环境化学：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
第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性本章重点：1、污染物的生物富集、放大和堆集2、耗氧和有毒有机物的微生物降解3、元素的微生物转化4、微生物对污染物的转化速率5、毒物的毒性、联合作用、致突变、致癌及按捺酶活性等作用第一节物质通过生物膜的方式一、生物膜的布局：1、生物膜是由磷脂双分子层和蛋白质镶嵌组成的、厚度为75-100Å的流动变更复杂体。
2、蛋白质的生理功能：载体作用，转运膜表里物质催化作用，如酶能量转换作用3、膜孔：带极性，含水的微小孔道二、物质通过生物膜的方式〔共5种〕：1、膜孔滤过动力：膜两侧静水压及渗透压限制条件：直径小于膜孔的水溶性物质2、被动扩散脂溶性物质顺浓度梯度〔高低〕扩散通过生物膜。
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。
该过程受载体及其数量制约，呈现特异性选择4、主动转运：与被动易化扩散相反特征：消耗代谢能量，具有特异性选择5、胞吞和胞饮：物质与膜上特定蛋白质有特殊亲和力，当其与膜接触后，膜的外表张力改变，引起膜外包或内陷进入膜内。
固体胞吞液体胞饮小结：物质以何种方式通过生物膜，主要决定于机体各组织生物膜的特性和物质的布局、理化性质。
〔1〕理化性质包罗 物质的脂溶性、水溶性、解离度、分子大小等。
〔2〕营养物质和代谢物质主要以被动易化扩散和主动转运进入生物膜〔3.〕大大都物质以被动扩散方式通过生物膜第二节 污染物质在机体内的转运吸收 转污染物质在机体内 分布 运的运动过程 排泄 消生物转化 除小结：毒物吸收、分布、排泄、蓄积图解呼 吸 摄 吸出 入 入 收尿第三节污染物质的生物富集、放大和堆集一、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的浓度。
生物浓缩系数BCF= C b/Ce影响BCF的因素：物质性质、生物特性、环境因素富集速率的计算：BCF = Cf/Cw=Ka/Ke说明在必然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。
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2、肝胆 • 污染物质的另一个重要排泄途径，是胆汁排泄。 • 胆汁排泄是指主要由消化管及其他途径吸收的污染 物质，经血液到达肝脏后，与胆汁一起分泌→十二 指肠→小肠→大肠→排出体外的过程。 • 少数是原形物质，多数是原形物质在肝脏经代谢转 化而形成的产物。 • 一般水溶性大、脂溶性小的化合物，胆汁排泄好。 • 有些物质由胆汁排泄，在肠道运行中又重新被吸收， 称为肠肝循环。
（2）呼吸管
• 吸收大气污染物的主要途径。
• 其中的大颗粒部分停留在鼻腔、咽喉等部位，通 过喷嚏、进食、吐痰等排出。 • 细颗粒部分可以进入肺部不易复出，其主要吸收 部位是肺泡。
• 肺泡的膜很薄，数量众多，四周布满壁膜极薄、 结构疏松的毛细血管，因此细颗粒中的可溶性部 分经过肺部毛细血管转运进入血液循环。
第二节 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。
一、吸收
（1）消化管：
• 是吸收污染物质最主要的途径。
• 一般通过摄取食物和饮水进入体内。
• 消化管的主要吸收部位在小肠，其次是胃。 • 一般污染物脂溶性越强，浓度越高，被消化道吸收 越快。 • 另外，由于胃酸的分泌，一些弱碱性的有机污染物 在胃中呈极性离子态，水溶性增强，脂溶性变差， 不易被吸收，但是弱酸性的有机污染物在胃中容易 被吸收。
沈国舫院士：加快环境污染与健康研究迫在眉睫 • 中国工程院副院长沈国舫院士在2005年11
月8日由中国工程院主办、中国环境监测总 站承办的“环境污染与健康国际研讨会” 开幕式上指出，环境污染不仅影响到我国 经济社会的可持续发展，也突出的影响到 人民群众的健康和生活质量。加快环境污 染与健康的研究已迫在眉睫。
生物浓缩系数：
《环境化学》课件第五章
《环境化学》 第五章 生物体内污染物质的 运动过程及毒性
三、排泄 (Excretion)
1. 2. 概念：污染物质及其代谢物质向机体外的转运过程。 排泄途径 排泄器官：肾、肝胆、肠、肺、外分泌腺等。 肾排泄：污染物质通过肾随尿而排出的过程。 胆汁排泄：主要由消化管及其他途径吸收的污染物质， 经血液到达肝脏，以原物或其代谢物和胆汁一起分泌 至十二指肠，经小肠至大肠内，再排出体外的过程。
5-18
《环境化学》 第五章 生物体内污染物质的 运动过程及毒性
第二节
污染物质在机体内的转运
(5.2 Transport of Pollutants in Body)
一、吸收 (Absorption) 二、分布 (Distribution) 三、排泄 (Excretion) 四、蓄积 (Accumulation)
5-20
《环境化学》 第五章 生物体内污染物质的 运动过程及毒性
Major Sites of Exposure, Metabolism, and Storage, Routes of Distribution and Elimination of Toxic Substances from the Body
一、生物膜的结构 (Structure of Biofilm) 二、物质通过生物膜的方式 (Mode of Material through Biofilm)
5-6
《环境化学》 第五章 生物体内污染物质的 运动过程及毒性
二、物质通过生物膜的方式 (Mode of Material through Biofilm)
5-27
《环境化学》 第五章 生物体内污染物质的 运动过程及毒性
5. BCF与Kow的关系
5.生物体内污染物质的运动过程及毒性
二、污染物质的生物宫集、放大和积累
1、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 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。 与三个方面的影响因素有关：不同生物、不同物质、不同的环境条件 下，BCF变化很大，可以是个位到万位级，甚至更高。 不同生物的影响因素有生物种类、大小、性别、器官、生物发育阶段 等。如金枪鱼和海绵对铜的浓缩系数，分别是100和1400。 不同物质的主要影响因素是降解性、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。如虹鳟
2、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。可使食物链上高营养级生物 体内这种元素或物质的浓度超过周围环境中的浓度。如1966年有人报 道，美国图尔湖自然保护区内生物群落受到DDT的污染，在位于食物链 顶级，以鱼类为食的水鸟体中DDT浓度，比当地湖水高出约1.0×105～ 1.2×105 倍。在北极地区地衣+北美驯鹿+狼的食物链上，明显存在着 137Cs生物放大现象。
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第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性一、选择题两种毒物死亡率分别是M1和M2，其联合作用的死亡率M＜M1＋M2，这种联合作用属于（）。
A．协同作用B．相加作用C．独立作用D．拮抗作用【答案】D【解析】拮抗作用是指联合作用的毒性小于其中各毒物成分单独作用毒性的总和。
即其中某一毒物成分能促进机体对其他毒物成分的降解加速、排泄加快、吸收减少或产生低毒代谢物等，使混合物毒性降低。
如果用死亡率作为毒性指标，两种毒物单独作用的死亡率分别为M1和M2，则其拮抗作用的死亡率为M＜M1＋M2。
二、填空题1．确定生物富集过程中的BCF值的方法有______、______。
【答案】平衡法；动力学法【解析】生物浓缩系数公式为：BCF＝c b/c e。
式中，BCF为生物浓缩系数；c b为某种元素或难降解物质在机体中的浓度；c e为某种元素或难降解物质在机体周围环境中的浓度。
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k a，k e和k g，然后用BCF＝c f/c w＝k a/（k e＋k g）或BCF＝c f/c w＝k a/k e算得BCF 值。
2．生物转化中的受氢体包括______、______、______三类。
【答案】分子氧；有机底物转化的中间产物；无机含氧化合物【解析】生物转化中，有氧氧化中以分子氧为直接或间接受氢体的氢传递；无氧氧化中有机底物转化中间产物作受氢体的氢传递；无氧氧化中某些无机含氧化合物作受氢体的氢传递。
3．含碳化合物的厌氧分解过程中，在______细菌的作用下，生成______中间产物，然后在______细菌的作用下，生成______。
【答案】产氢菌和产乙酸；乙酸、甲酸、氢气、二氧化碳；产甲烷；甲烷【解析】在无氧氧化条件下糖类、脂肪和蛋白质都可借助产酸菌的作用降解成简单的有机酸、醇等化合物。
如果条件允许，这些有机化合物在产氢菌和产乙酸菌作用下，可被转化为乙酸、甲酸、氢气和二氧化碳，进而经产甲烷菌作用产生甲烷。
《环境化学》生物体内污染物质的运动过程及毒性
湖水藻类鱼水鸟
第三节 污染物质的生物富集、放大和积累
三、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。
生物积累包括生物富集和生物放大
水生生物对某物质的积累速率
=从水中吸收的速率+从食物吸收的速率+本身消除稀释速率
第四节 污染物质的生物转化
污染物在环境中的三大转换类型： 1. 生物转化：物质在生物作用下经受的化学变化 2. 化学转化 3. 光化学转化
第四节 污染物质的生物转化
一、生物转化中的酶
酶：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。
底物：在酶催化下发生转化的物质。
酶促反应：在酶催化作用下底物发生的 转化
重点要求: ✓ 污染物的生物富集、放大和积累 ✓ 耗氧和有毒有机物的微生物降解 ✓ 元素的微生物转化 ✓ 微生物对污染物的转化速率 ✓ 毒物的毒性、联合作用和致突变等作用
第一节 物质通过生物膜的方式
生物膜:蛋白质镶嵌的磷 脂双分子层.
生物膜的结构特点:外侧 为亲水的极性基团，中 央是疏水区。
生物膜的作用:类脂层屏 障，膜上有转运蛋白、 酶或能量转化器。
肝肠循环：物质由胆汁排泄，在肠道运行 中又被重新吸收。
第二节 污染物质在机体内的转
运 四、蓄积：机体对污染物质的吸收超过排泄
及其代谢转化而引起的在体内逐增的现 象，称为生物蓄积。
机体的主要蓄积部位：血浆蛋白、脂肪组织和骨骼
蓄积部位
毒性作用部位
CO 血红蛋白 血红蛋白
DDT 脂肪
神经系统
铅 骨骼
造血系统、神经系统、肠胃
第三节 污染物质的生物富集、 放大和积累
第五章生物环境化学
元素或难降解的物质，使在机体内浓度
超过周围环境中浓度的现象
生物浓缩系数(Bioconcentration Factor) ：
BCF cb / ce
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
水生生物＞1
耗氧有机污染物质(Oxygen-Consuming Organic
Pollutant ):是生物残体、排放废水和废弃物中的糖类、 脂肪和蛋白质等较易生物降解的有机物质。 生物降解(Biodegradation)：有机物质通过生物氧化 以及其他的生物转化，可以变成更小、更简单的分子 过程。，如果有机物质降解成二氧化碳、水等简单无 机化合物，则为彻底降解，矿化（mineralization）； 否则为不彻底降解。
CH3CH(OH)COOH CO2 + CH3CHO CH3CH2OH
兼性厌氧
CO2 + CH3CH2OH
2、脂肪的微生物降解
降解途径：
1）脂肪水解成脂肪酸和甘油；
2）甘油的转化； 3）脂肪酸的转化；
1）脂肪水解成脂肪酸和甘油
2）甘油的转化
3）脂肪酸的转化
(Transformation of Fatty Acid)
4、细胞色素
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，它们的酶蛋白部分不同， 但辅酶都是铁卟啉。见下图
辅酶A是一种转移酶的辅酶，所含的巯基与酰基形成硫酯，
而在酶促反应中起着传递酰基的功能。反应式如下：
三、生物氧化中的氢传递过程 (Hydrogen Transfor Process in Biological Oxidation)
环境化学 生物体内污染物质的运动过程及毒性
第五节
污染物质的毒性
四、毒作用的过程 自机体暴露于某一毒物至其出现毒性，一般 要经过以下三个过程： 过程1，毒物被机体吸收进入体液后，经分布、 代谢转化，并有某一程度的排泄。 过程2，毒物或活性代谢产物与其受体进行原 发反应，使受体改性，随后引起生物化学效 应。 过程3，接着引起一系列病理生理的继发反应。 出现在整体条件下可观察到的毒作用的生理 和(或)行为的反应，即致毒症状。
第五节
污染物质的毒性
毒理学把毒物剂量（浓度）与引起 个体生物学的变化，如脑电、心电、血 象、免疫功能、酶活性等的变化称为效 应； 把引起群体的变化，如肿瘤或其他 损害的发生率、死亡率等变化成为反应。
第五节
污染物质的毒性
物剂量关系到毒物毒作用的快慢。根据剂量 大小所引起毒作用快慢的不同，将毒作用分 为急性、慢性和亚急（亚慢）性三种。 急性毒作用一般用半数有效剂量（ED50）或 半数有效浓度（EC50）来表示。ED50 和EC50分 别是毒物引起一群受试生物的半数产生统一 毒作用所需的毒物剂量和毒物浓度。半数有 效剂量或半数有效浓度，若以死亡率作为毒 作用的观察指标，则称为半数致死剂量 （LD50）或半数致死浓度（LC50）。
第二节污染物质在机体内的转运
二、分布 分布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，再反复等过程。 三、排泄 排泄是污染物质及其代谢物质向机体外的 转运过程。主要排泄器官有肾、肝胆、肠、 肺、外分泌腺等，尤以肾和肝胆为主。 四、蓄积 蓄积指机体长期接触某污染物，若吸收 超过排泄及其代谢转化，则会出现该污染物 在体内逐增的现象，称为生物蓄积。
一、物质通过生物膜的方式 物质通过生物膜的方式主要有五大类： 1.膜孔滤过 2.被动扩散 3.被动易化扩散 4.主动转运 5.胞饮和胞吞
环境化学-5章污染物质的毒性
一般水溶性大、脂溶性小的化合物，胆汁排泄好。
有些物质由胆汁排泄，在肠道运行中又重新被吸收，称为肠肝 循环。
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第二节
污染物质在机体内的转运
四、蓄积 (Accumulation)
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。
机体的主要蓄积部位是血浆蛋白、脂肪组织和骨骼。
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（1）磷脂双分子层
磷脂双分子层既有疏水基团，又有亲水基团。
亲水的头部处于水相，疏水的尾部朝向中央。
（2）蛋白质
根据它们与膜脂相互作用的方式及其在膜中的排列
部位，可以大体分为两类：表在蛋白与内在蛋白。
不同生物膜所具有的不同生物学功能主要是由于所
含膜蛋白的种类和数量不同
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第一节
1、膜孔滤过
一、吸收 (Adsorption) （2）呼吸道（管）
呼吸道是吸收大气污染物的主要途径。
其中的大颗粒部分停留在鼻腔、咽喉等部位，通过喷嚏、进食、
吐痰等排出。 细颗粒部分可以进入肺部不易复出，其主要吸收部位是肺泡。 气态污染物不仅危害上呼吸道，也可以在肺泡上积累，并进入 血液中。
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第二节
吸收速率常数Ka越大，越容易富集，吸收速率Ra越
大，Ra = ka . cw
消除速率常数Ke越大，越不易富集，消除速率Re越
大，Re = -ke . cf
稀释速率常数Kg越大，富集浓度越小，稀释速率Rg
越大，Rg = -kg . cf
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于是水生生物富集速率微分方程为：
dcf /dt = ka . cw — ke . cf — kg . cg
第五章 生物体内污染物质的运动过程及毒性解答.doc
第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性一、概念1、生物富集 (bio-concentration)，又称生物浓缩，是生物有机体或处于同一营养级上的许多生物种群，从周围环境中蓄积某种元素或难分解化合物，使生物有机体内该物质的浓度超过环境中的浓度的现象。
2、生物浓缩系数：生物富集常用富集系数或浓缩系数即生物体内污染物的平衡浓度与其生存环境中该污染物浓度的比值来表示。
3、生物放大：生物放大指某些在自然界不能降解或难降解的化学物质，在环境中通过食物链的延长和营养级的增加在生物体内逐级富集，浓度越来越大的现象。
4、生物积累（bioaccumulate）：生物在其整个代谢活跃期内都在通过吸收、吸附、吞食等各种过程，从周围环境中蓄积某些元素或难分解的化合物，以致随生物的生长发育，浓缩系数不断增大，这种现象称为生物积累（又称生物学积累），生物积累的程度用浓缩系数表示。
生物积累、生物浓缩和生物放大三个概念，既有联系，又有区别。
生物积累指同一生物个体在其整个代谢活跃期中的不同阶段，机体内来自环境的元素或难分解化合物的浓缩系数不断增加的现象；生物浓缩指生物机体通过对环境中元素或难分解化合物的浓缩，使这种物质在生物体内的浓度超过环境中浓度的现象；生物放大指在同一食物链上，高位营养级生物机体内来自环境的元素或难分解化合物的浓缩系数比低位营养级生物增加的现象。
5、汞的甲基化：汞的甲基化分为生物甲基化和非生物甲基化两种途径。
生物甲基化是指在微生物的存在下，通过甲基钴胺素作用将无机汞转化为甲基汞的过程；非生物甲基化是指在光的作用下，甲基供体(乙酸根、碘甲烷和氨基酸等)将无机汞转化为甲基汞的过程。
甲基汞的毒性比无机汞大，并会在生物体内积累，经食物链的富集而威胁人类健康。
另外，汞的甲基化过程还会引起水质的恶化。
指能导致中毒人员或动物半数死亡6、半致死剂量：又称半数致死剂量，LD50的剂量。
通过呼吸道吸入的半致死剂量单位是毫克•分/升（mg.min/l）；通过口服和皮肤吸收的半致死剂量单位均是毫克/千克（mg/kg）。
第五章 生物体内污染物质的 运动过程及毒性ppt资料
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。
第八页，编辑于星期五：十四点 二十分。
第九页，编辑于星期五：十四点 二十分。
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。
• 注意：肠肝循环，高脂溶性甲基汞。
第十五页，编辑于星期五：十四点 二十分。
四、蓄积
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。
第十六页，编辑于星期五：十四点 二十分。
四、蓄积
机体的主要蓄积部位是血浆蛋白、脂肪组织和骨骼。
有些污染物质的蓄积部位与毒性作用部位相同。如百草枯在肺
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。
第六页，编辑于星期五：十四点 二十分。
扩散速率服从费克定律：
第七页，编辑于星期五：十四点 二十分。
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。
及一氧化碳在红细胞中血红蛋白的集中就属于这类情形。
➢ 有些污染物质的蓄积部位与毒性作用部位不相一致。如
DDT在脂肪组织中蓄积，而毒性作用部位是神经系统及其他脏器；铅集中于骨骼， 而毒性作用部位在造血系统、神经系统及胃肠道等。
第十七页，编辑于星期五：十四点 二十分。
谢谢观看
第十八页，编辑于星期五：十四点 二十分。