環(huán)境污染物在生態(tài)系統(tǒng)中的行為環(huán)境生物學.1

環(huán)境污染物在生態(tài)系統(tǒng)中的行為環(huán)境生物學.1詳細介紹污染物進入生物機體途徑、在體內的生物轉化、濃縮、積累、放大及其機理教材：孔繁翔主編，環(huán)境生物學，2000，高等教育出版社，北京.2詳細介紹污染物進入生物機體途徑、在體內的生物轉化、濃縮、積累第三節(jié)

污染物在生物體內

的生物轉運和生物轉化.3第三節(jié)

污染物在生物體內

的生物轉運和生物轉化.3生物轉運（Bio-transport）——指環(huán)境污染物經各種途徑和方式同生物機體接觸而被吸收、分布和排泄等過程的總稱。這些過程具有類似機理：都需要通過細胞的膜結構。生物膜（細胞膜）：包括細胞外層的細胞膜（質膜）、細胞內的內質網膜、線粒體膜和核膜等。生物膜的組成：脂質分子（主要是磷脂類）和蛋白分子。膜的內外表面是親水端，膜的中心是疏水部分。許多環(huán)境污染物的毒作用與生物膜的結構有關。.4生物轉運（Bio-transport）——指環(huán)境污染物經各種.5.5（一）污染物透過細胞膜的方式特點方式濃度梯度有無載體是否耗能其它特點被動轉運（PassiveTransport)簡單擴散高濃度低濃度（順）無否脂溶性有機化合物的主要轉運方式濾過過程通過膜上的親水性孔道；是分子直徑小于生物膜親水性孔道直徑的水溶性化合物的主要轉運方式。特殊轉運主動轉運低濃度高濃度（逆）有耗能水溶性大分子化合物的主要方式易化擴散高濃度低濃度（順）有否胞飲作用（Pinocytosis)胞飲作用內吞物質為液體吞噬作用內吞物質為固體物質.6（一）污染物透過細胞膜的方式特點（二）污染物的吸收（AbsorptionofPollutant）——指污染物在多種因素影響下，自接觸部位透過體內細胞膜進入血液循環(huán)的過程。多數動物吸收的主要途徑：呼吸系統(tǒng)、消化管和皮膚1）呼吸系統(tǒng)吸收吸收對象主要針對氣體、蒸汽、氣溶膠、顆粒狀物質等形式的污染物。吸收方式多以被動擴散的方式，通過呼吸膜吸收入血。氣體、蒸汽的吸收速度與肺泡和血液中毒物的濃度（分壓）差呈正比；氣溶膠和顆粒狀物質的吸收情況與顆粒大小有明顯差異，有生物學意義的顆粒大小是0.1-10μm。主要吸收部位：如，肺。肺泡數量多，表面積大，遍布毛細血管，便于污染物經肺迅速吸收進入血管。.7（二）污染物的吸收（AbsorptionofPollut（二）污染物的吸收（AbsorptionofPollutant）多數動物吸收的主要途徑：呼吸系統(tǒng)、消化管和皮膚2）消化管吸收吸收對象主要為飲水和由大氣、水、土壤進入食物鏈中的污染物。吸收方式多以簡單擴散方式通過細胞膜而被吸收。污染物在消化管吸收的多少與其濃度和性質有關，濃度越高吸收越多，脂溶性物質較易吸收，水溶性易離解或難溶于水的物質則不易吸收。主要吸收部位如胃和小腸。哺乳動物的腸道中有特殊的轉運系統(tǒng)吸收營養(yǎng)物質和電解質；有些污染物（如鉈和鉛）可為正常吸收鐵和鈣的系統(tǒng)所轉運。胃酸、胃腸道消化液和腸道微生物都可使化學物質降解或發(fā)生其他變化，使其被吸收的情況以及毒性作用與原來化合物不同。.8（二）污染物的吸收（AbsorptionofPollut（二）污染物的吸收（AbsorptionofPollutant）多數動物吸收的主要途徑：呼吸系統(tǒng)、消化管和皮膚3）皮膚吸收：如有機磷農藥可透過完整皮膚引起中毒。污染物經皮膚吸收的兩條途徑：1）通過表皮脂質屏障是主要的吸收途徑；2）通過汗腺、皮脂腺和毛囊等皮膚附屬器，繞過表皮屏障隨意直接進入真皮。但這不是主要吸收途徑。污染物經皮膚吸收的兩個不同階段：1）第一階段——穿透相，污染物透過表皮進入真皮。主要以簡單擴散方式透過，透過速度與污染物的脂溶性有關；2）第二階段——吸收相，污染物由真皮進入乳頭層毛細血管。毒物的擴散速度取決于本身的水溶性。影響皮膚吸收的因素：皮膚完整與否、皮膚的部位、污染物的理化性質、化合物與皮膚接觸的條件（接觸的面積、持續(xù)時間等）。.9（二）污染物的吸收（AbsorptionofPollut（二）污染物的吸收（AbsorptionofPollutant）植物吸收的主要途徑：1）根部吸收以及隨后隨蒸騰流而輸送到植物各部分，有兩種方式：主動吸收（耗能）和被動吸收（包括吸收、擴散、質量流動）；2）通過植物葉片上的氣孔從周圍空氣中吸收污染物，是植物對大氣污染物（如SO2,NOx,O3）吸收的主要方式；3）有機化合物的蒸汽經過植物地上部分表皮滲透而攝入體內。.10（二）污染物的吸收（AbsorptionofPollut（三）污染物的體內分布——指環(huán)境污染物隨血液或其它體液的流動，分散到全身各組織細胞的過程。一部分污染物可以和血漿蛋白質（主要是白蛋白）結合（可逆），而不易透過生物膜；一部分呈游離狀態(tài)，可以到達一定的組織細胞，呈現某種生物學作用。被吸收的環(huán)境污染物，有些可在脂肪組織或骨組織中蓄積和沉積，一般對機體的毒性作用較小；例如：90%鉛沉積在骨骼中；DDT和六六六等有機氯化合物則大量蓄積在脂肪組織中。但在脂肪或骨組織中蓄積的污染物，在一定的條件下，可被重新釋放，進入全身循環(huán)中，如饑餓時。.11（三）污染物的體內分布.11（四）污染物的排泄——指進入機體的環(huán)境污染物及其代謝產物被機體清除的過程。排泄的主要途徑是通過腎臟進入尿液和通過肝臟的膽汁進入糞便，有的環(huán)境污染物還可隨同呼出的氣體、汁液等排出體外。1）腎臟排泄：是污染物最重要的排泄器官，轉運方式是腎小球濾過和腎小管主動轉運；2）隨同膽汁排泄：也是一種主要排泄途徑。腸胃道吸收的污染物進入肝臟，被代謝轉化，并通過主動轉運進入膽汁，隨糞便排出；3）其他排泄途徑.12（四）污染物的排泄.12污染物在體內的生物轉化（一）生物轉化（Biotransformation）的概念生物轉化——指外源化合物進入生物機體后在有關酶系統(tǒng)的催化作用下的代謝變化過程。其中：1）外源化合物（Xenobiotics

）指除了營養(yǎng)元素及維持正常生理功能和生命所必需的物質以外，存在于環(huán)境之中，可與機體接觸并進入機體引起機體發(fā)生生物學變化的物質。又叫外來化合物或外源性生物活性物質。例如：藥物、日用化學品、食品添加劑、環(huán)境污染物等。生物外源性物質是指那些人工合成的，具有不被現有降解酶系所識別和作用的分子結構和化學鍵序列的化合物，簡而言之，就是不能被生物降解的化合物。如DDT、六六六、多氯聯(lián)苯、染料、塑料、合成橡膠等。

.13污染物在體內的生物轉化.13（一）生物轉化（Biotransformation）的概念2）內源性化合物：指生物機體正常的生理活動產生的物質。3）酶（Enzyme）：是由活細胞產生的，能在體內和體外起同樣催化作用的一類具有活性中心和特殊構象的生物大分子，包括蛋白質和核酸。4）生物轉化的主要場所是肝臟，其它有肺、胃、腸、皮膚等。.14（一）生物轉化（Biotransformation）的概念.二、污染物在體內的生物轉化（二）生物轉化的過程相I過程（反應）——外源性化合物在有關酶系統(tǒng)的催化下經由氧化、還原或水解反應改變其化學結構，形成某些活性基團（－OH、－SH、－COOH、－NH2）或進一步使這些活性基團暴露。相II過程（反應）——相I過程產生的一級代謝物在另外的酶系統(tǒng)催化下通過上述活性基團與細胞內的某些化合物結合，生成結合產物（二級代謝物）或帶有某些基團的外源性化合物與細胞內物質結合反應。.15二、污染物在體內的生物轉化.15二、污染物在體內的生物轉化（二）生物轉化的過程排出體外外源性化合物一級代謝物結合產物（二級代謝）毒害作用過程I（相I反應）圖1－5生物轉化過程示意圖過程II（相II反應）.16二、污染物在體內的生物轉化排出體外外源性化合物一級代謝物二、污染物在體內的生物轉化（二）生物轉化的過程1.相I反應（1）氧化反應：在混合功能氧化酶系的催化下進行的反應。

在氧化反應中，O2起了“混合”作用，即一個氧原子還原為水，另一個氧原子進入底物中。因此，這些酶稱為混合功能氧化酶（MixedFunctionOxidase,MFO）。NADPH2：還原型輔酶IINADP：氧化型輔酶IIRH（污染物）MFOROH（氧化產物）O2NADPH2NADPH2O微粒體（Microsome）非微粒體.17二、污染物在體內的生物轉化NADPH2：還原型輔酶IINAD二、污染物在體內的生物轉化（二）生物轉化的過程1.相I反應（1）氧化反應微粒體MFO參與的反應脂肪族羥化芳香族羥化：羥化為酚類N-羥化：毒性與羥化部位有關環(huán)氧化：烯烴類轉化為環(huán)氧化物N-氧化/P-氧化/S-氧化氧化性脫烷基/脫氨/脫鹵非微粒體單胺和二胺氧化醇、醛氧化.18二、污染物在體內的生物轉化微粒體MFO參與的反應脂肪族羥化芳二、污染物在體內的生物轉化（二）生物轉化的過程1.相I反應（2）還原反應微粒體還原（腸道的細菌體內）硝基還原偶氮還原還原性脫鹵非微粒體還原（醇、醛、酮、硫氧化物、氮氧化物等）（3）水解作用：污染物含有可被水解的酯鍵酯酶酰胺酶糖苷酶.19二、污染物在體內的生物轉化微粒體還原硝基還原偶氮還原還原性脫2.相II反應：亦稱結合反應（ConjugationReaction)解毒表現1）使有毒化合物某些功能基團失活；2）大多數化合物通過結合反應，水溶性增加，很快由腎臟排出。反應階段1）首先是形成一個活化的中間體（需要ATP）2）繼而由多種轉移酶將活化的中間體的一個化學基團，作為供體轉移到另一個化學物（受體），形成結合物。受體——外源性化合物及其代謝產物供體——細胞內物質，是細胞代謝的正常產物，如：各種核苷酸衍生物，某些氨基酸（如甘氨酸、谷氨酰胺）及其衍生物（如谷胱甘肽）。.202.相II反應：亦稱結合反應（ConjugationRe2.相II反應：亦稱結合反應（ConjugationReaction)結合反應的主要類型結合反應類型結合物異物或某一級代謝物葡萄糖醛酸化UDPGA酚、醇、羧酸、胺、磺胺、硫醇硫酸化PAPS酚、芳香胺、醇甲基化SAM多元酚、硫醇、胺、N-雜環(huán)化合物乙酰化乙酰輔酶A胺、芳香胺、氨基化合物甘氨酸結合甘氨酸羧酸（以酰基輔酶A形式）谷胱甘肽結合谷胱甘肽鹵化物、硝基化合物、環(huán)氧化物.212.相II反應：亦稱結合反應（ConjugationRe微生物對生物外源性物質（人工合成的難降解污染物）的轉化作用種類：穩(wěn)定劑、表面活性劑、人工合成的聚合物（如塑料）、殺蟲劑、除草劑以及各種工藝流程中的廢品等。例子：

.22微生物對生物外源性物質（人工合成的難降解污染物）的轉化作用.1）氯苯類用途：穩(wěn)定劑（潤滑油、絕緣油、增塑劑、油漆、熱載體、油墨等都含有）危害：急性中毒；是一種致癌因子。降解菌：產堿桿菌、不動桿菌、假單胞菌、芽孢桿菌以及沙雷氏菌的突變體。降解機理：如，對二氯苯的微生物轉化，酶的催化脫氯是關鍵步驟.231）氯苯類.232）洗滌劑可分為陰離子型、陽離子型、非離子型、兩性電解質四類。我國目前生產的洗滌劑屬于陰離子型烷基苯磺酸鈉。較早開發(fā)的是非線性的丙烯四聚物型烷基苯磺酸鹽（ABS）：ABS甲基分支干擾生物降解，鏈末端與4個碳原子相連的季碳原子抗攻擊的能力更強。.242）洗滌劑ABS甲基分支干擾生物降解，鏈末端與4個碳原子相連A．降解洗滌劑的微生物細菌——假單胞菌、鄰單胞菌、黃單胞菌、產堿單胞菌、產堿桿菌、微球菌、大多數固氮菌放線菌——諾卡氏菌B.降解途徑.25A．降解洗滌劑的微生物.253）典型含氮有機物種類：氰化物、乙腈、丙腈、正丁腈、丙烯腈等腈類化合物及硝基化合物

水中來源：化工腈綸廢水、國防工業(yè)廢水、電鍍廢水等。危害：生物毒害、環(huán)境積累降解微生物：細菌——紫色桿菌、假單胞菌放線菌——諾卡氏菌真菌——氧化性酵母菌和霉菌中的赤霉菌(茄科病鐮刀霉)、木霉及擔子菌等.263）典型含氮有機物.26B．降解途徑a.氰化物5HCN+5.5O25CO2+H2O+5NH3b.有機腈.27B．降解途徑a.氰化物.27微生物對生物外源性物質（人工合成的難降解污染物）的轉化作用微生物對生物外源性物質的轉化作用：脫鹵（主要是脫氯）反應：如DDT的脫氯；還原反應：將生物外源性物質上的取代基，特別是硝基，進行還原；水合反應：如對有機氰的水合反應，形成無毒的含氮有機化合物…共代謝

(cometabolism)：是指微生物在生長基存在的情況下對非生長基的降解,降解的中間產物又會被另外一種微生物所代謝,最后污染物完全礦化。

——是去除難降解有機污染物的主要方式。.28微生物對生物外源性物質（人工合成的難降解污染物）的轉化作用.影響生物轉化的因素生物因素——種族、個體差異（由各自的遺傳因素決定，主要體現在生物體內酶的種類和活力有區(qū)別）生理因素年齡性別激素和晝夜規(guī)律：機體在每日不同時間的生物轉化能力有高低差異，與內分泌功能的晝夜規(guī)律有關。代謝酶的抑制和誘導營養(yǎng)因素——蛋白質、無機鹽、維生素等營養(yǎng)缺乏時會以不同方式影響到生物體對外源性化合物的轉化作用。.29.29任何一種外源性化合物的生物轉化方式不是簡單的，它們可同時進行不同的氧化還原或水解反應，此后又可繼續(xù)進行不同類型的結合反應。生物轉化過程極其復雜，同一種外源性化合物可以進行不同形式轉化反應，形成各種不同的代謝產物，導致不同的生物學效應。生物轉化的結果有兩方面：解毒作用（失活）：使外源性化合物毒性降低，易于排出，或使其轉變?yōu)橐子诒黄渌⑸锼到獾幕衔铩Ｔ龆咀饔茫ɑ罨菏蛊涠拘栽黾印?30.30第四節(jié)

環(huán)境污染物在生物體內

的濃縮、積累與放大.31第四節(jié)

環(huán)境污染物在生物體內

的濃縮、積累與放大.31一、生物濃縮生物濃縮（Bioconcentration）——指生物機體或處于同一營養(yǎng)級上的許多生物種群，從周圍環(huán)境中蓄積某種元素或難分解化合物，使生物體內該物質的濃度超過環(huán)境中的濃度的現象，又稱生物學濃縮、生物學富集。指標：生物濃縮系數/富集因子（BioconcentrationFactor，BCF）KBCF＝物質在生物體內的濃度/物質在環(huán)境介質中的濃度.32一、生物濃縮.32一、生物濃縮影響生物濃縮程度的因素物質本身的性質：同一種生物對不同物質的濃縮程度會有很大差別，如褐藻對鉬的濃縮系數是11，對鉛的濃縮系數卻高達70000；生物因素：不同種生物對同一種物質的濃縮程度會有很大差別；環(huán)境因素：同一種物質，由于環(huán)境條件不同，濃縮程度也可能不同。.33一、生物濃縮.33二、生物累積生物累積（Bioaccumulation）——指生物在其整個代謝活躍期間通過吸收、吸附、吞食等各種過程，從周圍環(huán)境中蓄積某些元素或難分解化合物，以致隨著生長發(fā)育，濃縮系數不斷增大的現象，又稱生物學積累。指標：濃縮系數發(fā)生生物累積的條件：機體內某種元素或難分解化合物的濃縮水平取決于攝取和消除這兩個相反過程的速率，當攝取量〉消除量→生物累積.34二、生物累積.34二、生物累積影響生物累積程度的因素：生物因素：不同種生物、同種生物的不同器官和組織、生物體的個體大小、不同生長發(fā)育階段；例如：1）體重不同的黃鱔對PCB的累積程度不同；2）水生態(tài)系統(tǒng)中，單細胞浮游植物對重金屬和有機鹵代化合物的攝取主要是通過吸附作用，因此攝取量是表面積的函數，不是生物量的函數。.35二、生物累積.35三、生物放大生物放大（Biomagnification）——指在生態(tài)系統(tǒng)中，由于高營養(yǎng)級生物以低營養(yǎng)級生物為食物，某元素或難分解化合物在生物機體中濃度隨營養(yǎng)級的提高而逐步增大的現象，又稱生物學放大。

結果：使食物鏈上高營養(yǎng)級生物機體中物質的濃度顯著地超過環(huán)境濃度。指標：濃縮系數.36三、生物放大.36水生食物鏈中污染物的遷移和歸趨路徑（據葉常明）.37水生食物鏈中污染物的遷移和歸趨路徑（據葉常明）.37三、生物放大例子：美國圖爾湖和克拉馬斯南部保護區(qū)有機氯殺蟲劑DDT對生物群落的污染（如圖1-6）

湖水（0.006mg/L）→大型水生植物（0.0-2.1mg/L,3500）→無脊椎動物（0.0-610mg/L,10000）→魚類（痕量-1.6mg/L）→水鳥（63-75.5mg/L,105000-125873）,水鳥脂肪體（459.5mg/L,765833）.38三、生物放大.38三、生物放大各種生物對不同物質的生物放大作用有差別。生物放大的原理：生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的物質流動。假定：污染物在食物鏈轉移過程中沒有代謝和排泄損失例子…….A物質100g（0.1mgDDT,1mg/kg）B物種A物質10g（0.1mgDDT,10mg/kg）C物種A物質1g（0.1mgDDT,100mg/kg）.39三、生物放大A物質100g（0.1mgDDT,1mg/kg美國長島河口地區(qū)生物對DDT富集的研究：大氣顆粒物中DDT含量：3×10-6mg/kg水體小魚體內的DDT含量：0.5mg/kg浮游動物體內DDT含量：0.04mg/kg大魚體內的DDT含量：2mg/kg富集系數約為6×105倍DDT排出量DDT攝取量＞生物富集.40美國長島河口地區(qū)生物對DDT富集的研究：大氣顆粒物中DDT山東省東營市廣利河水生態(tài)環(huán)境中PCBs的生物富集：.41山東省東營市廣利河水生態(tài)環(huán)境中PCBs的生物富集：.41DDT殘毒的生物放大的例子（據葉常明）.42DDT殘毒的生物放大的例子（據葉常明）.42受污染的水體食物鏈的生物放大作用人類健康生態(tài)破壞研究表明，親脂性化合物的生物放大是化合物在較高營養(yǎng)級生物體內得以積累的主要貢獻。但是對于其它大多數化學物，相對于生物濃縮，生物放大對化學物的積累是一個不大重要的因素。.43受污染的水體食物鏈的生物放大作用人類健康研究表明，親脂性四、生物濃縮系數（BCF）例子：土壤和植物之間的BCF=植物體內某物質的濃度/土壤溶液中該物質的濃度通常BCF用來表示某種物質在水中的濃度同在水生生物體內的濃度之間的關系。平衡濃縮系數：物質交換達到動態(tài)平衡時的濃縮系數。測定方法.44四、生物濃縮系數（BCF）.44四、生物濃縮系數（BCF）測定方法測定方法優(yōu)缺點平衡法實驗室飼養(yǎng)法條件易于控制，但求得的數值不夠準確，與自然條件下的實際數值有差距（小些）野外調查法能夠求得標準的數值，但技術難度大（如分析技術的限制），試驗的時間周期可能較長動力學方法（KBCF=攝取速率常數K1/釋放速率常數K2）節(jié)省試驗時間，更適合大個體生物其他間接測定方法利用lgKBCF與lgKOW或Sw（溶解度）的相關關系來推算對有機毒物.45四、生物濃縮系數（BCF）測定方法優(yōu)缺點平衡法實驗室飼養(yǎng)法條四、生物濃縮系數（BCF）影響B(tài)CF的因素生理因素：如生物的生長、發(fā)育、大小、年齡環(huán)境因素：如污染物的濃度、化學形態(tài)、環(huán)境溫度、pH值、光照條件及季物質本身的性質：如化學性質、物理狀態(tài).46四、生物濃縮系數（BCF）.46辛醇/水分配系數定義：有機化學物的辛醇/水分配系數Kow指在一個由辛醇和水組成的兩相平衡體系中，化學物在辛醇相的摩爾濃度Co與其在水相中的摩爾濃度Cw之比，即Kow=Co/CwKow反映了有機化學物在有機相和水相間分配的一種傾向，或者說反映了該化學物的疏水與親水的一種性質，Kow越大的化學物，其疏水性就越大。Kow的大小主要取決于化學物與辛醇和水兩種容積間相互作用力的大小及性質。分子間作用力與辛醇相似的化學物的Kow較大，如壬醇；分子間作用力與水相似的化學物的Kow一般較小，如甲醇。.47辛醇/水分配系數.47辛醇/水分配系數必須注意的一點：一個化學物的Kow不同于該化學物在辛醇和水中溶解度的比值，因為定義Kow時，辛醇/水二元體系中所指的辛醇相和水相都不是純的辛醇和水。環(huán)境意義：研究顯示，與化學物的水溶度、沉積物或土壤對化學物的吸附系數、化學物的生物濃縮因子等都有密切的聯(lián)系，因此，研究的測定和計算方法，對于研究有機污染物在多介質環(huán)境中的行為和生態(tài)效應具有非常重要的意義。.48辛醇/水分配系數.48五、生物濃縮機理和濃縮模型（一）生物濃縮機理qvCB1VBcBVTcTK2cTqvcBo血液組織圖1－7生物體某一組織生物濃縮的機理模型其中，qv——血液通過該組織的流量；cB1和cB0——進出該組織的血中化合物的濃度；VB和VT——血管和生物組織的體積；cB和cT——化合物在血液和組織中的濃度；K2——化合物的代謝速率常數。.49五、生物濃縮機理和濃縮模型qvCB1VBcBVTcTK（一）生物濃縮機理如果在一定條件下，血液流量qv及進出生物組織的化合物濃度cB1、cB0恒定，則由物料平衡可得該組織的生物濃縮速率方程：由此可知：生物組織中化合物的濃度不僅與該化合物在該組織中的代謝速率有關，還與進出組織的血液中的化合物濃度差成正比。其中，(cB1-cB0)的數值反映了生物組織及血液對化合物的親合性的差異。積分得：在qv、cB1

、cB0一定時，K2越小，持續(xù)時間越長，化合物在該組織中的濃縮量越大，當t→∞時：.50（一）生物濃縮機理如果在一定條件下，血液流量qv及進出生物組（二）生物濃縮模型利用模型來模擬生物濃縮自然過程，這里的模型主要指數學模型，如單一組合模型、食物鏈組合模型等。例子：水生生物濃縮的單一組合模型設：K——化合物在水生生物和水中的分配系數Kcw——水生生物在水中可攝取化合物的最大濃度則：K1(Kcw-cf)——水生生物從水體中攝取化合物的速度

當考慮化合物從生物體中的釋出(K-1)和化合物的降解(K2)可得該化合物在生物物體內的濃度變化速度為：.51（二）生物濃縮模型.51（二）生物濃縮模型當水體足夠大時，水體中化合物的濃度cw可視為恒定，則上式可積分得：水Cw生物CfK1K-1圖1-8化合物在水生生物和水中的分配當t→∞時，可分成三種情況進行討論：1)K1?K-1;2)K1≈K-1;3)K1?K-1..52（二）生物濃縮模型水生物K1K-1圖1-8化合物在水生生影響生物濃縮的因素生物生物種的生物學特征（體形、大小、適應性、生長速度、繁殖等）不同組織器官的影響（如脂肪含量不同的器官）不同發(fā)育期與性別的關系污染物污染物的性質（狀態(tài)、結構、分子量等）污染物濃度和作用時間環(huán)境條件：溫度、光照、pH….53影響生物濃縮的因素生物.53謝謝！.54謝謝！.54

環(huán)境污染物在生態(tài)系統(tǒng)中的行為環(huán)境生物學.55

環(huán)境污染物在生態(tài)系統(tǒng)中的行為環(huán)境生物學.1詳細介紹污染物進入生物機體途徑、在體內的生物轉化、濃縮、積累、放大及其機理教材：孔繁翔主編，環(huán)境生物學，2000，高等教育出版社，北京.56詳細介紹污染物進入生物機體途徑、在體內的生物轉化、濃縮、積累第三節(jié)

污染物在生物體內

的生物轉運和生物轉化.57第三節(jié)

污染物在生物體內

的生物轉運和生物轉化.3生物轉運（Bio-transport）——指環(huán)境污染物經各種途徑和方式同生物機體接觸而被吸收、分布和排泄等過程的總稱。這些過程具有類似機理：都需要通過細胞的膜結構。生物膜（細胞膜）：包括細胞外層的細胞膜（質膜）、細胞內的內質網膜、線粒體膜和核膜等。生物膜的組成：脂質分子（主要是磷脂類）和蛋白分子。膜的內外表面是親水端，膜的中心是疏水部分。許多環(huán)境污染物的毒作用與生物膜的結構有關。.58生物轉運（Bio-transport）——指環(huán)境污染物經各種.59.5（一）污染物透過細胞膜的方式特點方式濃度梯度有無載體是否耗能其它特點被動轉運（PassiveTransport)簡單擴散高濃度低濃度（順）無否脂溶性有機化合物的主要轉運方式濾過過程通過膜上的親水性孔道；是分子直徑小于生物膜親水性孔道直徑的水溶性化合物的主要轉運方式。特殊轉運主動轉運低濃度高濃度（逆）有耗能水溶性大分子化合物的主要方式易化擴散高濃度低濃度（順）有否胞飲作用（Pinocytosis)胞飲作用內吞物質為液體吞噬作用內吞物質為固體物質.60（一）污染物透過細胞膜的方式特點（二）污染物的吸收（AbsorptionofPollutant）——指污染物在多種因素影響下，自接觸部位透過體內細胞膜進入血液循環(huán)的過程。多數動物吸收的主要途徑：呼吸系統(tǒng)、消化管和皮膚1）呼吸系統(tǒng)吸收吸收對象主要針對氣體、蒸汽、氣溶膠、顆粒狀物質等形式的污染物。吸收方式多以被動擴散的方式，通過呼吸膜吸收入血。氣體、蒸汽的吸收速度與肺泡和血液中毒物的濃度（分壓）差呈正比；氣溶膠和顆粒狀物質的吸收情況與顆粒大小有明顯差異，有生物學意義的顆粒大小是0.1-10μm。主要吸收部位：如，肺。肺泡數量多，表面積大，遍布毛細血管，便于污染物經肺迅速吸收進入血管。.61（二）污染物的吸收（AbsorptionofPollut（二）污染物的吸收（AbsorptionofPollutant）多數動物吸收的主要途徑：呼吸系統(tǒng)、消化管和皮膚2）消化管吸收吸收對象主要為飲水和由大氣、水、土壤進入食物鏈中的污染物。吸收方式多以簡單擴散方式通過細胞膜而被吸收。污染物在消化管吸收的多少與其濃度和性質有關，濃度越高吸收越多，脂溶性物質較易吸收，水溶性易離解或難溶于水的物質則不易吸收。主要吸收部位如胃和小腸。哺乳動物的腸道中有特殊的轉運系統(tǒng)吸收營養(yǎng)物質和電解質；有些污染物（如鉈和鉛）可為正常吸收鐵和鈣的系統(tǒng)所轉運。胃酸、胃腸道消化液和腸道微生物都可使化學物質降解或發(fā)生其他變化，使其被吸收的情況以及毒性作用與原來化合物不同。.62（二）污染物的吸收（AbsorptionofPollut（二）污染物的吸收（AbsorptionofPollutant）多數動物吸收的主要途徑：呼吸系統(tǒng)、消化管和皮膚3）皮膚吸收：如有機磷農藥可透過完整皮膚引起中毒。污染物經皮膚吸收的兩條途徑：1）通過表皮脂質屏障是主要的吸收途徑；2）通過汗腺、皮脂腺和毛囊等皮膚附屬器，繞過表皮屏障隨意直接進入真皮。但這不是主要吸收途徑。污染物經皮膚吸收的兩個不同階段：1）第一階段——穿透相，污染物透過表皮進入真皮。主要以簡單擴散方式透過，透過速度與污染物的脂溶性有關；2）第二階段——吸收相，污染物由真皮進入乳頭層毛細血管。毒物的擴散速度取決于本身的水溶性。影響皮膚吸收的因素：皮膚完整與否、皮膚的部位、污染物的理化性質、化合物與皮膚接觸的條件（接觸的面積、持續(xù)時間等）。.63（二）污染物的吸收（AbsorptionofPollut（二）污染物的吸收（AbsorptionofPollutant）植物吸收的主要途徑：1）根部吸收以及隨后隨蒸騰流而輸送到植物各部分，有兩種方式：主動吸收（耗能）和被動吸收（包括吸收、擴散、質量流動）；2）通過植物葉片上的氣孔從周圍空氣中吸收污染物，是植物對大氣污染物（如SO2,NOx,O3）吸收的主要方式；3）有機化合物的蒸汽經過植物地上部分表皮滲透而攝入體內。.64（二）污染物的吸收（AbsorptionofPollut（三）污染物的體內分布——指環(huán)境污染物隨血液或其它體液的流動，分散到全身各組織細胞的過程。一部分污染物可以和血漿蛋白質（主要是白蛋白）結合（可逆），而不易透過生物膜；一部分呈游離狀態(tài)，可以到達一定的組織細胞，呈現某種生物學作用。被吸收的環(huán)境污染物，有些可在脂肪組織或骨組織中蓄積和沉積，一般對機體的毒性作用較小；例如：90%鉛沉積在骨骼中；DDT和六六六等有機氯化合物則大量蓄積在脂肪組織中。但在脂肪或骨組織中蓄積的污染物，在一定的條件下，可被重新釋放，進入全身循環(huán)中，如饑餓時。.65（三）污染物的體內分布.11（四）污染物的排泄——指進入機體的環(huán)境污染物及其代謝產物被機體清除的過程。排泄的主要途徑是通過腎臟進入尿液和通過肝臟的膽汁進入糞便，有的環(huán)境污染物還可隨同呼出的氣體、汁液等排出體外。1）腎臟排泄：是污染物最重要的排泄器官，轉運方式是腎小球濾過和腎小管主動轉運；2）隨同膽汁排泄：也是一種主要排泄途徑。腸胃道吸收的污染物進入肝臟，被代謝轉化，并通過主動轉運進入膽汁，隨糞便排出；3）其他排泄途徑.66（四）污染物的排泄.12污染物在體內的生物轉化（一）生物轉化（Biotransformation）的概念生物轉化——指外源化合物進入生物機體后在有關酶系統(tǒng)的催化作用下的代謝變化過程。其中：1）外源化合物（Xenobiotics

）指除了營養(yǎng)元素及維持正常生理功能和生命所必需的物質以外，存在于環(huán)境之中，可與機體接觸并進入機體引起機體發(fā)生生物學變化的物質。又叫外來化合物或外源性生物活性物質。例如：藥物、日用化學品、食品添加劑、環(huán)境污染物等。生物外源性物質是指那些人工合成的，具有不被現有降解酶系所識別和作用的分子結構和化學鍵序列的化合物，簡而言之，就是不能被生物降解的化合物。如DDT、六六六、多氯聯(lián)苯、染料、塑料、合成橡膠等。

.67污染物在體內的生物轉化.13（一）生物轉化（Biotransformation）的概念2）內源性化合物：指生物機體正常的生理活動產生的物質。3）酶（Enzyme）：是由活細胞產生的，能在體內和體外起同樣催化作用的一類具有活性中心和特殊構象的生物大分子，包括蛋白質和核酸。4）生物轉化的主要場所是肝臟，其它有肺、胃、腸、皮膚等。.68（一）生物轉化（Biotransformation）的概念.二、污染物在體內的生物轉化（二）生物轉化的過程相I過程（反應）——外源性化合物在有關酶系統(tǒng)的催化下經由氧化、還原或水解反應改變其化學結構，形成某些活性基團（－OH、－SH、－COOH、－NH2）或進一步使這些活性基團暴露。相II過程（反應）——相I過程產生的一級代謝物在另外的酶系統(tǒng)催化下通過上述活性基團與細胞內的某些化合物結合，生成結合產物（二級代謝物）或帶有某些基團的外源性化合物與細胞內物質結合反應。.69二、污染物在體內的生物轉化.15二、污染物在體內的生物轉化（二）生物轉化的過程排出體外外源性化合物一級代謝物結合產物（二級代謝）毒害作用過程I（相I反應）圖1－5生物轉化過程示意圖過程II（相II反應）.70二、污染物在體內的生物轉化排出體外外源性化合物一級代謝物二、污染物在體內的生物轉化（二）生物轉化的過程1.相I反應（1）氧化反應：在混合功能氧化酶系的催化下進行的反應。

在氧化反應中，O2起了“混合”作用，即一個氧原子還原為水，另一個氧原子進入底物中。因此，這些酶稱為混合功能氧化酶（MixedFunctionOxidase,MFO）。NADPH2：還原型輔酶IINADP：氧化型輔酶IIRH（污染物）MFOROH（氧化產物）O2NADPH2NADPH2O微粒體（Microsome）非微粒體.71二、污染物在體內的生物轉化NADPH2：還原型輔酶IINAD二、污染物在體內的生物轉化（二）生物轉化的過程1.相I反應（1）氧化反應微粒體MFO參與的反應脂肪族羥化芳香族羥化：羥化為酚類N-羥化：毒性與羥化部位有關環(huán)氧化：烯烴類轉化為環(huán)氧化物N-氧化/P-氧化/S-氧化氧化性脫烷基/脫氨/脫鹵非微粒體單胺和二胺氧化醇、醛氧化.72二、污染物在體內的生物轉化微粒體MFO參與的反應脂肪族羥化芳二、污染物在體內的生物轉化（二）生物轉化的過程1.相I反應（2）還原反應微粒體還原（腸道的細菌體內）硝基還原偶氮還原還原性脫鹵非微粒體還原（醇、醛、酮、硫氧化物、氮氧化物等）（3）水解作用：污染物含有可被水解的酯鍵酯酶酰胺酶糖苷酶.73二、污染物在體內的生物轉化微粒體還原硝基還原偶氮還原還原性脫2.相II反應：亦稱結合反應（ConjugationReaction)解毒表現1）使有毒化合物某些功能基團失活；2）大多數化合物通過結合反應，水溶性增加，很快由腎臟排出。反應階段1）首先是形成一個活化的中間體（需要ATP）2）繼而由多種轉移酶將活化的中間體的一個化學基團，作為供體轉移到另一個化學物（受體），形成結合物。受體——外源性化合物及其代謝產物供體——細胞內物質，是細胞代謝的正常產物，如：各種核苷酸衍生物，某些氨基酸（如甘氨酸、谷氨酰胺）及其衍生物（如谷胱甘肽）。.742.相II反應：亦稱結合反應（ConjugationRe2.相II反應：亦稱結合反應（ConjugationReaction)結合反應的主要類型結合反應類型結合物異物或某一級代謝物葡萄糖醛酸化UDPGA酚、醇、羧酸、胺、磺胺、硫醇硫酸化PAPS酚、芳香胺、醇甲基化SAM多元酚、硫醇、胺、N-雜環(huán)化合物乙酰化乙酰輔酶A胺、芳香胺、氨基化合物甘氨酸結合甘氨酸羧酸（以酰基輔酶A形式）谷胱甘肽結合谷胱甘肽鹵化物、硝基化合物、環(huán)氧化物.752.相II反應：亦稱結合反應（ConjugationRe微生物對生物外源性物質（人工合成的難降解污染物）的轉化作用種類：穩(wěn)定劑、表面活性劑、人工合成的聚合物（如塑料）、殺蟲劑、除草劑以及各種工藝流程中的廢品等。例子：

.76微生物對生物外源性物質（人工合成的難降解污染物）的轉化作用.1）氯苯類用途：穩(wěn)定劑（潤滑油、絕緣油、增塑劑、油漆、熱載體、油墨等都含有）危害：急性中毒；是一種致癌因子。降解菌：產堿桿菌、不動桿菌、假單胞菌、芽孢桿菌以及沙雷氏菌的突變體。降解機理：如，對二氯苯的微生物轉化，酶的催化脫氯是關鍵步驟.771）氯苯類.232）洗滌劑可分為陰離子型、陽離子型、非離子型、兩性電解質四類。我國目前生產的洗滌劑屬于陰離子型烷基苯磺酸鈉。較早開發(fā)的是非線性的丙烯四聚物型烷基苯磺酸鹽（ABS）：ABS甲基分支干擾生物降解，鏈末端與4個碳原子相連的季碳原子抗攻擊的能力更強。.782）洗滌劑ABS甲基分支干擾生物降解，鏈末端與4個碳原子相連A．降解洗滌劑的微生物細菌——假單胞菌、鄰單胞菌、黃單胞菌、產堿單胞菌、產堿桿菌、微球菌、大多數固氮菌放線菌——諾卡氏菌B.降解途徑.79A．降解洗滌劑的微生物.253）典型含氮有機物種類：氰化物、乙腈、丙腈、正丁腈、丙烯腈等腈類化合物及硝基化合物

水中來源：化工腈綸廢水、國防工業(yè)廢水、電鍍廢水等。危害：生物毒害、環(huán)境積累降解微生物：細菌——紫色桿菌、假單胞菌放線菌——諾卡氏菌真菌——氧化性酵母菌和霉菌中的赤霉菌(茄科病鐮刀霉)、木霉及擔子菌等.803）典型含氮有機物.26B．降解途徑a.氰化物5HCN+5.5O25CO2+H2O+5NH3b.有機腈.81B．降解途徑a.氰化物.27微生物對生物外源性物質（人工合成的難降解污染物）的轉化作用微生物對生物外源性物質的轉化作用：脫鹵（主要是脫氯）反應：如DDT的脫氯；還原反應：將生物外源性物質上的取代基，特別是硝基，進行還原；水合反應：如對有機氰的水合反應，形成無毒的含氮有機化合物…共代謝

(cometabolism)：是指微生物在生長基存在的情況下對非生長基的降解,降解的中間產物又會被另外一種微生物所代謝,最后污染物完全礦化。

——是去除難降解有機污染物的主要方式。.82微生物對生物外源性物質（人工合成的難降解污染物）的轉化作用.影響生物轉化的因素生物因素——種族、個體差異（由各自的遺傳因素決定，主要體現在生物體內酶的種類和活力有區(qū)別）生理因素年齡性別激素和晝夜規(guī)律：機體在每日不同時間的生物轉化能力有高低差異，與內分泌功能的晝夜規(guī)律有關。代謝酶的抑制和誘導營養(yǎng)因素——蛋白質、無機鹽、維生素等營養(yǎng)缺乏時會以不同方式影響到生物體對外源性化合物的轉化作用。.83.29任何一種外源性化合物的生物轉化方式不是簡單的，它們可同時進行不同的氧化還原或水解反應，此后又可繼續(xù)進行不同類型的結合反應。生物轉化過程極其復雜，同一種外源性化合物可以進行不同形式轉化反應，形成各種不同的代謝產物，導致不同的生物學效應。生物轉化的結果有兩方面：解毒作用（失活）：使外源性化合物毒性降低，易于排出，或使其轉變?yōu)橐子诒黄渌⑸锼到獾幕衔铩Ｔ龆咀饔茫ɑ罨菏蛊涠拘栽黾印?84.30第四節(jié)

環(huán)境污染物在生物體內

的濃縮、積累與放大.85第四節(jié)

環(huán)境污染物在生物體內

的濃縮、積累與放大.31一、生物濃縮生物濃縮（Bioconcentration）——指生物機體或處于同一營養(yǎng)級上的許多生物種群，從周圍環(huán)境中蓄積某種元素或難分解化合物，使生物體內該物質的濃度超過環(huán)境中的濃度的現象，又稱生物學濃縮、生物學富集。指標：生物濃縮系數/富集因子（BioconcentrationFactor，BCF）KBCF＝物質在生物體內的濃度/物質在環(huán)境介質中的濃度.86一、生物濃縮.32一、生物濃縮影響生物濃縮程度的因素物質本身的性質：同一種生物對不同物質的濃縮程度會有很大差別，如褐藻對鉬的濃縮系數是11，對鉛的濃縮系數卻高達70000；生物因素：不同種生物對同一種物質的濃縮程度會有很大差別；環(huán)境因素：同一種物質，由于環(huán)境條件不同，濃縮程度也可能不同。.87一、生物濃縮.33二、生物累積生物累積（Bioaccumulation）——指生物在其整個代謝活躍期間通過吸收、吸附、吞食等各種過程，從周圍環(huán)境中蓄積某些元素或難分解化合物，以致隨著生長發(fā)育，濃縮系數不斷增大的現象，又稱生物學積累。指標：濃縮系數發(fā)生生物累積的條件：機體內某種元素或難分解化合物的濃縮水平取決于攝取和消除這兩個相反過程的速率，當攝取量〉消除量→生物累積.88二、生物累積.34二、生物累積影響生物累積程度的因素：生物因素：不同種生物、同種生物的不同器官和組織、生物體的個體大小、不同生長發(fā)育階段；例如：1）體重不同的黃鱔對PCB的累積程度不同；2）水生態(tài)系統(tǒng)中，單細胞浮游植物對重金屬和有機鹵代化合物的攝取主要是通過吸附作用，因此攝取量是表面積的函數，不是生物量的函數。.89二、生物累積.35三、生物放大生物放大（Biomagnification）——指在生態(tài)系統(tǒng)中，由于高營養(yǎng)級生物以低營養(yǎng)級生物為食物，某元素或難分解化合物在生物機體中濃度隨營養(yǎng)級的提高而逐步增大的現象，又稱生物學放大。

結果：使食物鏈上高營養(yǎng)級生物機體中物質的濃度顯著地超過環(huán)境濃度。指標：濃縮系數.90三、生物放大.36水生食物鏈中污染物的遷移和歸趨路徑（據葉常明）.91水生食物鏈中污染物的遷移和歸趨路徑（據葉常明）.37三、生物放大例子：美國圖爾湖和克拉馬斯南部保護區(qū)有機氯殺蟲劑DDT對生物群落的污染（如圖1-6）

湖水（0.006mg/L）→大型水生植物（0.0-2.1mg/L,3500）→無脊椎動物（0.0-610mg/L,10000）→魚類（痕量-1.6mg/L）→水鳥（63-75.5mg/L,105000-125873）,水鳥脂肪體（459.5mg/L,765833）.92三、生物放大.38三、生物放大各種生物對不同物質的生物放大作用有差別。生物放大的原理：生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的物質流動。假定：污染物在食物鏈轉移過程中沒有代謝和排泄損失例子…….A物質100g（0.1mgDDT,1mg/kg）B物種A物質10g（0.1mgDDT,10mg/kg）C物種A物質1g（0.1mgDDT,100mg/kg）.93三、生物放大A物質100g（0.1mgDDT,1mg/kg美國長島河口地區(qū)生物對DDT富集的研究：大氣顆粒物中DDT含量：3×10-6mg/kg水體小魚體內的DDT含量：0.5mg/kg浮游動物體內DDT含量：0.04mg/kg大魚體內的DDT含量：2mg/kg富集系數約為6×105倍DDT排出量DDT攝取量＞生物富集.94美國長島河口地區(qū)生物對DDT富集的研究：大氣顆粒物中DDT山東省東營市廣利河水生態(tài)環(huán)境中PCBs的生物富集：.95山東省東營市廣利河水生態(tài)環(huán)境中PCBs的生物富集：.41DDT殘毒的生物放大的例子（據葉常明）.96DDT殘毒的生物放大的例子（據葉常明）.42受污染的水體食物鏈的生物放大作用人類健康生態(tài)破壞研究表明，親脂性化合物的生物放大是化合物在較高營養(yǎng)級生物體內得以積累的主要貢獻。但是對于其它大多數化學物，相對于生物濃縮，生物放大對化學物的積累是一個不大重要的因素。.97受污染的水體食物鏈的生物放大作用人類健康研究表明，親脂性四、生物濃縮系數（BCF）例子：土壤和植物之間的BCF=植物體內某物質的濃度/土壤溶液中該物質的濃度通常BCF用來表示某種物質在水中的濃度同在水生生物體內的濃度之間的關系。平衡濃縮系數：物質交換達到動態(tài)平衡時的濃縮系數。測定方法.98四、生物濃縮系數（BCF）.44四、生物濃縮系數（BCF）測定方法