环境化学课件-南开大学-孙红文博导-最新版本201408-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5-1第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性Chapter5.TransferandToxicityofPollutantsinBiology《环境化学》第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性5-2主要介绍污染物质与生物机体之间的相互作用，涉及机体对污染物质的吸收、分布、转化、排泄等过程和污染物质对机体毒性两方面的内容，要求掌握污染物质的生物富集、放大和积累；耗氧和有毒有机污染物质的微生物降解；若干元素的微生物转化；微生物对污染物质的转化速率；毒物的毒性、联合作用和致突变、致癌及抑制酶活性等作用；定量构效关系中几种应用的分析方法。要求了解有关重要辅酶的功能；有毒有机污染物质生物转化的类型。内容提要及重点要求《环境化学》第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性5-3第一节物质通过生物膜的方式一、生物膜的结构(StructureofBiofilm)二、物质通过生物膜的方式(ModeofMaterialthroughBiofilm)(5.1ModeofMaterialthroughBiofilm)《环境化学》第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性5-41.生物膜组成：磷脂双分子层和蛋白质磷脂双分子层组成：亲水极性基团（内外两面）、疏水烷链端（内侧）和疏水区。蛋白质组成：表在蛋白和内在蛋白。表在蛋白附着磷脂双分子层表面；内在蛋白深埋或贯穿磷脂双分子层。蛋白质功能：转运膜内外物质；催化作用或是能量转换器。一、生物膜的结构(StructureofBiofilm)《环境化学》第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性5-5生物膜脂质双分子层结构表在蛋白脂质双分子层内在蛋白亲水性基团疏水性基团《环境化学》第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性5-6第一节物质通过生物膜的方式一、生物膜的结构(StructureofBiofilm)二、物质通过生物膜的方式(ModeofMaterialthroughBiofilm)(5.1ModeofMaterialthroughBiofilm)《环境化学》第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性5-71.膜孔滤过：直径小于膜孔的水溶性物质，可借助膜两侧静水压及渗透压经膜孔滤过。膜孔：在生物膜中带极性、常含有水的微小孔道。二、物质通过生物膜的方式(ModeofMaterialthroughBiofilm)物质通过生物膜的方式根据机制分为以下5类。以何种方式通过，取决于机体各组织生物膜的特性和物质的结构、理化性质。《环境化学》第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性5-82.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。扩散速率：Fick定律：dQ/dt=－ＤＡ△c／△xdQ/dt——物质膜扩散速率，即dt间隔时间内垂直向扩散通过膜的物质的量；△ｘ0——膜厚度；△c——膜两侧物质的浓度梯度；Ａ——扩散面积；D——扩散系数，取决于通过物质和膜的性质。《环境化学》第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性5-9被动扩散特征：不需要耗能、不需要载体参与，无特异性选择、竞争性抑制和饱和现象。3.被动易化扩散：有些物质在高浓度侧与膜上特异蛋白质载体结合，通过生物膜，至低浓度侧解离出原物质。被动扩散特征：与膜特异性载体、及数量有关。具有特异性选择、类似物质竞争性抑制和饱和现象。《环境化学》第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性5-104.主动转运：在需消耗一定的代谢能量下，一些物质可在低浓度侧与膜上高浓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。主动转运特征：与膜特异性载体、及数量有关。具有特异性选择、类似物质竞争性抑制和饱和现象。例如：[K+]细胞内[K+]细胞外：主动转运造成K++PKP（膜外）KP+ATPPP+ADP+K+（膜内）三磷酸腺苷二磷酸腺苷《环境化学》第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性5-114.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。《环境化学》第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性5-12第二节污染物质在机体内的转运一、吸收(Absorption)二、分布(Distribution)三、排泄(Excretion)四、蓄积(Accumulation)(5.2TransportofPollutantsinBody)《环境化学》第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性5-13一、吸收(Absorption)1.概念：污染物质从机体外,通透体膜进入血液的过程。污染物质在机体内的运动过程吸收、分布、排泄和生物转化；吸收、分布和排泄称为转运；排泄与生物转化称为消除。《环境化学》第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性5-14呼吸道：吸收大气污染物的主要途径（主要吸收部位是肺泡）吸收的气态和液态气溶胶污染物质，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，在气管、支气管及肺泡表面沉积。皮肤：皮肤接触的污染物质，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的壁膜进入血液。2.吸收途径：消化管、呼吸道和皮肤消化管是吸收污染物质最主要的途径。消化管的主要吸收部位在小肠，其次是胃。《环境化学》第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性5-15第二节污染物质在机体内的转运一、吸收(Absorption)二、分布(Distribution)三、排泄(Excretion)四、蓄积(Accumulation)(5.2TransportofPollutantsinBody)《环境化学》第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性5-16二、分布(Distribution)1.概念：污染物质被吸收或形成其代谢转化物质，由血液转送至机体组织，与组织成分结合，从组织返回血液以及再反复等过程。2.污染物质分布过程污染物质的转运以被动扩散为主。污染物质与血浆蛋白质结合具有可逆性动态平衡。污染物质与血液的红细胞或血管外组织蛋白相结合。《环境化学》第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性5-17第二节污染物质在机体内的转运一、吸收(Absorption)二、分布(Distribution)三、排泄(Excretion)四、蓄积(Accumulation)(5.2TransportofPollutantsinBody)《环境化学》第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性5-18三、排泄(Excretion)1.概念：污染物质及其代谢物质向机体外的转运过程。2.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。《环境化学》第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性5-19第二节污染物质在机体内的转运一、吸收(Absorption)二、分布(Distribution)三、排泄(Excretion)四、蓄积(Accumulation)(5.2TransportofPollutantsinBody)《环境化学》第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性5-20四、蓄积(Accumulation)1.概念：机体接触污染物质（若吸收超过排泄及其代谢转化），污染物质在体内逐增的现象。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、脂肪组织和骨骼。污染物质常与血浆蛋白结合而蓄积。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。《环境化学》第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性5-21MajorSitesofExposure,Metabolism,andStorage,RoutesofDistributionandEliminationofToxicSubstancesfromtheBodyFromEnvironmentalChemistry，ManahanSEe《环境化学》第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性5-22KineticPhase《环境化学》第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性5-23第三节污染物质的生物富集、放大和积累5.3Bioconcentration,BiomagnificationandBioaccumulationofPollutants一、生物富集(Bioconcentration)二、生物放大(Biomagnification)三、生物积累(Bioaccumulation)《环境化学》第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性5-24一、生物富集(Bioconcentration)1.概念：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。2.生物浓缩系数：达稳态时：BCF=cb/ceBioconcentrationfactors(BCF)水生生物＞1蚯蚓富集＜1农作物＜1BCF——生物浓缩系数（因子）；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。《环境化学》第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性5-253.影响生物浓缩系数的因素污染物质性质：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；环境条件：温度、盐度、水硬度、氧含量和光照情况。《环境化学》第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性5-264.生物富集的动力学描述：水生生物对水中难降解性物质的富集速率是生物对其吸收速率、消除速率以及由于生物体的生长所造成的稀释速率的总和。动力学：吸收速率：Ra=kacw消除速率：Re=-kecf稀释速率：Rg=-kgcfka，ke，kg——水生生物吸收、消除（排泄和生物体内分解）、生长的速率常数；cw，cf——水及生物体内瞬时物质浓度。《环境化学》第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性5-27水生生物富集速率微分方程：dcf/dt=kacw-kecf-kgcf当水生生物质量增长不明显时，kg可忽略；cw又通常可视为恒定，又设t=0时，cf(0)=0，则可解方程得：cf=kacw/ke·[1-exp(-ke)t]当t→∞时，BCF=ka/ke（达稳态，吸收、消除速率符合一级动力学）《环境化学》第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性5-285.BCF与Kow的关系复杂过程：动力学、热力学但是，将憎水性有机污染物的生物富集看作污染物由水相向脂肪相的分配，就好像由水相向辛醇相的分配一样：lgBCF=algKow+b适用于水生生物，对陆生植物不适用。适用于非极性憎水性物质，对于极性可电离污染物不适用。《环境化学》第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性5-29第三节污染物质的生物富集、放大和积累5.3Bioconcentration,BiomagnificationandBioaccumulationofPollutants一、生物富集(Bioconcentration)二、生物放大(Biomagnification)三、生物积累(Bioaccumulation)《环境化学》第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性5-30二、生物放大(Biomagnification)1.概念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。algae→zooplankton→smallfish→bigfishbirdmankindKow105~107才易发生《环境化学》第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性5-31第三节污染物质的生物富集