环境毒理学第二章

欢迎选修主讲：刘章现教授环境毒理学第二章污染物的环境生态行为2.1环境污染物的迁移与转化2.2环境化学物的生物转运2.3环境化学物的生物转化2.4生物蓄积与生物放大第一节环境污染物的迁移与转化1.概述2.环境污染物的迁移3.环境污染物的转化污染物的迁移和转化外源性污染物进入环境以后，由于其自身物理化学性质的决定和各种环境因素的影响，会在空间位置或形态特征等方面发生一系列复杂的变化。在这些变化过程中，污染物直接或间接的作用于人体或其它生物体，发生作用时的污染物距离污染源可能已经很远很远，而且很可能污染物的状态、浓度、组分等都已发生了巨大的变化。这种从污染源释放出的污染物在环境中发生的各种变化过程称为污染物的迁移和转化，有时也称其为污染物的环境行为或环境转归。（environmentalfate）研究污染物在环境中的迁移和转化的意义：研究污染物在环境中的迁移、转化过程及其规律，对于阐明人类在环境中接触的是什么污染物，接触的浓度、时间、途径、方式和条件等都具有十分重要的环境毒理学意义。迁移和转化的相互联系：污染物在环境中的迁移和转化过程往往是相互依赖和伴随进行的一个复杂的连续过程。迁移为转化提供了环境条件，而转化又为迁移提供了新的理化特征等物质基础，两者既相互区别又相互联系。一.污染物的迁移是指污染物在环境中发生的空间位置的相对移动过程。可归纳为：机械性迁移、物理—化学迁移、生物性迁移。环境污染物的迁移1、机械性迁移根据污染物在环境中发生机械性迁移的作用力不同，我们一般可分为:气的、水的以及重力的机械性迁移作用等。环境污染物的迁移1）气的机械性迁移作用包括污染物在大气中的自由扩散作用和被气流搬运的作用。均受到气象条件、地形地貌、排放浓度和排放高度等因素的影响。一般规律是污染物在大气中的浓度与污染源的排放量成正比，与平均风速和垂直混合高度成反比。环境污染物的迁移2）水的机械性迁移作用：包括污染物在水中的自由扩散作用和被水流搬运的作用。受到水文条件、气候条件、水中悬浮物、排放浓度和距排放口的距离等因素影响。一般规律是污染物在水体中的浓度与污染源的排放量成正比，与平均流速和距污染源的距离成反比.环境污染物的迁移3）重力的机械性迁移作用指污染物及其搬运载体在重力作用下的迁移运动。环境中吸附了污染物的气溶胶、颗粒物、悬浮物等主要以重力沉降的方式在环境中自然迁移.环境污染物的迁移2、物理化学迁移---最重要的迁移方式包括风化淋溶作用、溶解挥发作用、酸碱作用、络合作用、吸附作用以及氧化还原作用。物理化学迁移常伴随污染物的转化!环境污染物的迁移1）风化淋溶作用：是指环境中的水在重力作用下运动时通过水解作用使岩石、矿物中的化学元素溶入水中的过程，其作用的结果是产生游离态的元素离子。2）溶解挥发作用：溶解作用是一切可溶性污染物污染环境的基本方式之一。环境污染物的迁移酸碱作用：常表现为环境pH值变化。酸性环境使大多数污染物形成易溶性化合物，促进污染物的迁移。络合作用：是一种广泛存在于环境中的作用力。当污染物在环境中迁移时，经常和其他离子、离子团或有机大分子络合。络合分子或离子具有特殊的化学性质，因而大大改变了污染物的迁移能力及归宿。环境污染物的迁移吸附作用：吸附是发生在固体或液体表面对其他物质的一种吸着现象，也是一种影响污染物在环境中迁移转化的重要作用力。氧化还原作用:是自然环境中广泛存在的一种化学反应。环境污染物的迁移3、生物性迁移污染物通过生物体的吸附、吸收、代谢、死亡等过程而发生的迁移叫做生物性迁移。其表现形式可分为：生物浓缩、生物蓄积、生物放大三种类型。1）生物浓缩（boiconcentration）：生物体从环境中蓄积某种污染物，使生物体内该物质的浓度超过环境中的浓度的现象，又称生物富集。生物浓缩的程度用浓缩系数表示(BCF)：BCF生物体内污染物的浓度环境中该污染物的浓度环境污染物的迁移生物浓缩的意义生物种类不同，代谢机能不同，在同样条件下，对同一种物质的浓缩系数不同。生物浓缩的研究对于阐明污染物在环境中的生物迁移规律、评价和预测污染物进入环境后的危害，以及确定污染物的环境容量和制定环境标准均有重要意义。环境污染物的迁移2）生物蓄积（bioaccumulation）指生物个体随其生长发育的不同阶段从环境中蓄积某种污染物，而使BCF不断增大的现象。生物蓄积的程度用生物蓄积系数（BAF）表示。：BAF某一生物个体生长发育较后一阶段体内蓄积污染物的浓度同一生物个体发育阶段较前阶段体内蓄积该污染物的浓度环境污染物的迁移生物蓄积某种污染物的浓度水平取决于该生物摄取和消除该污染物的速率之比，摄取量如果大于消除量，就会发生生物积累。环境污染物的迁移3）生物放大（biomagnification）：在生态系统的同一食物链上，某种污染物在生物体内的浓度随着营养级的提高而逐步增大的现象。生物放大系数(BMF)表示生物放大的程度：BMF较高营养级生物体内污染物的浓度较低营养级生物体内污染物的浓度环境污染物的迁移食物链:在生态系统内，各种生物之间由于食物而形成的一种联系，叫做食物链（foodchain）这种生物之间以食物营养关系彼此联系起来的序列，就像一条链子一样，一环扣一环，在生态学上被称为食物链食物链种类:陆生食物链水生食物链:浮游植物→浮游动物→小鱼→白鹭;大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米，虾米吃浮游生物，浮游生物吃绿藻。环境污染物的迁移—生物放大生物浓缩、生物蓄积和生物放大的程度，都用来自环境的元素或难分解的化合物的浓缩系数表示，但却是三个不同的概念。生物浓缩是生物体内某种物质的浓度和环境中的浓度相比；生物蓄积是同一生物个体在不同代谢阶段机体内的浓度相比；生物放大是同一食物链上不同营养级的生物体内某种物质的浓度相比.2.污染物的转化污染物的转化：污染物在环境中通过物理的、化学的或生物学的作用，改变形态或者转变成另一种新物质的过程叫污染物的转化。污染物的转化过程取决于污染物理化性质和环境条件。转化形式:物理转化;化学转化;生物转化.2.环境污染物的转化(一)物理转化作用指污染物通过蒸发、渗透、凝聚、吸附、放射性元素的蜕变等一种或几种过程实现的转化。物理转化与污染物迁移两者之间存在的伴随关系较为密切.2.环境污染物的转化（二）化学转化作用指污染物通过各种化学反应过程发生的转化，如氧化-还原反应、水解反应、络合反应、光化学反应等。1）在大气中的化学转化，污染物的转化以光化学氧化和催化氧化为主。2）在水体中的化学转化，污染物的转化主要是氧化-还原反应和络合水解反应。3）在土壤中的化学转化，一些农药的水解反应由于土壤颗粒的吸附催化作用而被加速。2.环境污染物的转化（三）生物转化和生物降解指污染物通过生物的吸收和代谢作用而发生的变化。生物转化结果:①生物转化使污染物的毒性降低，或形成更容易降解的分子结构；②生物转化使污染物的毒性增强，或形成更难降解的分子结构.思考题1、污染物在环境中的迁移与转化有何异同和联系？2、何谓生物性迁移？如何定量描述生物性迁移过程？3、简述污染物在环境中的转化的基本类型？第二节外源性化学物在生物体内的迁移和转化2.1概述环境化学物与机体接触后，一般可经过吸收、分布、代谢和排泄过程。化学物的吸收、分布和排泄具有类似的机理，均是反复通过生物膜的过程，统称为生物转运(biotransport)。化学物在组织细胞中发生的结构和性质的变化过程，称为生物转化(biotransformation)或代谢转化。化学物的毒性大小和部位，与在体内的吸收、分布、代谢和排泄过程有密切关系。研究化学物在体内生物转运和生物转化过程目的是了解化学物在体内的转归、生物学效应和毒作用机理。2.2环境化学物的生物转运2.2.1生物膜的结构与功能2.2.2化学物质通过生物膜的方式2.2.3吸收2.2.4分布与贮存2.2.5化学物的排泄环境化学物在体内的生物转运(吸收、分布和排泄)过程，均需通过各种生物膜屏障才能进出细胞、组织和机体。因此，要了解生物膜的结构和功能，才能对化学物的生物转运有深刻的理解。2.2.1生物膜的结构与功能一、质膜与生物膜二、生物膜的分子结构三、生物膜的功能作用一、质膜与生物膜包围在细胞外的膜称为细胞膜，亦称质膜。细胞核和各种细胞器(如线粒体、溶酶体、内质网等)外面也包围有膜。细胞膜(质膜)和各种细胞器的膜结构统称为生物膜(biomembrane)。各种生物膜的结构与功能基本上是相似的。二、生物膜的分子结构脂质双分子层是生物膜的基本骨架，生物膜的功能主要通过蛋白质来完成。磷脂+蛋白质构成镶嵌在脂质层中的蛋白质有的是物质转运的载体，有的是接受化学物质的受体，有的是能量转换器，有的是具有催化作用的酶等。因此，生物膜在物质转运、毒物作用、能量转换、物质代谢、细胞识别及信息传递等过程中起着重要作用。三、生物膜的功能作用①保持细胞和细胞器内部理化性质的稳定；②可选择性地允许或不允许某些物质透过；以便吸收和排出一些物质；③传递信息；④膜上的酶类(如混合功能氧化酶类等)，对化学物质的生物转化过程起催化作用；⑤其他：与细胞的运动有关、参与细胞繁殖中的DNA分离过程、参与细胞壁的生物合成。有许多化学物质的毒性作用与生物膜有关，特别是大多数毒性较强和作用较为专一的毒物。例如，氰化钾主要作用于线粒体内膜细胞色素C氧化酶，有机磷化合物作用于半嵌入在质膜的乙酰胆碱酯酶。又如，有的镶嵌在膜上的蛋白质是某些有毒化学物质的专一受体，受体是某些环境化学物作用的靶，能使化学物有选择性地作用于一定的细胞(靶细胞和靶器官)。2.2.2化学物质通过生物膜的方式被动转运特殊转运通过方式简单扩散、滤过作用主动转运、易化扩散、吞噬作用和胞饮作用生物膜对物质的转运不起主动作用生物膜对物质的转运起主动作用一、简单扩散(simplediffusion)生物膜两侧的化学物分子从浓度高的一侧向浓度低的一侧(即顺浓度梯皮)扩散，称为简单扩散。大多数环境化学物可以此方式通过生物膜。影响简单扩散的主要因素如下：生物膜两侧化学物的浓度梯度、脂/水分配系数、化学物质的解离度和体液的pH值等。脂/水分配系数一种物质在脂质中的溶解度与其在水中的溶解度之比称为脂/水分配系数。凡脂溶性大、水溶性小的物质，即脂/水分配系数愈大，一般愈易透过生物膜，如葡萄糖、氨基酸、钠、钾等离子。但是，对于脂溶性低而水溶性极高，即脂/水分配系数过小的物质，也不易经简单扩散进入细胞，如磷脂。只有脂溶性和水溶性均高的物质才更容易经过简单扩散的方式透过生物膜。二、滤过作用滤过是化学物透过生物膜上的亲水性孔道的过程。生物膜上有一些亲水性孔道或间隙，它们是由嵌入脂质双分子层中的蛋白质结构中亲水性氨基酸构成。如在膜的两侧存在着流体静压或渗透压差时，水就能携带小分子溶质经亲水性膜孔顺压差而透过生物膜。凡分子直径小于膜孔的化学物，均可随同水流透过生物膜。大多数细胞的膜孔较小，约为0.4nm，肾小球毛细血管内皮细胞的膜孔较大，约为7～10nm。在一般情况下，凡分子量小于100～200的化合物均可通过直径0.4nm左右的亲水性孔道，例如经口服的铅盐10％，锰盐4％，镉盐1.5％和铬盐1％可被胃肠道吸收；凡分子量小于白蛋白分子的化合物可通过直径3～4nm左右的亲水性孔道。例如水由肾小球滤过时，除蛋白质分子不能透过外，其余溶于血浆中的物质均可透过肾小球的亲水性孔道进入肾小管。三、主动转运(activetransport)对于某些非脂溶性的、分子量较大的化学物质，不能通过上述方式转运，需通过生物膜上的特殊转运系统转运。化学物伴随能量的消耗由低浓度处向高浓度处转运以透过生物膜的过程称主动转运。主动转运的主要特点①需有载体(或称运转系统)参加。载体一般是生物膜上的蛋白质，可与被转运的化学物形成复合物，然后将化学物运入生物膜另一侧并将化学物释放。结合时载体构型发生改变，但组成成分不变；释放化学物后，又恢复原有构型，以进行再次