生物的富集作用ppt
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第八章 生物产品的萃取和富集
图1 连续错流萃取回收酶的流程图
目的产物的萃取
细胞悬浮液经珠磨机破碎细胞后，与PEG和无机 盐在萃取器中混合，然后进入离心机分相。通过 选择合适的双水相组成，一般使目标蛋白质分配 到上相( PEG相) ，而细胞碎片、核酸、多糖和杂 蛋白等分配到下相(富盐相) 。主要原因有： (1) 核酸和多糖由于其亲水性，易分配到富盐相， 目标蛋白质只有分配到富PEG相才能达到分离目 的。 (2) 下相的高盐浓度易造成蛋白质失活或沉淀，而 PEG对蛋白质有保护作用。 (3) 细胞碎片分配在下相有利于连续式离心机分离， 如在上相易堵塞离心机出口。
第1步萃取后的上相中还含有较多杂蛋白及一些 核酸、多糖和色素(色素因其疏水性分配在上相) 等，可通过加入适量的盐，再次形成PEG/无机盐 体系来进行纯化。目标蛋白质仍留在PEG相中。 在第3步萃取中则将蛋白质转入富盐相，从而将 蛋白质与PEG分离开。但从经济角度考虑，一般 用2步萃取，即在第2步将目标蛋白质转入富盐相。
含水量是反胶团的一个重要参数，决定反胶团物 理性质，决定其大小和每个胶团中所含表面活性 剂的个数。 含水量与表面活性剂的种类、助表面活性剂、水 相中盐的种类和浓度有关。
反胶团体系分类
反胶团制备
相转移法
注射法 溶解法
溶解推动力
A 静电作用： 当溶质所带电荷与表面活性剂相反时,由于静电引 力的作用,溶质易溶于反胶团,溶解率或分配系数 较大,反之,则不能溶解到反胶团相中. B 空间相互作用 盐浓度增大对反胶团相产生脱水效应, 含水率W0 随盐浓度的增大而降低,反胶团直径减小, 空间排 阻作用增大, pro溶解下降.
生物分子的分配系数取决于溶质与双水相系统间 的各种相互作用，其中主要有静电作用、疏水作 用和生物亲和作用等。因此，分配系数是各种相 互作用的和。
121011 第二章 生物富集解析
2.1.4 生物放大(bio-magnification)
• 定义：在同一个食物链上，高位营 养级生物体内来自环境的某些元素 或难以分解的化合物的浓度，高于 低位营养级生物的现象。
海水中汞的浓度为0.0001mg/L时， 浮游生物体内含汞量可达0.0010.002mg/L，小鱼体内可达0.20.5mg/L，而大鱼体内可达1-5 mg/L， 大鱼体内汞比海水含汞量高1万-6万倍。
结实期＞苗期＞拔节期＞抽穗期＞分蘖期。
（6）不同生物种
几种杨树富集汞的强弱顺序为加拿大杨＞晚花杨＞早 杨＞辽杨。 8种水生植物对铜的吸收，规律为：苦草(2种)＞黑藻＞ 水龙＞喜旱莲子草＞大藻＞心叶水车前＞水车前。 菌耳和地衣因为具有很强的吸收痕量元素的能力， 比同一区域内的树木可吸收累积更多的汞。 于常荣等(1992)作了松花江鱼类汞污染现状研究．发 现生活在同一江段的不同鱼类总汞与甲基汞平均含量各 不相同，表现为(按含汞量由高到低顺序)：雷氏七鳃鳗 ＞鲶鱼、花鳅、青鱼、黄鱼＞鲤鱼、银鲫鱼、犬首＞银 鲴。
①污染物和生物体中某些成分结合(络合、螯合)，不能 再参加代谢活动，使污染物失去毒性，从而可以在生物 体内富集；
②体内污染物在酶的作用下通过氧化、还原、水解、脱 烃、脱卤、苯环轻基化和异构化过程，毒性降低，甚至 彻底分解，失去毒性，从而加速生物的吸收，增加生物 富集量。
（4）不同器官
生物的不同器官对污染物的富集量 有很大差异。这是因为各类器官的结 构和功能不同，与污染物接触时间的 长短、接触面积的大小等也都存在很 大差异。
2.3.2 污染物性质
（1）稳定性和脂溶性是富集的重要条件 生物富集与生物对污染物的解毒能力(即污染物的生物稳 定性)有关。解毒能力越强，则富集能力越弱；反之则富 集能力越强。解毒能力又与污染物的化学结构有关。 例如PCB中可置换的氯的数目或位置不同，其代谢、解 毒、富集的情况差别就很大。研究者对氯置换数目不同的 各种单一PCB成分进行深入研究，得出以下几条规律： （1)四氯以下的低氯代PCB，几乎都能代谢为单酚，部分 形成二酚，所以易分解，不易富集。 （2）五氯或六氯代PCB同样可以单氧化为单酚，但速度慢， 易富集。 （3）七氯以上的高氯代PCB几乎不被代谢，能高度富集。 （4）氯数目相同的PCB，相邻位置未被置换或邻位为氯置 换的，比没有这两种情况的易被代谢而不易被富集。
生物富集、积累和放大(课堂PPT)
Algae
Biomagnification involves the processiveLianrgcerrefisahse in tissueNekton concentration of a chemical in successive levels of a food chain.
Organisms higher in the food chain
动力学
Dynamics derivation
环境化学
定义
影响因素 正. 辛醇
动力学
生物放大 13
生物富集动力学
吸收速率
水生生物吸 收速率常数
消除速率
水中污染物的 水生生物消瞬时状态浓度 除速率常数
水生生物体内污染 物的瞬时状态浓度
环境化学
稀释速率
水生生物生 长速率常数
定义
影响因素 正. 辛醇
动力学
环境化学
定义
影响因素 正. 辛醇
动力学
生物放大 6
Schematic representation of an experimental design used to assess bioconcentration assuming minimal metabolism of the compound under study.
动力学
生物放大 9
生物富集因子和正辛醇/水分配系数(KOW)之间的关系
D. W. Connell, Rev. Environ. Contam. Toxicol. 102, 117 (1988).
环境化学
定义
影响因素 正. 辛醇
动力学
生物放大 10
生物富集因子和正辛醇/水分配系数(KOW)之间的关系
(完整)121011 第二章 生物富集解析
2.3 影响生物富集的因素
生物学特性 污染物性质 环境因素
2.3.1 生物学特性
（1）分解酶的活性
生物对复杂有机化合物的富集能力与 其体内存在的分解该类物质的酶的活性有 关。酶活性越强，则越不易富集；酶活性 越弱，则越易富集。
例如鱼对某些农药的富集能力强是因为 鱼体内环氧化物水化酶和艾氏剂环氧化酶 的活性小于人类、鸟和昆虫的缘故。
DDT在食物链中的富集
DDT：3×10-6mg/m3 DDT：0.04mg/kg
DDT：0.5mg/kg DDT：2mg/kg DDT：2.5mg/kg
大气
浮游生物 小鱼 大鱼 海鸟
思考：
• 为什么许多有机和无机污染物在生物体 内的浓度远远大于其在环境中的浓度？
• 对于一个受污染的生态系统而言，生物 体内的污染物浓度为什么会有明显的随 营养级升高而增加的现象？
2.3.2 污染物性质
（1）稳定性和脂溶性是富集的重要条件
生物富集与生物对污染物的解毒能力(即污染物的生物稳 定性)有关。解毒能力越强，则富集能力越弱；反之则富 集能力越强。解毒能力又与污染物的化学结构有关。
例如PCB中可置换的氯的数目或位置不同，其代谢、解 毒、富集的情况差别就很大。研究者对氯置换数目不同的 各种单一PCB成分进行深入研究，得出以下几条规律：
• （3）脂类
脂类含有极性酯键，这类酯键能和金属 离子结合而形成络合物或螯合物，从而把 重金属贮存在脂肪内。
（4）核酸
核酸在生物富集中具有十分重要的作用。 核酸是极性化合物，既含有磷酸基又含有 碱性基团，属两性电解质。在一定的pH条 件下能解离而带电荷，所以能和金属离子 结合。
污染物质和上述生物各组分结合，并被 固定在生物体各部位，降低污染物的活性， 从而加速生物的吸收，增加富集量。
7有机污染化学－生物富集
Rainert研究了水生生物对狄氏剂的吸收，发现在生物体内 达到最大残留浓度所需的时间与生物体积有直接关系。例 如狄氏剂在藻类中Z天即可达到富集平衡，在水蚤体内需 3天，而在鱼类体内需长达20天以上。
环境条件的影响
像水生生物中脂肪酸的组成和类脂物的含 量一样，由于生物转化和血液受环境条件 变化的影响，所以环境条件对毒性和积累 的影响在很大程度上是不可预见的，总 之，像物理化学特性一样，有必要建立和 生理、生化有关部分的模型，去预测温度 和其他环境条件对化学物质积累的影响。
PCBs的代谢
PCBs中可置换的氯的数目或位置不同，其代谢、解 毒、富集的情况差别就很大。许多研究者对氯置换数不同 的各种单一PCBs成分进行深人研究，得出以下几条规律: (1)四氯以下的低氯代PCBs，几乎都能代谢为单酚，部分 可进而形成二酚，所以易分解，不易富集; (2)五氯或六氯代PCBs同样可以氧化为单酚，但速度相当 慢，较易富集; (3)七氯以上的高氯代PCBs则几乎不被代谢，能高度富集; (4)氯数目相同的 PCBs，相邻位置未被置换或邻位为氯 置换的，比没有这两种情况的易被代谢而不易被富集。
生物膜的透过机理
生物膜是生物体的重要保护屏障，化学物质进人生物体被 生物富集，首先要透过生物膜。了解化学物质透过生物膜 的机理是认识生物富集的基础。
生物膜是由脂质双分子层和蛋白质镶嵌掺杂形成的动态复 合体系，不同的化合物透过生物膜的机理不同。
化学物质透过生物膜的机理有多种类型，概括起来可分成 3类:被动输送〔如单一扩散、流动输送、膜电荷受控扩 散、脂质层受控扩散、媒介送、交换扩散等);主动输送(如 能动载体输送);细胞吞吐(如胞饮作用、胞噬作用等)。
生物富集机理与模型
人们曾普遍认为，有机化合物在水生生物体内的富集，主要是通过生物食物 链方式进行营养迁移，或通过生物放大作用进行的，而且它们在生物体内不 同组织中的浓度分布无规律可言。这就给人们评价有机化合物在水生生物中 的分布带来了极大的困难。1971年，Hamelink等人通过实验发现，疏水性化合 物被鱼体组织吸收，主要是通过水和血液中脂肪层两相之间的平衡交换方式 进行的。后来，许多学者的研究也证实了这一结论的正确性，他们明确指 出，有机化合物的生物累积主要是通过分配作用进人水生有机体内的脂肪 中。这是一个崭新的观念，在有机化合物的迁移转化研究中，具有很高的应 用价值。
环境条件的影响
像水生生物中脂肪酸的组成和类脂物的含 量一样，由于生物转化和血液受环境条件 变化的影响，所以环境条件对毒性和积累 的影响在很大程度上是不可预见的，总 之，像物理化学特性一样，有必要建立和 生理、生化有关部分的模型，去预测温度 和其他环境条件对化学物质积累的影响。
PCBs的代谢
PCBs中可置换的氯的数目或位置不同，其代谢、解 毒、富集的情况差别就很大。许多研究者对氯置换数不同 的各种单一PCBs成分进行深人研究，得出以下几条规律: (1)四氯以下的低氯代PCBs，几乎都能代谢为单酚，部分 可进而形成二酚，所以易分解，不易富集; (2)五氯或六氯代PCBs同样可以氧化为单酚，但速度相当 慢，较易富集; (3)七氯以上的高氯代PCBs则几乎不被代谢，能高度富集; (4)氯数目相同的 PCBs，相邻位置未被置换或邻位为氯 置换的，比没有这两种情况的易被代谢而不易被富集。
生物膜的透过机理
生物膜是生物体的重要保护屏障，化学物质进人生物体被 生物富集，首先要透过生物膜。了解化学物质透过生物膜 的机理是认识生物富集的基础。
生物膜是由脂质双分子层和蛋白质镶嵌掺杂形成的动态复 合体系，不同的化合物透过生物膜的机理不同。
化学物质透过生物膜的机理有多种类型，概括起来可分成 3类:被动输送〔如单一扩散、流动输送、膜电荷受控扩 散、脂质层受控扩散、媒介送、交换扩散等);主动输送(如 能动载体输送);细胞吞吐(如胞饮作用、胞噬作用等)。
生物富集机理与模型
人们曾普遍认为，有机化合物在水生生物体内的富集，主要是通过生物食物 链方式进行营养迁移，或通过生物放大作用进行的，而且它们在生物体内不 同组织中的浓度分布无规律可言。这就给人们评价有机化合物在水生生物中 的分布带来了极大的困难。1971年，Hamelink等人通过实验发现，疏水性化合 物被鱼体组织吸收，主要是通过水和血液中脂肪层两相之间的平衡交换方式 进行的。后来，许多学者的研究也证实了这一结论的正确性，他们明确指 出，有机化合物的生物累积主要是通过分配作用进人水生有机体内的脂肪 中。这是一个崭新的观念，在有机化合物的迁移转化研究中，具有很高的应 用价值。
生物富集
lg BCF 0.542 lg K ow 0.124
这一类比性为上述有机物质生物富集的分配机理提供了验 证。上式中的回归系数a，b与有机物质和水生生物的种类及 水体条件有关。据此选用已建成的回归方程，代入KOW值， 便可估算相应有机物质的BCF值。
对于有较高脂溶性和较低水溶性的、以被动扩散通过生物膜的难降解 有机物质，这一过程的机理可简示为该物质在水和生物脂肪组织两相 间的分配作用。
例： 鱼类通过呼吸，在短时间内有大量的水流经鳃膜；水中溶解的该类 有机物，易于被动扩散通过极薄的鳃膜，随血流转运，相继经过富 含血管的组织，除少许被消除外，主要输至脂肪组织中蓄积，显示 其在水—脂肪体系中的分配特征。
k a cw cf 1 exp k e k g t ke k g k a cw 1 exp ke t cf ke
(3)
(4)
从式(3)，(4)可看出，水生生物浓缩系数(ct/cw)随时间延续而增大，先 期增大比后期迅速，当t→∞时，生物浓缩系数依次为：
BCF BCF
cf cw cf cw
ka ke k g ka ke
(5)
(6)
在一定条件下，生物浓缩系数有一阈值。此时，水生生物富集达到 动态平衡，生物浓缩系数常指生物富集到达平衡时的BCF值，并由实 验可得。在控制条件下的实验中，可用平衡方法测定水生生物体内 及水中的物质浓度，也可用动力学方法测定ka，ke和kg，然后用式(5) 或(6)算得BCF值。
人们正以辛醇作为水生生物脂肪组织代用品，发现这些有机 物质在辛醇—水两相分配系数的对数(lgKOW)与其在水生生物 体中浓缩系数的对数(lgBCF)之间有良好的线性正相关关系， 其通式为
生物富集
异。水稻对铅的富集顺序为：
• 拔节期＞分蘖期＞苗期＞抽穗期＞结实期。
• 叶片和茎对铅的富集量也以拔节期铅最高。
• 谷壳和糙米的富集量则不同．都是以结实期铅富集量
最高，其富集顺序为：
• 结实期＞苗期＞拔节期＞抽穗期＞分蘖期。
• 小麦对六六六的吸收也一样。
4）、不同生物物种
•
不同生物种对污染物的吸收累积存在差异。
氨基酸：1）、含有羧基和氨基，它们都能与金属相结合 而形成金属螯合物。 2）、许多氨基酸还含有一N基、一SH 基等，也都能与金属结合形成复杂的金属螯合环。
在能与重金属结合的蛋白质中，最重要的是金属硫蛋白及 类金属硫蛋白。
• （3）脂类含有极性酯键，这类酯键能和金属离子结
合而形成络合物或螯合物，从而把重金属贮存在脂肪内。
• 苦草（2种）＞黑藻＞喜旱莲子草＞大藻＞心叶水车前＞ 水车前。
海洋生物比淡水生物所富集的砷要多得多。各种淡水鱼的 砷的富集系数3—30和10一40。海洋生物砷的富集系数则比 这些淡水鱼及甲壳动物要高出10—100倍
5)、超积累植物
重金属超量积累植物：植物能超量吸收和积累重金属 这
类植物有三个主要特征：
• （4）核酸在生物富集中具有十分重要的作用。核酸
是极性化合物，既含有磷酸基又含有碱性基团，属两性电解 质。在一定的pH条件下能解离而带电荷，所以能和金属离
子 结合。 • 污染物质和上述生物各组分结合，并被固定在生物体 各部位，降低污染物的活性，从而加速生物的吸收，增加 富集量。
2）、不同器官
•
生物的不同器官对污染物的富集量有很大差异。这
•
第二节 生物富集的机制
•
第三节 生物富集的研究方法
第二节 生物富集机制
第四节污染物在生物体内的浓缩积累和放大
• 过程如下： 甲基化辅酶
Hg2+
-CH3
Hg+ -CH3
甲基化辅酶
-CH3
Hg(CH3) 2
d、甲基汞的降解
• 事实上通常情况甲基汞在天然水体中的 浓度十分低，这是由于不仅存在汞的甲 基化，同时还存在甲基汞的降解，甲基 汞可被生物还原为金属汞。
• 甲基汞降解微生物：柠檬酸杆菌、假单 胞菌、节杆菌、隐球菌等。
• 小结 • 生物意义：汞的甲基化与脱甲基化保持着一个动态的平衡，从而
使环境中的甲基汞浓度维持在低水平。但是，在有机污染严重、 pH较低的环境中，容易形成和释放甲基汞，对生物的危害较大。 • 一方面甲基汞溶于水被鱼、贝吸收浓缩，另一方面甲基汞还会逸 出水体，进入大气，使污染扩大。
4、其它重金属的转化
2、特点：不同生物，比例不同
三、生物放大（Biomagnification）
1、概念：指在生态系统中，由于高营养级生物 以低营养级生物为食物，某元素或难分解化合 物在生物机体中浓度随营养级的提高而逐步增 大的现象，称生物学放大。（体内/食物内）
2、特点 间接吸收
生物学过程
达到平衡时间长，有波动。
与年龄、脂肪量有关
3、思考：许多生物外源性物质在环境中的含量很 低，通常在ppb级，为什么这么低的浓度还会引 起严重的问题？
– 这正是由于生物放大作用造成的，这样的生物外源性 物质必须满足以下两个条件：一、难以生物降解；二、 具有亲脂性。
4、思考：三个概念有何区别？有何意义？
– 生物浓缩：C体内>C环境
– 生物积累：t（生长期），KBCF
酸性矿水（p61）
• 成因
– 由黄铁矿（FeS2）氧化所产生的硫酸引起，微生物与 形成酸性矿水的整个过程密切相关。当时，铁细菌即 氧化亚铁硫杆菌可催化铁的氧化，其它如氧化硫硫杆 菌和氧化亚铁铁杆菌都与酸性矿水的形成密切相关。
污染生态学课件第二章
同时氨基醛含有羧基和氨基，它们都能与 金属相结合而形成金属螯合物
许多氨基酸还含有一N基、一SH基等，也都能 与金属结合形成复杂的金属螯合环。
脂类含有极性酯键，这类酯键能和金属 离子结合而形成络合物或螯合物，从而把 重金属贮存在脂肪内。
O H2C O C O C O H2C O C R3 R1
HC
• 目前采用较多的超富集植物的界定采用较 多的是依据Baker和Brooks (1983)提出的参 考值， 即把植物叶片或地上部（干重）中含 Cd达到100mg/kg，含Co、Cu、Ni、Pb达 到1000mg/kg，Mn、Zn达到10000 mg/kg 以上的植物称为超积累植物，同时要满足 S/R＞1的条件（S和R分别指植物地上部和 根部重金属的含量）。
5' CH2
4'
O
T
H
2'
1'
H
3'
HH
OH
• 生物对复杂有机化合物的富集能力与其体内存在 的分解该类物质的酶的活性有关。酶活性越强， 则越不易富集；酶活性越弱，越易富集。 生物体的解毒机制也造成富集： • 1 污染物和生物体中的某些成分结合（络合、螯 合），不能再参加代谢活动，使污染物失去毒性， 从而可以在生物体内富集；
R
三、氨基酸的性质
1．两性（酸碱性） - +H O +
2
H3 NCHRCOO
H3O+
+ H2NCHRCOO
Ka =
-
H3O+ H2NCHRCOO
-
H3 NCHRCOO
H3 NCHRCOOH + HO
+
+
-
+ H3 NCHRCOO + H2O
环境化学第五章污染物的生物富集、放大和积累
草酰乙酸 柠檬酸
顺乌头酸
异柠檬酸
草酰琥珀酸
苹果酸
延胡索酸
琥珀酸
α－酮戍二酸
C、丙酮酸的转化：无氧条件 CH3COCOOH+2[H] 厌氧 CH3CH(OH)COOH (乳酸) 乳酸菌 CO2+CH3CHO CH3CH2OH CO2+ CH3CH2OH
CH3COCOOH
CH3CHO+2[H] CH3COCOOH +2[H]
Cb——某种元素或难降解物质在机体中的浓度 Ce ——某种元素或难降解物质在机体周围环境中的 浓度
物质性质（降解性、脂溶性和水溶性）、生物特征
（生 物种类、大小、性别、器官、生物发育阶段）和环境条件
一般＞1
（温度、盐度、水硬度、氧含量和光照情况） 蚯蚓富集＜1 都会影响BCF 值大小。
农作物＜1
3、生物富集的动力学描述：
2、微分速率方程
dci k ai cw i ,i 1 Wi ,i 1 ci ,i 1 kei k gi ci dt
当生物积累达到平衡时dci/dt=0,上式变换为：
k ai ci k k gi ei
ci cwi ci
从水中积累 污染物量
五、有毒有机污染 物质生物转化类型
生物转化的结果，一方面往往使有机毒物 水溶性和极性增加易于排出体外；另一方面也 会改变有机毒物的毒性，多数是毒性减小，少 数毒性反而增大。
1、氧化反应类型
A、混合功能氧化酶加氧氧化 混合功能氧化酶又称单 O 2 加氧酶，功能是利用细胞内 的分子氧，将其中的一个氧 P450(Fe2+) 原子与有机底物结合，使之 e 氧化，而使另一个氧原子与 O2 S 氢原子结合成水。在该过程 2H+ 中，细胞色素P450酶起着关 键作用。活性部位是铁卟啉 的Fe，它在二与三价态间进 行变换。 一个电子来自P450(Fe3+) 一个电子来自NADPH ＋H＋
关于生物富集作用的相关知识
关于生物富集作用的相关知识1、富集作用的概念生物富集作用又叫生物浓缩，是指同一营养级的许多生物种群通过对环境中某些元素或难以分解的化合物的积累，使这些物质在生物体内的浓度超过环境中浓度的现象。
生物积累是指同一生物个体在生长发育的不同阶段生物富集系数(指某种元素或化合物在生物体内的浓度与其在的环境中的浓度的比值)不断增加的现象。
生物放大是指在同一食物链上，生物富集系数从低位营养级到高位营养级逐渐增大的现象。
2.富集作用的的产生及行成过程富集作用的产生：是人类在日常生产生活中产生的重金属等有毒物质如（汞、铬、铅等）会沿着食物链富集，营养级别越高的生物体内含的有毒物质越多。
生物体吸收环境中物质的情况有三种：一种是藻类植物、原生动物和多种微生物等，它们主要靠体表直接吸收；另一种是高等植物它们主要靠根系吸收；在一种是大多数动物，它们主要靠吞食吸收。
在上述三种情况中，前两种属于直接从环境中吸取，后一种则需要通过食物链进行摄取。
环境中的各种物资进入生物体后，立即参加到新陈代谢的各项活动中。
其中，一部分生命必须的物质参加到生物体的组成中，多余的以及非生命必须的物质则很快的分解掉并且排除体外，只有少数不容易分解的物质（如DDT）长期残留在生物体内。
3、富集作用对生物体的影响水俣病、痛痛病等分别是因为随总排放含汞和铬的工业废水引起的。
生物富集作用可能有以下危害:⒈金属物质.有毒化学物质的累积,通过食物连的传递造成生物的多层性危害。
某些化学物质在沿着食物链转移的过程中产生生物富集作用，即每经过一种生物体，其浓度就有一次明显的提高。
某些理化性质比较稳定的农药，如有机氯、有机汞和有机砷制剂等，脂溶性强，与酶和蛋白质有较大的亲和力，不易排出体外，在食物链中通过生物富集作用逐级在生物体内浓缩，可使其残留量增高。
生物富集作用以水生生物最为明显。
比方说，水里有一克农药，被浮游生物吃了，然后顺着食物链，这一克农药开始产生生物富集作用，沿着小鱼、大鱼，来到水鸟这里。
121024第二章生物富集(2)
美国加利福尼亚东北部明湖（Tule）和夏克拉玛斯(Lower Klamath)保护区中， DDT的富集传递情况。（图中括号内为富集系数，痕量指含量为0.1ppm以下，图中 生物在湖中尸解后的DDT还可返回湖中）
另外，不同生物对某一毒物的富集有不
同的阈值，当达到阈值时体内蓄积的毒物会 被释放，毒物排出体外的速度将和吸收进体 内的速度达到动态平衡，同一生物在生命活 动的不同时期，生物体富集毒物的速度也是 不同的。
同时氨基醛含有羧基和氨基，它们都能 与金属相结合而形成金属螯合物：
许多氨基酸还含有一N基、一SH基等，也都能 与金属结合形成复杂的金属螯合环，稳定性增强。
金属硫蛋白（MT）
金属硫蛋白(metallothionein)是由由微 生物和植物产生的金属结合蛋白，富含半胱 氨酸的短肽，对多种重金属有高度亲和性。 它是分子质量较低，半胱氨酸残基和金属含 量极高的蛋白质。与其结合的金属主要是镉、 铜和锌，广泛地存在于从微生物到人类各种 生物中，其结构高度保守。
蚯蚓的吞食量很大，1亿条蚯蚓一天可吞食40-50t垃圾， 排出20t蚯蚓粪 。研究还表明蚯蚓是通过皮肤进行呼吸的, 在氧含量很低的情况下也能维持生存。
另外，不仅有害物质可沿食物链富 集，而且各种有益物质也可沿食物链浓 缩，这就为人类从生物体内提取某些稀 有物质和元素提供了一条重要途径。目 前已发现很大稀有金属在动物体内的含 量都比植物高，为此，科学家们设想了 一种“种植工程”模式：在品位极低的 稀土矿区栽培适宜的植物，再用这样的 植物饲养相应的动物，然后再从动物体 内提取稀有贵金属。
c f
kacw ke kg
1 exp ke kg
t
(3)
cf
kacw ke
1
exp
另外，不同生物对某一毒物的富集有不
同的阈值，当达到阈值时体内蓄积的毒物会 被释放，毒物排出体外的速度将和吸收进体 内的速度达到动态平衡，同一生物在生命活 动的不同时期，生物体富集毒物的速度也是 不同的。
同时氨基醛含有羧基和氨基，它们都能 与金属相结合而形成金属螯合物：
许多氨基酸还含有一N基、一SH基等，也都能 与金属结合形成复杂的金属螯合环，稳定性增强。
金属硫蛋白（MT）
金属硫蛋白(metallothionein)是由由微 生物和植物产生的金属结合蛋白，富含半胱 氨酸的短肽，对多种重金属有高度亲和性。 它是分子质量较低，半胱氨酸残基和金属含 量极高的蛋白质。与其结合的金属主要是镉、 铜和锌，广泛地存在于从微生物到人类各种 生物中，其结构高度保守。
蚯蚓的吞食量很大，1亿条蚯蚓一天可吞食40-50t垃圾， 排出20t蚯蚓粪 。研究还表明蚯蚓是通过皮肤进行呼吸的, 在氧含量很低的情况下也能维持生存。
另外，不仅有害物质可沿食物链富 集，而且各种有益物质也可沿食物链浓 缩，这就为人类从生物体内提取某些稀 有物质和元素提供了一条重要途径。目 前已发现很大稀有金属在动物体内的含 量都比植物高，为此，科学家们设想了 一种“种植工程”模式：在品位极低的 稀土矿区栽培适宜的植物，再用这样的 植物饲养相应的动物，然后再从动物体 内提取稀有贵金属。
c f
kacw ke kg
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t
(3)
cf
kacw ke
1
exp
3XX化学系第三章有机物和重金属在生物体内的富集
每次使用都能保持长时间有效。 • 能渗透过害虫表层的蜡质层，
进入害虫体内将其麻醉。 • 对人类毒性很低。
DDT作用机理：是钠离子通道保持开放从而束 缚昆虫的神经细胞，这反而使其神经不受控制 地保持兴奋。
DDT失效：害虫很快产生抗药性。 DDT抗药性原因：害虫DDT酶催化DTT去氯化
氢反应生成DDE。
常用毒性大的： 对硫磷（1605）（parathion）、
甲基对硫磷（parathion methyl）
甲基内吸磷（1059）（demeton methyl）
毒性中等的： 敌敌畏（dichlorphos）
低毒的：
敌百虫（trichlorfon）
乐果（dimethoate）
马拉硫磷（malathion）等。
• 如Hg和Cd的致毒浓度范围低至0.001～0.01ppm （1－10ppb），它们能在生物体内逐步地、成千上万 倍地富集，如扇贝对Cd的富集因数高达22600，最后 可以通过食物链进入人体器官中积蓄起来。
瑞典某一汞污染的水域 生动物体内汞含量为0.3ppm 吃这种生动物的瑞典白鱼的汞含量3.1ppm 捕食瑞典白鱼的梭子鱼体内的汞含量高达5.8ppm 而人长期食用含汞5～6ppm的鱼就可能死亡。
对硫磷
3.6
（杀虫剂）
士的宁 尼古丁 黄曲霉素B 二噁英 肉毒毒素
2 1 0.009 0.001 0.000 01
有机化合物在水生生物体内的富集原理： 过去：通过食物链方式进行营养迁移，或生
物放大作用进行的 1971年：通过水和血液中脂肪层两相之间的
平衡交换方式进行的
辛醇-水分配系数（Kow）： 有机物在水中的低溶解度可以通过它们对相
TCDD对哺乳动物也具有较大的毒性，表现为急性、慢 性和急慢性效应，在急性发作期间，肝是主要的受害器官。为 人类可疑化学致癌物。
进入害虫体内将其麻醉。 • 对人类毒性很低。
DDT作用机理：是钠离子通道保持开放从而束 缚昆虫的神经细胞，这反而使其神经不受控制 地保持兴奋。
DDT失效：害虫很快产生抗药性。 DDT抗药性原因：害虫DDT酶催化DTT去氯化
氢反应生成DDE。
常用毒性大的： 对硫磷（1605）（parathion）、
甲基对硫磷（parathion methyl）
甲基内吸磷（1059）（demeton methyl）
毒性中等的： 敌敌畏（dichlorphos）
低毒的：
敌百虫（trichlorfon）
乐果（dimethoate）
马拉硫磷（malathion）等。
• 如Hg和Cd的致毒浓度范围低至0.001～0.01ppm （1－10ppb），它们能在生物体内逐步地、成千上万 倍地富集，如扇贝对Cd的富集因数高达22600，最后 可以通过食物链进入人体器官中积蓄起来。
瑞典某一汞污染的水域 生动物体内汞含量为0.3ppm 吃这种生动物的瑞典白鱼的汞含量3.1ppm 捕食瑞典白鱼的梭子鱼体内的汞含量高达5.8ppm 而人长期食用含汞5～6ppm的鱼就可能死亡。
对硫磷
3.6
（杀虫剂）
士的宁 尼古丁 黄曲霉素B 二噁英 肉毒毒素
2 1 0.009 0.001 0.000 01
有机化合物在水生生物体内的富集原理： 过去：通过食物链方式进行营养迁移，或生
物放大作用进行的 1971年：通过水和血液中脂肪层两相之间的
平衡交换方式进行的
辛醇-水分配系数（Kow）： 有机物在水中的低溶解度可以通过它们对相
TCDD对哺乳动物也具有较大的毒性，表现为急性、慢 性和急慢性效应，在急性发作期间，肝是主要的受害器官。为 人类可疑化学致癌物。
第三章_生物富集ppt课件
球果蔊菜（Cr，As）
•
Cu ）
芥菜（Pb，Cr、Cd、Ni、Zn，
圆锥南芥（Cd）
长绒毛委陵菜（Zn）
二、污染物的性质
污染物的性质主要包括污染物的价态、形态、结构形
式、相对分子量、溶解度或溶解性质、稳定性（物理、化学、
生物）、在溶液中的扩散能力和在生物体内的迁移能力。
1）、化学稳定性和脂溶性是富集的重要条件。 化学性质稳定的物质，其理化性质能在环境中和生物体
氨基酸：1）、含有羧基和氨基，它们都能与金属相结合 而形成金属螯合物。 2）、许多氨基酸还含有一N基、一SH 基等，也都能与金属结合形成复杂的金属螯合环。
在能与重金属结合的蛋白质中，最重要的是金属硫蛋白及 类金属硫蛋白。
• （3）脂类含有极性酯键，这类酯键能和金属离子结
合而形成络合物或螯合物，从而把重金属贮存在脂肪内。
• 苦草（2种）＞黑藻＞喜旱莲子草＞大藻＞心叶水车前＞ 水车前。
海洋生物比淡水生物所富集的砷要多得多。各种淡水鱼的 砷的富集系数3—30和10一40。海洋生物砷的富集系数则比 这些淡水鱼及甲壳动物要高出10—100倍
5)、超积累植物
重金属超量积累植物：植物能超量吸收和积累重金属 这
类植物有三个主要特征：
•
第二节 生物富集的机制
•
第三节 生物富集的研究方法
第二节 生物富集机制
影响生物富集的因素很多：生物种的生物学特 性、污染物的性质、生物器官和组织、污染物的 浓度和作用时间，以及环境特点是主要的、决定 性的因素。
一、生物种的生物学特性
1）生物体内能与污染物结合的物质
不同种的生物对物质的富集程度是不一样的。 生物富集主要决定于生物本身的特性，特别是生物 体内存在的、能与污染物结合而形成稳定化合物的某类物质 的活性强弱和数量多少。生物体内凡是能和污染物形成稳定 结合物的物质，都能增加生物富集量。生物体内有很多组分 都能和污染物特别是重金属相结合而形成稳定的结合物，从 而消除或化解重金属的毒害作用。 这类物质有糖类、蛋白质、氨基酸、脂类、核酸等。
生物富集课件PPT
生物富集的过程
吸收
生物通过摄食、呼吸等途径将环境中的有毒有 害物质摄入体内。
代谢
生物体内的酶等物质对有毒有害物质进行分解 、转化等代谢过程。
储存
经过代谢后的有毒有害物质在生物体内储存， 积累到一定浓度。
生物富集的影响因素
1 2
3
物质性质
有毒有害物质的理化性质、溶解度、稳定性等影响其在环境 中的分布和迁移转化。
改善土壤质量。
水体净化
通过生物富集技术净化水体，降 低水中有毒有害物质的含量，保
障饮用水安全。
生态恢复
利用生物富集技术恢复受损生态 系统，提高生态系统的稳定性和
生态服务功能。
废弃物资源化利用
通过生物富集技术将废弃物转化 为有价值的产品，实现废弃物的
资源化利用。
THANKS
生物富集的原理涉及到生物体内 物质浓度的变化，以及这些物质 在生物体内的分布和动态变化。
生物富集的机制
吸收机制
生物通过摄食、呼吸等途径吸收环境中的物质，进入体内后经过代谢转化，最终以有机物的形式 储存于体内。
转化机制
生物体内物质经过代谢转化，将外源物质转化为其他形式或排出体外。
积累机制
生物体内物质经过吸收和转化后，会在体内积累，达到较高浓度。
生物富集的生物体往往对环境变化的 适应性较差，如温度、湿度、光照等 ，这可能导致生物富集的效率降低。
富集效果不稳定
生物体的富集容量有限，超过一定 度可能会导致生物体的生长和繁殖受 到抑制。
富集速度慢
生物富集需要一定的时间，因为生物 体需要吸收和积累足够的污染物才能 达到有效的富集水平。
富集容量有限
借助物联网、大数据和人工智能等技 术，构建智能化生物富集系统，实现 实时监测、自动控制和优化管理。
生物富集作用举例说明
生物富集作用举例说明
嘿，咱来说说生物富集作用啊！你知道吗，这就好比是一场特别的“接力赛”。
比如说水里有一点点污染物，就像一个小不点儿。
水里的浮游生物可能就不小心把它给“接住”了，这浮游生物被小鱼吃了，哎呀，那污染物就到小鱼身体里啦。
然后呢，大鱼又把小鱼吃了，这污染物就像坐了趟“直通车”，在大鱼身体里越积越多。
咱想想啊，要是水里就那么一丁点儿污染物，经过这一层层的“传递”，到了大鱼身体里那可不得了啦！这就像滚雪球一样，越滚越大。
再打个比方，就像咱吃的那些蔬菜水果。
如果土壤里有农药残留啥的，那这些蔬菜水果吸收了，咱再吃下去，那不就等于把那些不好的东西也吃进咱身体里啦？这多吓人呀！
你说这生物富集作用是不是挺神奇的？就这么不知不觉地，那些有害物质就从一点点变得很多很多。
就好像一只小蚂蚁，最后变成了一只大象！
那在咱生活中，可得注意啦！那些受污染的水咱可别喝，受污染的食物咱也得小心。
不然呀，那些有害物质都跑到咱身体里“安营扎寨”了，那可麻烦大了。
像有些地方，河水被污染得厉害，那河里的鱼能吃吗？肯定得好好想想呀！还有那些用了很多农药的蔬菜，吃之前是不是得好好洗洗？这都是为了咱自己的健康着想啊！
你看，这生物富集作用虽然看不见摸不着，但它就在我们身边悄悄发生着。
咱得有双“火眼金睛”，学会辨别，保护好自己。
别让那些不好的东西通过这个“接力赛”跑到咱身体里来搞破坏。
总之，生物富集作用可不是闹着玩的，咱得重视起来，对自己的健康负责呀！这可不是开玩笑的事儿，咱得认真对待，不然最后吃亏的可是自己哟！
原创不易，请尊重原创，谢谢!。
富集作用
20世纪初期开始，人们发现该地区的水稻普遍生长不良。1931年又出现了一 种怪病，患者大多是妇女，病症表现为腰、手、脚等关节疼痛。病症持续几 年后，患者全身各部位会发生神经痛、骨痛现象，行动困难，甚至呼吸都会 带来难以忍受的痛苦。到了患病后期，患者骨骼软化、萎缩，四肢弯曲，脊 柱变形，骨质松脆，就连咳嗽都能引起骨折。患者不能进食，疼痛无比，常 常大叫“痛死了！”“痛死了！”有的人因无法忍受痛苦而自杀。这种病由 此得名为“骨癌病”或“痛痛病”
这种“怪病”就是日后轰动世界的“水俣病”，是最早出现的由于工 业废水排放污染造成的公害病。“水俣病”的罪魁祸首是当时处于世 界化工业尖端技术的氮（N）生产企业。氯乙烯和醋酸乙烯在制造过 程中要使用含汞（Hg）的催化剂，这使排放的废水含有大量的汞。当 汞 物质在只水要中有被挖水耳生勺物的食一用半后大，小会就转可化以成致甲人基于汞死（C命H，3H而g当Cl时）由。于这氮种的剧持毒 续生产已使水俣湾的甲基汞含量达到了足以毒死回本全国人口2次都有 余的程度。
制作人: 陈杰 （南师泰院）
有毒有害物质的生物富集事例
水俣病
痛病
水俣病
水俣病是世界上最典型的公害病之一。 “水俣病”于1953年首先在日本九州熊 本县水俣镇发生，当时由于病因不明，故 称之为水俣病。
日本熊本县水俣湾外围的“不知火海”是被九州本土和天草诸岛围起 来的内海，那里海产丰富，是渔民们赖以生存的主要渔场。水俣镇是 水俣湾东部的一个小镇，有4万多人居住，周围的村庄还（居）住着1 万多农民和渔民。“不知火海”丰富的渔产使小镇格外兴旺。
化学污染物沿着食物链积累三个条件
化学物质在环境中相对比较稳定 化学物质是生物能够吸收的 化学物质不被生物代谢过程中所分解
人类在改造自然的过程中，不可避免地会 向生态系统排放有毒有害物质（大部分为 化学物质），这些物质会在生态系统中循 环，并通过富集作用积累在食物链最顶端 的生物上（最顶端的生物往往是人） 。
这种“怪病”就是日后轰动世界的“水俣病”，是最早出现的由于工 业废水排放污染造成的公害病。“水俣病”的罪魁祸首是当时处于世 界化工业尖端技术的氮（N）生产企业。氯乙烯和醋酸乙烯在制造过 程中要使用含汞（Hg）的催化剂，这使排放的废水含有大量的汞。当 汞 物质在只水要中有被挖水耳生勺物的食一用半后大，小会就转可化以成致甲人基于汞死（C命H，3H而g当Cl时）由。于这氮种的剧持毒 续生产已使水俣湾的甲基汞含量达到了足以毒死回本全国人口2次都有 余的程度。
制作人: 陈杰 （南师泰院）
有毒有害物质的生物富集事例
水俣病
痛病
水俣病
水俣病是世界上最典型的公害病之一。 “水俣病”于1953年首先在日本九州熊 本县水俣镇发生，当时由于病因不明，故 称之为水俣病。
日本熊本县水俣湾外围的“不知火海”是被九州本土和天草诸岛围起 来的内海，那里海产丰富，是渔民们赖以生存的主要渔场。水俣镇是 水俣湾东部的一个小镇，有4万多人居住，周围的村庄还（居）住着1 万多农民和渔民。“不知火海”丰富的渔产使小镇格外兴旺。
化学污染物沿着食物链积累三个条件
化学物质在环境中相对比较稳定 化学物质是生物能够吸收的 化学物质不被生物代谢过程中所分解
人类在改造自然的过程中，不可避免地会 向生态系统排放有毒有害物质（大部分为 化学物质），这些物质会在生态系统中循 环，并通过富集作用积累在食物链最顶端 的生物上（最顶端的生物往往是人） 。
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Ra=kacw
Re=-kecf
式中：
Rg=-kgcf
ka、 ke、 kg——水生生物吸收、消除、生长的速率常数；
cw、cf——水及生物体内的瞬时物质浓度。
一、生物富集
水生生物富集速率微分方程为：
一、生物富集
则水生生物富集速率方程为：
说明在一定条件下生物浓缩系数有一闽值。此时，水生生物富 集达到动态平衡。生物浓缩系数常指生物富集到达平衡时的BCF值， 并可由实验得到。
当上式右端项大于1时，食物链上从饵料生物至捕食 生物才会呈现生物放大。通常Wi,i-1＞kgi，因而对于同种 生物来说， 小和 越大的物质，生物放大也越显著。
第五章 生物体内污染物质的 运动过程及毒性
第四节 污染物质的生物转化
• 一、生物转化中的酶 • 二、若干重要辅酶的功能 • 三、生物氧化中的氢传递过程 • 四、耗氧有机污染物质的微生物降解 • 五、有毒有机污染物质生物转化类型 • 六、有毒有机污染物质的微生物降解 • 七、氮及硫的微生物转化 • 八、重金属元素的微生物转化 • 九、污染物质的生物转化速率
光照状况等。 一般，重金属元素和许多氯化碳氢化合物、稠环、杂环等有
机化合物具有很高的生物浓缩系数。
一、生物富集
从动力学观点来看，水生生物对水中难降解物质的富集 速率，是生物对其吸收速率、消除速率及由生物机体质量 增长引起的物质稀释速率的代数和。
吸收速率(Ra)、消除速率(Re)及稀释速率(Rg)的表示式为：
其通式为：
二、生物放大
生物放大是指在同一食物链上的高营养级生物，通过吞食低营养
级生物蓄积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。 ❖ 生物放大的程度也用生物浓缩系数表示。生物放大的结果，可使食 物链上的高营养级生物体内这种元素或物质的浓度超过周围环境中的 浓度。 ❖ 生物放大并不是在所有条件下都能发生。据文献报道，有些物质只 能沿食物链传递，不能沿食物链放大；有些物质既不能沿食物链传递， 也不能沿食物链放大。
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。
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， 结构式如图5—2
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(水、土壤、
大气)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。
生物积累也用生物浓缩系数表示。
三、生物积累
以水生生物对某物质的生物积累而论．其微分速率方 程可以表示为：此式表明，食物链上水生生物对某物质的积累速率
二、若干重要辅酶的功能
1．FMN和FAD
二、若干重要辅酶的功能
2．NAD+和NADP+
辅酶NAD+和DADP+又分别称为辅酶I和辅酶Ⅱ，依次是烟酰胺腺 嘌呤二核苷酸和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸的缩写，结构式如图5—3 所示。
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。
• 三、生物积累
上列式子表明，生物积累的物质浓度中，一项是从水中摄得的浓度，另 一项是从食物链传递得到的浓度。这二项的对比，反映出相应的生物官集 和生物放大在生物积累达到平衡时的贡献大小。
Байду номын сангаас、生物积累
另外，可知 的关系为
一、生物富集
生物浓缩系数可以是个位到万位级，甚至更高。
其大小与下列三个方面的影响因素有关:
在物质性质方面: 降解性、脂溶性和水溶性。一般，降解
性小、脂溶性高、水溶性低的物质，生物浓缩系数高；反之， 则低。
在生物特征方面: 生物种类、大小、性别、器官、生物发
育阶段等。
在环境条件方面: 温度、盐度、水硬度、pH值、氧含量和
第四节 污染物质的生物转化
物质在生物作用下经受的化学变化，称为生 物转化或代谢(转化)。
生物转化、化学转化和光化学转化构成了污 染物质在环境中的三大主要转化类型。 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。
其中，在酶催化下发生转化的物质称为底物或基质； 底物所发生的转化称为酶促反应。
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。
一、生物转化中的酶
酶的种类很多，已知的酶有2X103多种。 酶按照成分：分为单成分酶和双成分酶两大类。 单成分酶：只含有蛋白质，如脲酶、蛋白酶。 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。
一、生物富集
水生生物对水中物质的富集是一个复杂过程。但是对于有较高脂溶 性和较低水溶性的、以被动扩散通过生物膜的难降解有机物质，这一 过程的机理可简示为该类物质在水和生物脂肪组织两相间的分配作用。
人们以正辛醇作为水生生物脂肪组织代用品，发现这些有机物质在 辛酪—水两相分配系数的对数(lgKow)与其在水生生物体中浓缩系数 的对数(lgBCF)之间有良好的线性正相关关系。
第三节 污染物质的生物富集、放大和积累
•
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(水、
土壤、大气)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。
生物富集用生物浓缩系数表示，即：
BCF=cb／ce 式中：BCF——生物浓缩系数； • cb—某种元素或难降解物质在机体中的浓度； • ce—某种元素或难降解物质在机体周围环境中的浓度
一、生物转化中的酶
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 2X1012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1X1010倍。一般，酶催化反应的速率 比化学催化剂高107一1013倍。