第5章_生物体内污染物质的运动过程及毒性

二、若干重要辅酶的功能
1．FMN和FAD
辅酶FMN和FAD分别是黄素单核苷酸和黄素腺嘌呤二核苷
酸的缩写
F：黄素flavin
M：单monol
N：核苷酸nucleotide
- dS kS n (S : 基质浓度； k：生物降解速度常数； dt
零级反应，反应速率与 基质浓度无关
n : 反应级次）
- dS k dt
St S 0 kt (基质浓度很高的情况下
，可以考虑零级反应）
一级反应：
- dS kS dt
S t S 0e kt
2）双曲线定律： Monod方程:
1 ） N 和 C 转N 化 3 和 H C 为 2 ： O C 3H 7N2 O 3 O 2 N3 H 3 C2 O 2 H 2 O 2 ） N3 转 H N 化 - 2 ： O 为N3 H 1 .5 O 2 H2 N H 2 O 3 ） N- 2 转 O N 化 3 2 -： O 为H2 N 0 .5 O O 2 H3 NO 1.总 BOD：3+1.5+0.5=5mol(O2)/mol(C3H7NO2) 相当于 5X32=160g(O2) /mol(C3H7NO2)
异养细菌：有机物为细菌提供能量并作为碳源。异养细菌普遍存在，可 分解和降解有机物。
3）需氧和厌氧细菌： 需氧细菌：氧作为电子受体：
O 2 4 H 4 e 2 H 2 O
厌氧细菌：硫酸根、硝酸根、CO2等作为电子受体：
兼性细菌：
8 1C2O H e 8 1C4H 1 4H 2O
2、细菌增殖动力学 生长曲线的各个时期:
稀释速率Rg=-kgCf
生物浓缩系数：t→∞
dCf kaCwkeCf kgCf dt
BCF c f k a
cw ke kg
BCF c f k a cw ke
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。
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
§2 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：
BCFcb/ce
光照 藻体
CO2 、N 、P等
有机物
藻类
氧气
菌类
菌体
2）自养生物和异养生物：
自养细菌：利用二氧化碳或含碳酸根的物质为碳源。如披毛菌可在 NH4Cl、磷酸盐、CO2、和固体FeS中生长。由下面反应获得能量：
4 F ( s ) e 9 O 2 1 S H 2 O 0 4 F ( O ) 3 e ( s ) H 4 S 4 2 8 O H
qmax
•
S KS
S
BOD曲线可用以表征水中 细菌的需氧动力学过程。
--CBOD：碳化需 氧量
--NBOD：硝化需氧量； --BODu or BOD20:最终生化需
氧量
例：有一个水样含200mg/L硝基丙烷（C3H7NO2) 。计算 该水样的BOD、CBOD和NBOD。 解:水中硝基丙烷按以下三个步骤发生生物氧化：
当dci /dt=0时，有：
C i kai C w i,i1•W i,i1 C i1
ke ikgi ke ikgi
cwi
cφi
Ci=Cwi+Cφi
Ci i, i 1 •Wi, i 1
Ci 1
kei kgi
§3 污染物质的生物转化
物质在生物作用下经受的化学转化，称为生物转化或代谢
B O 1 6 2 D 8 / 0 1 09 0 0 .3 0g 6 ( 0 O 2 )/ 0 L 3m 6 /L 0 g
2. CBO 33D 220 8 /10 90 0 0.201 g(O 6 2)/L21 m6 /L g
第一步反应
3. NBO (1.5 D 0.5)3 220 8 /10 90 0 0.104 g(O 4 2)/L14 m4 /L g二、三步
二、酶反应机理(反应动力学)——中间产物学说
Michaelis & Menten提出的中间反应学说：
K1
E S
EK3 S E P
K2
米氏公式：由上述中间反应，根据质量作用定律，导 出酶促反应速度方程式：（米-门公式）：
VV ma Sx K mS
(K mK 2K 1K 3)
米氏常数Km的含义： （1）当V=Vmax/2时， Km=S，故它是反应速度为 最大反应速度一半时的底 物浓度； （2）Km=(k2+k3)/k1，表 示酶与底物的反应完全程 度，Km越小，表明酶与底 物的反应越趋于完全，Km 越大，表明酶与底物的反 应越不完全。
2）真菌 真核细胞：细胞核发
育完善，有定形的细胞核 （核仁、染色体等），有 明显的核膜，有特异的细 胞器，进行有丝分裂。
在环境中，真菌最重要的 功能是分解木材及其它植 物的纤维素。
3）藻类：真核生物（除蓝藻外），单细
胞或多细胞或群体，大小和结构差异很大。
通过无机养料和光合作用，把二氧化 碳转化为有机物质。
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：
d di c tkaciwa i,i 1w i,i 1 ci 1 (ke i kg)c ii
Ci-1 :食物链i-1级生物中该物质浓度 Wi,i-1:i级生物对i-1级的摄食率 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级生物中该物质的消除速率常数 Kgi—i级生物的生长速率常数
§4 酶
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。
酶催化作用的特点在于： 第一，催化专一性高。
一种酶只能对一种底物或一类底物起催化作用，而促进一定的反应， 生成一定的代谢产物。如脲酶仅能催化尿素水解：
第二，酶催化效率高。
例如，蔗糖酶催化蔗糖水解的速率较强酸催化速率高 2×1012倍。0℃时过氧化氢酶催化过氧化氢分解的速率高 于铁离子催化速率1×1010倍。一般，酶催化反应的速率 比化学催化剂高107一1013倍。
影响生物浓缩系数的有关因素：
1、在物质性质方面--降解性↓ 脂溶性↑ 水溶性↓
2、在生物特征方面--生物种类 大小 器官等
3、在环境条件方面--温度 盐度 pH 等
水生生物富集速率方程为：
cf
kacw ke kg
1exp(kg ke)t
cf
kacw ke
1exp(ke
)t
吸收速率 Ra=kaCw 消除速率 Re=-keCf
第五章 生物体内污染物质的运动过程及毒性
第五章 生物体内污染物质的运动过程及毒性
§ 1、物质通过生物膜的方式
一、生物膜的结构 1)由磷脂双分子层和蛋白质镶嵌组成 。 2）亲水的极性基因排列于内外两面，疏水的烷链端伸向 内侧。生物膜是类脂层屏障。
二、物质通过生物膜的方式
1．膜孔滤过
直径小于膜孔的水溶性物质，可借助膜两侧静水压及 渗透压经膜孔滤过。
停 滞 期 -- 少 量 细 菌 刚 接 入 一 定 量的新鲜液体培养基中，需要 有一个适应过程（产生适应 酶）。 对数期（指数期）--细菌数以 几何级数增加，在生长曲线上 呈直线关系。 静止期--细菌总数达到最大， 新生数与死亡数大致相等，保 持动态平衡。 衰老期--营养物质被耗尽，细 菌进入内源呼吸阶段。
双成分酶：除含蛋白质外，还含有非蛋白质部分，前 者
称酶蛋白，后者称辅基或辅酶。
在双成分酶催化反应时，一般是辅酶起着传递电子、原子 或某些化学基团的功能，酶蛋白起着决定催化专一性和催化高 效率的功能。因此，只有双成分酶的整体才具有酶的催化活性， 而当酶蛋白与辅酶经分离后各自单独存在时则均失去相应作用。
微生物生长与底物利用速度 微生物的增长速度与底物的降解速度有一个比例关系：
dN Y • dS 或 Y • q
dt T
dt u
dSmax S
dt Yx s Ks S
Y——微生物产率系数,
生成细胞的质X量 Yx/s 消耗基质的质 量 S
q——比底物利用速度;
qmax为最大比底物利用速度
q
对数期细菌增殖动力学方程：
dN kN dt
ln
N N0
kt
或N
N 0 e kt
增代时间： t ln 2 k
3、污染物生物降解的动力学
通过研究基质与降解速率之间的关系，提出两类常用经验模式：
幂指数定律—不考虑微生物的生长 双曲线定律—考虑微生物的生长
1）幂指数定律
降解速度与基质浓度 n次幂成正比：
S max Ks S
: 微生物的比生长速率 ,即单位生物量的增长率 ;
max ：微生物的最大比增长 率；
Ks
: 饱和常数，当
max 2
时所对应的基质浓度。
基质浓度较低时，微生物的比增长速率随基质浓度线性增加；基质浓度较 高时，比增长速率接近最大值，并与基质浓度无关。
Ks代表微生物与支持有机营养物的亲和力，数值越小，细菌对该分子的 亲和力越大。
一、微生物 微生物是指所有形体微小，用肉眼无法看到，须借助于显微镜才能看见的， 单细胞或个体结构简单的多细胞，或无细胞结构的低等生物的统称。 微生物的特点： （1）个体小；（2）分布广、种类繁多；（3）繁殖快； （4）易变异
1、微生物的分类
原核细胞型微生物：主要是细菌，仅有原始核，核膜与核仁未分化，缺 乏细胞 器
真核细胞型微生物：藻类、原生动物和真菌等，细胞内有完整的细胞器 非细胞型微生物：如病毒，不具有细胞结构
。
1）细菌-原核生物，单细胞
基本形态有三种：
球状：直径0.5μm~4μm 杆状: 长度0.5~20μm 螺旋状：长度大于10μm， 宽度约0.5μm
所说菌体大小是指单细 胞，实际上细胞甚至可 能以几百万个细胞的群 合体形态存在
5. 胞吞和胞饮
少数物质与膜上某种蛋白质有特殊亲和力，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，而液态物质的这一转运称为胞饮。
、 三 污染物质在机体内的转运
污染物质在机体内的运动过程：吸收
分布 排泄 生物转化
一、吸收 吸收是污染物质从机体外，通过各种途径通过
2．被动扩散 脂溶性物质从高浓度侧向低浓度侧、即顺浓度梯度扩
散通过有类脂层屏障的生物膜。
扩散速率服从费克定律：
3．被动易化扩散
有些物质可在高浓度侧与膜上特异性蛋白质载体结合， 通过生物膜，至低浓度侧解离出原物质。这一转运称为被动 易化扩散。
4. 主动转运
在消耗一定的代谢能量条件下，一些物质可在低浓度侧 与膜上高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。这一转运称为主动转运。
AB+H2O AOH+BH 酯酶、蛋白酶、淀粉酶
4
裂解酶类
A－B XY
A B＋X－Y 醛缩酶、水合酶、脱氨酶、
脱羧酶
5
异构酶类
A
A'
差向异构酶、顺反异构酶、
酮醛异构酶
ATP ADP＋Pi
6 合成酶类(连接酶类) A＋B
AB 氨酰-tRNA合成酶
酶按照成分： 单成分酶：只含有蛋白质，如脲酶、蛋白酶。
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
生物蓄积---有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。
如职业病等现象是典型的生物蓄积和生物富集 现象。
பைடு நூலகம்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
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
第三，酶催化需要温和的外界条件。
酶催化作用一般要求温和的外界条件，如常温、常压、 接近中性的酸碱度等。
酶的种类很多，已知的酶有2×103多种。
酶的类型
催化反应的性质
举例
1
氧化还原酶类
2
转移酶类
AH2+B AR+B
A+BH2 A+BR
脱氢酶、氧化酶、过氧化 物酶、加氧酶
谷丙转氨酶、已糖激酶
3
水解酶类