环境毒理学(1)

络合作用
+组氨酸的咪唑基的N
配位作用
+甘氨酸的氨基
配位作用
▪Hg 形成C- Hg +生物大分子的氨基、羧基、羰基、咪唑基、嘌呤基、嘧啶基、磷酸基等重要基团 共价键 细胞结构和功能改变、损伤
甲基Hg +脑中的缩醛脂 溶血磷脂
溶解细胞膜
环境毒理学(1)
金属对Hg毒性的抑制 Se
Se与Hg拮抗作用 Se与Hg的键合方式：-S-Se-Hg-阴离子
环境毒理学(1)
影响汞甲基化的环境化学因素有：
1、厌氧性微生物的活动。
厌氧性微生物活动需要厌氧环境，但汞的甲基化 过在程微，生主物要细是胞依外靠进微行生，物不的需代要谢厌产氧物环(境甲。基维生素B12)
2、pH值 水体中总甲基化取决于水的pH值 pH大，微生物以制造二甲基汞为主，此化合物
在水中不稳定，不溶于水，却易挥发，逸入大气，
环境毒理学(1)
吸附作用
水中胶体对汞有强烈的吸附作用。吸附 能力的强弱顺序：
硫醇 > 伊利石 > 蒙脱石 > 胺类化合物 > 高岭石> 含羟基的化合物 >细砂
胶体：絮状物、悬浮状、底泥
氯离子使胶体吸附汞作用明显减弱，但 是腐殖质吸附汞不受影响。
环境毒理学(1)
- 络合反应
Hg2+＋nXRHg+＋X-
生物半减期58天
无机Hg +体内汞基蛋白 胆汁
肠道
排出
肾脏（主要） +体内低分子物质
低分子蛋白结合物
尿 排出
+
织
肠道 血液和组 再吸收，重新进入
生物半减期40天
甲基Hg
胆汁
肠道 肠肝循环 主要肠道垂吸收，进入
肾脏 10%
排出 无机汞 微生物降解 粪便排出
生物半减期70天
环境毒理学(1)
Hg由肾脏、胆汁排出速度较快 进入脑、睾丸、甲状腺、垂体等处的Hg 释放很慢。 经由呼吸道、汗腺、乳腺、唾液腺、皮 脂腺、毛囊和胎盘等处排出少量Hg
皮肤
不同形态的Hg，进入体内的主要途径不同，其 吸收率主要取决于溶解度.
Hg金属： 高度弥散性和脂溶性
脂/水分配系数 75 ：1
Hg（蒸气）→ 呼吸道 70-80% 肺泡膜 透过 血中的红 细胞和其他细胞 血流 全身
Hg金属 无机Hg化合物 有机Hg
消化道吸收比率 <0.01 % 5-15%
90%
- 淹水土壤则是另一情况， 如水稻土。当 土壤内积水时，在水下形成还原环境，有 机物不能完全分解而产生硫化氢，当施用 硫酸铵肥料时，由于硫还原细菌的作用， 也大量生成硫化氢。在含硫化氢的还原环 境中，镉多以CdS的形式存在于土壤中， 而溶解度下降形成难溶性CdS形态。所以， 在单一种植水稻的土壤中CdS积累将占优 势。
合金、焊接、玻璃陶器、油漆颜料、光 电池、化肥、农药等
环境毒理学(1)
三、 Cd的环境转归
- 镉的迁移转化：地壳中含量约0.2ppm，土壤 中一般含量0.4ppm,镉污染土壤可高达数十 ppm.
- 重金属元素镉一旦进入土壤便会长时间滞留 在耕作层中。由于它移动缓慢，故一般不会 对地下水产生污染。
- 土壤中镉的存在形态分为水溶性和非水溶性
中国 地面水无机Hg化合物 <1 ug/L
环境毒理学(1)
第二节 镉
一、类型
以化合态存在 氧化镉 硫化镉（CdS） 硝酸镉[Cd(NO3 ) 2 ] 硫酸镉(CdSO4 )等
主要存在于固体颗粒中
环境毒理学(1)
二、Cd的来源
- 人为活动产生的废水、废气、废渣排放 - 铅锌矿开采 - 工业生产：有色金属冶炼、电镀、电器、
抑制脑中的ATP合成 +磷酸甘油变位酶、烯醇化酶、丙酮酸激酶、丙酮酸脱氢酶的巯基
硫醇盐 +细胞线粒体内的谷胱甘肽的巯基
氧化还原功能完全丧失
蛋白质分子结构扭曲变形 +白蛋白和球蛋白疏水部分的巯基
作用于线粒体内膜 氧化磷酸化解偶联 ATP减少
环境毒理学(1)
❖ 当Hg2+对蛋白质的数量超过巯基
Hg2+ +蛋氨酸的N、O键合
环境毒理学(1)
五、Hg毒作用及其机理
Hg毒作用
Hg金属 血液 血脑屏障 脑组织 氧化
Hg2+ +蛋白质 脑损害
可溶性无机Hg +金属硫蛋白 蓄积在肾、肝 （靶器官）
甲基Hg
血液
脑 抑制脑中蛋白质的活性和ATP产生
中枢神经系统中毒
环境毒理学(1)
- Hg毒作用的分子基础及机理
Hg 蛋白质结构与活性改变 2+ +蛋白质的-SH或二巯基（-S-S-） Hg +生物大分子的氨基、羧基、羰基、咪唑基、嘌呤基、嘧啶基、磷酸基等重要基团
环境毒理学(1)
- 无毒性稳定性元素 该类元素的地球化学性质稳定，多呈
氧化矿物或自然元素状态产出，并多数 呈副矿物。由于它们在地壳中含量极低， 故在生物体内的含量极微，至今未见到 它们对生物体有毒性的报道。它们包括： Ti、Zr、Hf、Sc、Y、Nb、Ta、Ru、 Os、Rb、Ir、Pd、Pt、Ag、Au。
-S-Se-Hg-Hg-Se-S在体内形成无活性的化合物
Zn
Hg + Zn2+诱导的金属硫蛋白中半氨酸的巯基 保护高分子组分中的重要基团
环境毒理学(1)
六、Hg的环境标准
世界卫生组织（WHO） 鱼体 < 0.5ug/kg 淡水 < 0.05 ug/L
日本 水体总Hg <0.5 ug/L 排放Hg < 5 ug/L 烷基 不得检出
⑵ 生命必需元素：它们是人体维持正常机能 所必需的元素Fe、Cu、Zn、Mn、Co、I、Mo、 Se、F、Cr、V、Ni、Br，约占人体重量的 0.025%，它们在人体中的不足或过剩都会影 响健康，甚至危及生命。
环境毒理学(1)
- 毒性元素
指对生物有毒性而无生物功能的元素。 自然界中，这些元素多数形成硫化物矿 物,除Be以外，其原子序数均比较大。 不同的元素对不同的生物其致毒量是不 同的。该类元素又可分为两类：
甲基汞的降解有化学和生物两种途径。 1、 化学降解
CH3HgS- hν CH3·+HgS CH3HgS R hν CH3·+RS·+Hg (CH3)2Hg hν 2CH3+Hg CH3·和一个H原子生成甲烷，或成对为乙烷。
环境毒理学(1)
2、 生物降解
- 微生物对汞的反甲基化作用 微生物分解甲基汞为甲烷和元素汞 分解二甲基汞为甲烷、乙烷和元素汞
- 汞的生物降解(反甲基化作用)是靠生物吸收，并在生物体内依靠 酶系统的作用使其分解为甲烷和金属汞。由于汞和硫的亲和力， 甲基汞常与半胱氨酸结合为复合物。其过程如下：
环境毒理学(1)
- 甲基汞是强脂溶性化合物，几乎可被生物体完全 吸收，难分解排泄，在动物体内蓄积，通过食物 链而逐级富集，如：其在鱼体内的半衰期是70天。 在鱼体内的甲基汞不易清除，因而它具有很大的 潜在毒性。
合
苯基和甲氧烷基Hg 降解 无机Hg2+ 甲基Hg 降解 无机Hg2+
但反应要慢的多
各种无机或有机Hg
甲基Hg
而： 二甲基Hg 肠道微生物 甲基Hg
体外
Hg2+
Hg的纯蛋白 置换肝脏细胞金属硫蛋白上Zn,Cd
+含巯基非组蛋白
Hg2+ 纯蛋白
但在体内很难进行这两种反应
环境毒理学(1)
排泄
Hg金属（蒸汽）主要 肾脏 尿 排出
环境毒理学(1)
⑴毒性元素：Cd、Cr、Ge、Sb、Te、Hg、 Pb、Ga、In、As、Sn、Li。严格说来， 几乎每一种元素当人们对它的摄取(或 误服)过量都会产生毒性。上面所列的 毒性元素是指它们对生物体无有益作用， 而只有毒性。
⑵潜在毒性和放射性元素： Be、Tl、Th、 U、Po、Ra、Sr、Ba。
环境毒理学(1)
二、Hg的来源
Hg矿和风化来源； 煤和石油的燃烧； 含Hg金属矿的冶炼； 工业排放含Hg废水； 施用含Hg农药；
环境毒理学(1)
三、Hg的环境转归
- 含汞废水排入天然水体后，常以一价离 子(Hg+)、二价离子(Hg2+)、原子汞(Hg) 和氧化汞(HgO)形式存在。水溶性汞易 被水中微粒吸附，并因此而沉淀。只有 少量汞存在于水中。
环境毒理学(1)
- 两性元素 两性元素指的是B。其氧化物具弱酸
性，对人体无明显中毒现象。
环境毒理学(1)
化学元素从环节到有机体作用路线示意图
环境毒理学(1)
第一节 汞
金属中毒性较高的元素之一。
一、类型：
Hg： 无机汞化合物：硫化汞（HgS）、升汞（HgCl2 ）、
甘汞（ Hg2Cl2 ）、溴化汞（HgBr）、 硝酸汞（Hg(NO3 ) 2、砷酸汞（HgHAsO4 ）、 雷汞（ Hg(CNO ) 2 有机汞化合物：甲基汞[(CH3)2Hg] 、乙基汞[(C2H5)2Hg] 、 氯化甲基汞（ CH3HgCl ）、 醋酸苯汞（CH3COOHgC6H5）等
- 环境中的甲基汞的存在形态以氯化物、碘化物、 溴但化是物具为有4主个，该即原C子H3以Hg上C的l、烷C基H3汞H没gI、有直CH接3H毒g性Br。， 据研究，在烷基汞系列中只有甲基汞、乙基汞和 丙基汞三种最低级的烷基汞是日本水俣病的致病 性物质。
环境毒理学(1)
- 汞在环境中的迁移循环 汞进入水体后，经过物理化学、
环境毒理学(1)
- 分布
红细胞携带
Hg（蒸气） 血脑屏障
血液
肾、肝、心等脏器和组织 中枢神经系统 身体其他部位
无机 Hg
与血浆蛋白结合
70-80%与硫蛋白结合 与硫蛋白结合
肾近曲小管 肝、脾等
有机Hg 血脑屏障 中枢神经系统 红细胞携带 肾、肝、心等脏器和组织
环境毒理学(1)
- 代谢 体内 Hg金属 进入 红细胞及肝细胞 氧化 Hg2+ +低分子化合物（巯基蛋白等）或阴离子等结
环境毒理学(1)
2020/11/23
环境毒理学(1)
戎秋涛等在《环境地球化学》一书中所 采用的分类是将元素分为四类：
- 生命元素包括两组元素：
⑴ 生命组成元素：它们在人体及生物体中的 含量最高，可占人体的99%以上，主要是元素 周期表中原子序数小的元素，包括：H、C、N、 O、Ca、P、K、S、Cl、Na、Mg、Si；
pH低，微生物以制造甲基汞为主，此化合物溶 于水中，能在水中保持，被鱼、贝类吸收。
3、硫化物： 硫化物阻碍汞的甲基化，但如果在氧 充足的水体中，硫化汞可形成甲基汞。但硫化汞的甲 基化比汞离子的甲基化要缓慢得多，二者的比率为 10-3:1。
4、微生物数量、营养物质、温度
环境毒理学(1)
- 去甲基化作用
镉。离子态CdCl2、Cd（NO2）2、CdCO3和络合 态的如Cd（OH）2呈水溶性的，易迁移，可被 植物吸收，而难溶性镉的化合物如镉沉淀物、
胶体吸附态镉等为难溶性镉，不易迁移和为
植物吸收。但两种形态在一定条件下可相互
转化。
环境毒理学(1)
- 在旱地土壤中多以CdCO2、Cd3（PO4）2和Cd （OH）2形态存在，其中以CdCO3为主，尤 其是在pH大于7的石灰性土壤中明显。
细胞结构和功能改变、损伤
环境毒理学(1)
Hg 蛋白质结构与活性改变 ▪
2+ +蛋白质的-SH或二巯基（-S-S-）
❖甲基Hg 吸收入血 红细胞膜的脂类吸收 进入红细胞 +血红蛋白
的巯基 随血 血脑屏障 脑组织 Nhomakorabea+δ-氨基-γ- 酮戊酸脱水酶 影响乙酰碱胆合成
干扰大脑丙酮酸的代谢 +硫辛酸、泛酰硫氢乙胺和辅酶A的巯基
化学、生物等作用，或沉于底泥，或溶 于水中，或富集于生物体，或挥发到大 气中，从而构成汞在环境中的循环。
砷化物亦可在微生物作用下发生甲基化， 形成二甲砷[(CH3) 2AsH],它们通过食物 链，转入生物体内，可能引起食物污染。
环境毒理学(1)
四、Hg在体内的代谢
- 吸收
消化道
Hg及化合物 呼吸道 进入人体
HgXn2-n RHgX
X —— Cl-、Br-、OH-、NH3-、CN-、S2-等阴离子， R —— 甲基、苯基等。
络合作用较强的负离子有S2-、HS-及含SH-的有机物。
存在H2S时，甲基汞以(CH3Hg)2S和CH3HgS-形态存在， 络合能力很强。
环境毒理学(1)
❖ 甲基化反应
无机汞 微生物的作用 甲基汞
水体和淡水淤泥中的厌氧细菌能够产生甲烷， 使无机汞甲基化。其反应式如下：
HgCl2+CH4 微生物 低汞污染，pH<7时
高汞污染，pH≥7时
CH3HgCl+HCl 产生甲基汞(CH3HgCl) ； 产生二甲基汞[(CH3) 2Hg]
生态系统中，甲基汞通过食物链在生物体内富 集，富集水平较高，进入人体造成更大危害。
天然水溶液在非生物作用下，只要存在甲基给 予体，汞也可以甲基化。在一些动物体内也存在甲 基化过程。
环境毒理学(1)
日本的水俣病由甲基汞引起的。20世纪50年 代初期，日本熊本县的水俣地区，由于建立了生 产化肥和有机原料的工厂，在生产氯乙烯和醋酸 乙烯时需分别用氯化汞和硫酸汞作催化剂，大量 的含汞废水排入附近水体，在细菌的作用下，水 体中的无机汞转化为甲基汞。甲基汞又通过食物 链的富集作用，使当地的鱼类含汞量过高，最后 进入人体，发生了因有机汞中毒而引起的水俣病。