环境化学第五章-污染物在生物体内的迁移转化

第五章污染物在生物体内的迁移转化①生物污染和生物污染的主要途径②环境污染物在生物体内的分布③污染物质的生物富集、放大和积累④微生物对环境污染物的降解转化作用⑤环境污染物对人体健康的影响本章内容介绍重点掌握①污染物质的生物富集、放大和积累②微生物对环境污染物的降解转化作用③环境污染物对人体健康的影响第一节生物污染和生物污染的主要途径一、生物污染有两种含义，一种是指对人和生物有害的微生物、寄生虫等病原体和变应原等污染水体、大气、土壤和食品，影响生物产量和质量，危害人类健康。另一种是指大气、水环境以及土壤环境中各种各样的污染物质，包括施入土壤中的农药等，通过生物的表面附着、根部吸收、叶片气孔的吸收以及表皮的渗透等方式进入生物机体内，并通过食物链最终影响人体健康的现象。二、植物受污染的主要途径1.表面附着表面附着是指污染物以物理方式黏附在植物表面的现象。表面附着量的大小与植物的表面积大小、表面形状、表面性质等有关。植物叶片越粗糙，比表面积越大，越能吸附大量污染物。一些植物叶片分泌一些油脂性物质，增加了对颗粒态污染物的吸附作用。例如云杉、油松、马尾松能分泌油脂性物质，杨梅、草莓等叶片粗糙，比表面积大。生物的污染生物受到污染云杉油松2.植物吸收植物对大气、水体和土壤中污染物的吸收方式可分为主动吸收和被动吸收两种。主动吸收即代谢吸收，是指植物细胞利用其特有的代谢作用所产生的能量而进行的吸收作用。细胞通过这种吸收能把浓度差逆向的外界物质引入细胞内。植物通过根系从土壤或水体中吸收营养物质和水分的同时亦吸收污染物，其吸收量的大小与污染物的性质及含量、土壤性质和植物品种等因素有关。主动吸收可使污染物在植物体内浓缩。被动吸收即物理吸收，这种吸收依靠外液与原生质的浓度差，通过溶质扩散作用实现吸收过程，其吸收量的大小与污染物的性质及其含量大小，植物与污染物接触时间的长短等有关。三、动物受污染的主要途径环境中的污染物主要通过呼吸道、消化道和皮肤吸收等途径进入动物体内，并通过食物链得到浓缩富集，最终进入人体。1.动物吸收动物在呼吸空气的同时将毫无选择的吸收来自空气中的气态污染物及悬浮颗粒物，在饮水和摄取食物的同时，也将摄入其中的污染物，脂溶性污染物还能通过皮肤的吸收作用进入动物机体。例如，某些气态毒物如氰化氢、砷化氢等都可经皮肤吸收。①呼吸道吸收的污染物，通过肺泡直接进入动物体内大循环。成年人每天吸入10～12m3的空气，而空气中正隐藏着各种各样的污染物质。呼吸道是吸收大气污染物质的主要途径，人的呼吸道主要包括鼻、咽、喉、气管、支气管及肺等部位。主要的吸收部位是肺泡。肺泡的膜很薄，数量众多，表面布满壁膜极薄、结构疏松的毛细血管。呼吸道吸收的污染物只可以直接进入血液系统并转移至淋巴系统或其他器官，而不经肝脏的解毒作用，从而产生的毒性更大。②消化道吸收的污染物通过小肠吸收，经肝脏在进入大循环。食物和饮水主要是通过消化道进入人体的。从口腔摄入的食物和饮水中的污染物质，主要是被动扩散被消化管吸收，主动转运很少。消化管包括口腔、咽喉、食管、胃、小肠、大肠等部位，主要的吸收部位是小肠，其次是胃。进入小肠的污染物质大多数以被动扩散方式通过小肠黏膜再转入血液，因而污染物质的脂溶性越强、在小肠内浓度越高，被小肠吸收越快。小肠的吸收总面积约200m2，胃的约为1m2，小肠的吸收功能远大于胃。③经皮肤吸收的污染物可直接进入血液循环人体皮肤的表面积平均约为1.8m2,同时还有近10万个毛细孔和近10万根头发与头皮相通，这些都是污染物质进入人体的通道。相对而言，人体皮肤对污染物质的吸收能力较弱，常以被动扩散的方式相继通过皮肤的表皮及真皮，再滤过真皮中的毛细血管壁膜进入到血液中。一般，相对分子质量低于300,处于液态或溶解态，呈非极性的脂溶性污染物质，最容易被皮肤吸收，如酚、醇等。④由呼吸道吸收并沉积在呼吸道表面上的有害物质，可咽到消化道，再被吸收进入机体。2.食物链作用生物（包括微生物）能通过食物链传递和富集污染物。水体中的污染物通过生物、微生物的代谢作用进入生物、微生物体内得到浓缩，其浓缩作用可使污染物在生物体内的含量比在水体中的浓度大得多。水体环境中，浮游生物是食物链的基础。污染物在食物链的每次传递中浓度就得到一次浓缩，甚至可以达到产生中毒作用的程度。人处于食物链的末端，人若长期食用了污染水体中的鱼类，则可能由于污染物在体内长期富集浓缩，引起慢性中毒。环境污染物不仅可以通过水生生物食物链富集，也可以通过陆生生物链富集。如农药、大气污染物，可通过植物的叶片、根系进入植物体内得到富集，而含有污染物的农作物、牧草、饲料等经过牛、羊、猪、鸡等动物进一步富集，最后通过粮食、蔬菜、水果、肉、蛋、奶等食物进入人体中浓缩，危害人体健康。第二节环境污染物在生物体内的分布一、污染物在植物体内的分布许多污染物质都是通过植物的土壤进入生态系统的。植物对污染物质的吸收被认为是污染物在食物链中的积累并危害陆生动物的第一步。污染物质进入到植物体的途径：①通过根系的吸收并通过蒸腾作用输送到植物体的各部分；②通过植物叶片的气孔从周围空气中吸收蒸汽化的污染物质，并输送到植物体的各个部分；③植物表皮通过渗透作用吸收有机污染物的蒸汽。各种途径吸收的污染物总和减去植物代谢过程中消耗或损失的是污染物质在生物体内的积累。①根部吸收污染物主要是通过根部吸收进入植物体内，根部对污染物质的吸收有两种方式：主动吸收和被动吸收。主动吸收需要消耗一定量的能量，而被动吸收主要是通过扩散、吸收和质量流动，不需要消耗能量。根部吸收主要是物理吸附而不是生物化学行为。根部的吸收过程在最初一个小时之内最快，占48小时过程的50%～70%，且在吸收过程中污染物质在根部很快达到平衡而浓度不随时间增加而变化。②植物叶片的气孔吸收空气中的蒸汽态污染物质叶子表面有很多气孔，气孔可以随环境条件的变化而有时张开有时关闭，气孔是二氧化碳、氧气和其他气体的进出口，也是蒸腾作用的出口。③降落在植物表面的污染物可通过渗透作用进入植物体内这种吸收作用很少，但某些污染物，比根部吸收更重要。只有植物表面直接接触的污染物质才能通过渗透作用进入植物体内植物从大气中吸收污染物后，污染物在植物体内的残留量常以叶部分布最多。植物从土壤和水体中吸收污染物，其残留量一般的分布规律为：根＞茎＞叶＞穗＞壳＞种子。表5-2水稻各部位14C-六六六残留量及残留比表5-1成熟期水稻各部位中的含镉量二、污染物在动物体内的分布污染物质在动物体内的分别过程主要包括吸收、分布和排泄。1.吸收吸收是污染物质从机体外,通过各种途径通透体膜进入血液的过程。吸收途径主要是机体的消化管、呼吸道和皮肤。消化管的主要吸收部位在小肠，其次是胃。进入小肠的污染物质大多以被动扩散通过肠粘膜再转入血液。影响消化管吸收的因素：（1）污染物质的脂溶性：脂溶性越强及在小肠内浓度越高,被小肠吸收也越快。（2）血液流速：污染物质的脂溶性强，血流速度越大,则膜两侧污染物质的浓度梯度越大,机体对污染物质的吸收速率也越大。极性污染物质,因其脂溶性小,在被小肠吸收时经膜扩散成了限速因素,而对血流影响不敏感。（3）离解度：未解离型易于扩散通过膜。呼吸道是吸收大气污染物的主要途径。其主要吸收部位是肺泡。气态和液态气溶胶污染物质,可以被动扩散和滤过方式,分别迅速通过肺泡和毛细血管膜进入血液。固态气溶胶和粉尘污染物质吸进呼吸道后,可在气管、支气管及肺泡表面沉积。到达肺泡的固态颗粒很小,粒径小于5μm。其中,易溶微粒在溶于肺泡表面体液后,按上述过程被吸收,而难溶微粒往往在吞噬作用下被吸收。皮肤吸收是不少污染物质进入机体的途径。皮肤接触的污染物质,常以被动扩散相继通过皮肤的表皮及真皮,再滤过真皮中毛细血管壁膜进入血液。一般,分子量低于300，处于液态或溶解态,呈非极性的脂溶性污染物质,最容易被皮肤吸收,如酚、尼古丁、马钱子碱等。血脑屏障：中枢神经系统的毛细血管壁内皮细胞互相紧密相连、几乎无空隙，是阻止已进入人体的有毒污染物深入到中枢神经系统的屏障。当污染物质由血液进入脑部时,必须穿过这一毛细管壁内皮的屏障，此时,污染物质的经膜通透性成为其转运的限速因素。高脂溶性低解离度的污染物质经膜通透性好,容易通过血脑屏障,由血液进入脑部,如甲基汞化合物。2.排泄排泄是污染物质及其代谢物质向机体外的转运过程。排泄器官有肾、肝胆、肠、肺、外分泌腺等，而以肾和肝胆为主。肾排泄是污染物质通过肾随尿而排出的过程。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，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。*值得注意的是有些物质由胆汁排泄，在肠道运行中又重新被吸收，该现象称为肠肝循环。3.分布分布是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；从组织返回血液以及再反复等过程。按照污染物性质和进入动物组织的类型不同，大体有以下五种分布规律：（1）能溶解于体液的物质，如钠、钾、锂、氟、氯、溴等离子，在体内分布比较均匀。（2）镧、锑、钍等三价和四价阳离子，水解后生成胶体，主要蓄积于肝或其他网状内皮系统。（3）与骨骼亲和性较强的物质，如铅、钙、钡、锶、镭、铍等二价阳离子在骨骼中含量较高。（4）对某一种器官具有特殊亲和性的物质，则在该种器官中蓄积较多。如碘对甲状腺，汞、铀对肾脏有特殊亲和性。（5）脂溶性物质，如有机氯化合物（六六六、DDT等），易蓄积于动物体内的脂肪中。一些金属、类金属在动物及人体内的主要分布部位一种污染物对某一种器官有特殊亲和作用，但同时也分布于其他器官；同一种元素可能因其价态或存在形态不同而在体内蓄积的部位也有所不同。如水溶性汞离子很少进入脑组织，但烷基汞呈脂溶性，能通过脑屏障进入脑组织。4.生物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。蓄积量是吸收、分布、代谢转化和排泄各量的代数和。机体的主要蓄积部位是血浆蛋白、脂肪组织和骨酪。污染物质常与血浆蛋白结合而蓄积。蓄积部位与毒性作用部位：相同--如百草枯在肺及一氧化碳在红细胞中血红蛋白的集中。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;铅集中于骨髓,而毒性作用部位在造血系统、神经系统及胃肠道等。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。在污染物质蓄积和毒性作用的部位不相一致时,蓄积部位可成为污染物质内在的二次接触源,有可能引起机体慢性中毒。第三节污染物质的生物富集、放大和积累各种物质进入生物体内，即参加生物的代谢过程，其中生命必需的物质，部分参与了生物体的构成，多余的必需物质和非生命所需的物质中，易分解的经代谢作用很快排出体外，会长期残留在生物体内，随着摄入量的增大，在生物体内的浓度也会逐渐增大。一、生物富集生物富集是指生物机体或处于同一营养级上的许多生物种群，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。生物浓缩系数(BioconcentrationFactor)：金枪鱼和海绵对铜的浓缩系数,分别是100和1400。一般,降解性小、脂溶性高、水溶性低的物质,生物浓缩系数高一般，重金属元素和许多氯化碳氢化物、稠环、杂环等有机化合物具有很高的生物浓缩系数。二、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。生物放大的结果是食物链上高营养级生物体体内这种物质的浓度显著超过环境中的浓度，如不存在食物链的关系就不能称之为生物放大，而只能是生物富集或生物积累。生物放大并不是在所有条件下都能发生。有些物质只能沿着生物链传递，不能沿食物链放大；有些既不能沿食物链传递，也