有毒有机物进行彻底的降解或矿化。可用Monod
20、方程式来描述当化合物为唯一碳源时，化合物的降解速率：CKCBYdtdBYdtdCSmax1一半时的基质浓度半饱和常数，即在最大的比生长速率；的生物量；消耗一个单位碳所产生细菌浓度；污染物浓度；maxmaxYBSKC 当污染物浓度很低且微生物种群及量确定后，通常可以用简单的一级动力学方程表示降解速率为：CKdtdCb/3.共代谢共代谢 Cometabolism 某些有机物不能作为微生物培养的唯一碳源，必须有另外的化合物提供微生物碳源或能源，该有机物才降解，这类降解称共代谢作用。它在难降解的有机物代谢过程中起重要作用，展示了通过几种微生物的一系列微生物共代谢作用，可使某些特殊的有机化合物降解的可能性。共代谢作用直接与微生物种群的多少成正比，Paris等描述了微生物催化水解反应的二级速率定律：CBKdtdCb2/总结：n 影响生物降解的主要因素是化合物本身的化学结构和微生物的种类。n 其次，影响生物降解作用的因素还有环境条件：pH值，温度，盐度，溶解氧浓度，营养物料的种类，浓度等。
