3章 化学结构特性与生物降解

第三章

化学结构特性与生物降解

•第一节环境中的污染物质

•第二节化学结构特性与生物降解

•第三节抗生物降解物

•第四节化学品的生物有效性与生物降解

第一节环境中的污染物质

1．污染物种类

•主要是化学品。已知的化学品已超过1000万种。每年大约有500-1000种新化学品进入市场，其中79%缺乏有关毒性影响的资料。•我国生产的化学品有4万多种。

主要分为有机物和无机物

•无机物：重金属和卤素化合物，还包括造成大气污染的臭氧和二氧化碳，形成酸雨的N、S氧化物，放射性元素，以及部分离子

化合物（F-, NO2-, NO

3-和PO

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3－）。

•有机物：农药、化工原料、有机溶剂等

主要污染物质

•重金属及其化合物：Pb, As, Cd, Cu, Hg, etc., •有机农药

•石油和沥青

•毒气，爆炸物

•放射性物质

•生物活性物质

•石棉及其它有害物质

•无机无毒物：酸、碱、一般无机盐、氮、磷等植物营养物质

2．优先污染物

priority pollutants

概念：经过优先选择进行控制的污染物称为环境优先污染物。其特点：

•毒性强，对人类健康和生态系统危害特别大.•残留时间长，难以降解, 具积累性.

•生产量大并在环境中分布广泛.

世界各国的优先污染物

•美国环保局

•欧共体

•德国

•中国: 还未正式公布优先污染物.

我国土壤的

•第一类:汞、铅、镉，DDT及其代谢产物与分解产物，多氯联苯(PCB)；

•第二类:石油产品，DDT以外的长效性有机氯、四氯化碳醋酸衍生物、氯化脂肪族，砷、锌、硒、铬、镍、锰、钒，有机磷化合物及其它活性物质(抗菌素、激素、致畸性物质、催畸性物质和诱变物质）等。

•有关污染物的术语：

•合成化学品（synthetic compound）:

•异生素（xenobiotics; xenobiotic compound）：•抗生物降解物质或生物难降解物质（recalcitrant substance）：

•可生物降解物质（biodegradable substance）：•持久性物质（persistent substance）

•持久性有机污染物（persistent organic pollutants）

第二节化学结构特性与生物降解 化学结构特性对生物降解的影响

•化学结构的微小变化都会影响到生物降解性。比如，一个取代基、一个取代基位置的变化都会影响到微生物代谢的敏感性。

•要总结化学结构对生物降解影响的作用和规律是困难的。因为不同的生物和环境条件差别很大。

一般规律

•①增加一个取代基就会使有机物难以矿化或完全不能矿化.这种取代基团被称为异源基团(xenophore)。•常见的异源基团：-Cl，-Br，-CN, -CF3, -NO3, -SO3H •促进降解的基团：-OH, -COOH, 酰胺，酯类或酰酐基团

•但是，取代基团的影响随着分子的其他结构的改变而改变。如，有些带-NO

, -SO3H，-CN的化合物可以迅

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速降解

•②异源基团数目增加将使有机分子更难降解•好氧降解的情况见表。

•厌氧情况下不存在这种情况。

•③异源基团位置对生物降解产生影响

•一些位置对生物降解的影响不大，但另外一些位置可以急剧地降低微生物降解率。取代基位置对生物降解的影响具有相对性。

•④甲基分支对生物降解产生显著影响

•高支链ABSs(烷基苯磺酸盐) 难于降解, 当未端带有季碳分子时降解难度更大.

•脂肪烃、脂肪酸、脂肪醇等化合物带有甲基分支后均不易降解.

•⑤烷基或脂肪酸基与苯环的连接位置影响生物降解性

•⑥多环芳烃中稠环越多越难生物降解

运用一般规律需注意

•1）结构与生物降解的关系在好氧条件下的规律与厌氧条件下的规律有所不同;

•2）不同的微生物区系也有影响，因为不同的微生物利用能力不同;

•3）纯培养下的结果可能与实际情况存在差异;•4）结构与生物降解的一般规律不适合于能够降解难降解的异构体的单个种群。

化学品生物降解预测

重要性

•指导企业设计合成新化学品

•为管理机构确定新化学品性质

途径

•生物化学法: 比较测试化学品与已知化学品分子结构相似性.

•物理化学法: 根据物理化学特性预测.

•分子拓扑学: 研究分子结构特征, 从分子连接性断定化全物的生物降解性, 以QSBR(结构-生物降解定量关系)为代表.

第三节抗生物降解物

抗生物降解物(recalcitrant)的特

点：

•1）具有毒性，会影响生物的生长和繁殖。在自然界中存留时间越长，风险越大；

•2）在自然界中低浓度时，毒害可能不大，但可经食物链放大。

•3）高分子聚合物可能无毒，但不能进行降解易产生视觉污染和占用填埋空间.

•4）易迁移难降解物质，危害风险大。

抗降解化合物的分类：•可完全抵抗微生物的“攻击”，完全不能被代谢；

•自然代谢缓慢，但在人工培育的高生物量下可快速降解；

•依据环境条件而异，代谢速度不统一。

抗生物降解物的来源

•农药的生产和使用

•运输过程的泄漏

•未经处理的废水排放

•固体废弃物的弃置

•人工合成的化合物

•自然界生物化学作用