第一篇環境污染的生物效應

第一章環境污染物在生態系統中的行為本章將討論以下內容：環境污染概述污染物在環境中的遷移與轉化污染物在生物體內的生物轉運和生物轉化污染物在生物體內的濃縮、積累和放大生物對污染物在環境中行為的影響

1環境污染物在生態系統中的行為

1.1環境污染概述什么是環境污染（EnvironmentalPollution）？通常，環境污染主要指人類活動所引起的環境質量下降而有害于人類及其它生物的正常生存和發展的現象。而自然過程引起的同類現象稱為自然突變或異常。環境污染的分類生物污染化學污染物理污染按污染物性質廢氣污染廢水污染固體廢棄物污染噪聲污染輻射污染按污染物形態環境效應——環境污染所導致的環境變化環境生物效應：指各種環境因素變化而導致生態系統變異的結果。環境化學效應：在多種環境條件的影響下，物質之間的化學反應所引起的環境效果。如：酸雨、光化學煙霧等。環境物理效應：物理作用引起的環境效果。如熱污染、噪聲污染等。污染源（PollutionSource）工業污染源農業污染源交通運輸污染源生活污染源污染物的自然來源（NaturalSource）:自然界向環境排放，如：活動的火山或礦床；交通工業農業污染物的人為來源（ArtificialSource）

:來自人類活動，影響范圍廣、危害大，如工業三廢圖1-1污染源示意圖污染物（Pollutant）污染物指進入環境后使環境的正常組成結構、狀態和性質發生變化，直接或間接有害于人類的生存和發展的物質。生產性污染物和生活污染物一次污染物和二次污染物：二次污染物是指進人大氣的一次污染物之間相互作用或一次污染物與正常大氣組分發生化學反應，以及在太陽輻射線的參與下引起光化學反應而產生的新的污染物，它常比一次污染物對環境和人體的危害更為嚴重。優先污染物（PriorityPollutant）：指在眾多的污染物中篩選出的潛在危險大的作為優先研究和控制對象的污染物，亦稱優先控制污染物。主要針對下列污染物：有毒有機化學污染物、生物難降解性物質、具有生物積累性、三致性的污染物小結環境污染的特點：影響范圍大作用時間長污染物濃度低、情況復雜污染容易、治理難1.2污染物在環境中的遷移與轉化

1.2.1污染物在環境中的遷移遷移的定義：遷移是指污染物在環境中發生的空間位置的移動及其引起的富集、分散和消失的過程。污染物進入環境的途徑包括：（1）人類活動過程中無意排放（2）工業三廢（3）人類活動過程中故意應用注：進入環境的污染物可以在各個環境要素（水、氣、土）中發生遷移并輸送到很遠的距離。污染物的長距離傳送，往往由局部性污染引發區域性污染甚至全球性污染，這也是環境污染成為當代主要環境問題的原因之一。污染物在環境中的遷移方式機械遷移（1）水的機械遷移作用（2）氣的機械遷移作用（3）重力的機械遷移作用物理－化學遷移★污染物在環境中遷移的最重要的形式。（1）溶解－沉淀作用、絡合－螯合作用、吸附－解吸作用、氧化－還原作用、水解作用（2）化學分解、光化學分解、生物化學分解生物遷移例：生物通過食物鏈對重金屬的放大積累作用影響遷移的因素：內部因素污染物自身的物理化學性質：組成該物質的元素所具有的組成化合物的能力、形成不同的電價離子能力、水解能力、形成絡合物的能力、被膠體吸附的能力原子的電負性、離子半徑、電價、離子電位和化合物的鍵性、溶解度等都是影響遷移的主要理化參數。外部因素酸堿條件氧化－還原條件膠體的種類、數量絡合配位體的數量、性質1.2.2污染物的形態和分布（FormandDistributionofPollutant）污染物的形態定義：指環境中污染物的外部形狀、化學組成和內部結構的表現形式。污染物的存在形態包括：價態，如Cr（VI）、Cr（III）化合態，如有機汞和無機汞結構態，如同分異構體絡合態幾種重要的形態分類離子態代換態膠體有機結合態難溶態污染物的分布污染物的分布定義：指污染物在環境多組分間分布，不僅指在環境空間的濃度分布，而且還指污染物不同形態、不同相態之間的分配。例：汞形態的分布1.2.3污染物在環境中的轉化（TransformationofPollutant）轉化的定義指污染物在環境中通過物理、化學或生物的作用改變形態或轉變成另一種物質的過程。轉化的形式物理轉化：化學轉化生物轉化轉化的結果：兩種可能：污染物轉化為無毒物質或易降解結構污染物的毒性增強或轉化為難降解結構大氣中的轉化：以光化學氧化、催化氧化反應為主例一：光化學煙霧（PhotochemicalSmog）光化學煙霧是大氣中氮氧化物和碳氫化合物在紫外線照射下反應生成的多種污染物的混合物。光化學煙霧最具危害的兩種物質是臭氧(O3)和過氧乙酰硝酸酯(peroxyacetylnitrates,PAN)。例二：酸雨（AcidRain）大氣中的轉化圖1－2光化學煙霧實例**圖1-3光化學煙霧形成過程自然源、電廠以及內燃機等排放出的污染物在大氣中發生化學反應產生導致酸沉降的化學物質。圖1－4酸沉降形成示意圖水體中的轉化水體中的轉化主要通過下列途徑：氧化－還原作用天然水體本身是一個氧化－還原體系，含有多種無機、有機氧化劑和還原劑，如DO、Fe3+、Mn4+、S2－、有機化合物等，對污染物的轉化起重要作用。水體中的氧化還原類型、速率和平衡，在很大程度上決定了水中重要污染物的性質。如：厭氧性湖泊水體中的許多氧化還原反應均為微生物催化反應。配合作用無機配位體：OH－、Cl－、CO32-、HCO3－等有機配位體：生物降解作用土壤中的轉化土壤是環境中微生物最活躍的場所，故生物降解起重要作用。氧垂曲線（OxygenSagCurve）氧垂曲線的定義在河流受到有機物污染時，由于有機物的氧化分解作用，水體的DO發生變化。從污染源到河流下游一定距離內，可繪制一條DO逐漸變化的曲線，稱之為氧垂曲線。根據有機物在水體中分解變化和DO的變化，可把受污河流分成幾段:清潔區：未受污染分解區腐敗區恢復區1.2.4污染物的生物地球化學循環生物地球化學循環的概念指生物的合成作用和礦化作用所引起的污染物周而復始的循環運動過程。注：合成作用指生物（主要是綠色植物）將吸收的環境化學物質轉變為生物體本身的有機物質的過程。礦化作用指生物通過代謝作用（包括微生物的分解作用）將生物體的有機物質轉化為無機物質或簡單的有機物。循環過程循環機理1.3污染物在生物體內的生物轉運和生物轉化

1.3.1生物轉運生物轉運（Bio－transportorBiotransport）的概念生物轉運：是指環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。這些過程都需要通過細胞的膜結構。細胞膜（生物膜）有多種：細胞質膜、內質網膜、線粒體膜、核膜等；它們基本的化學組成、分子結構、功能有共同的特征。一般細胞膜由蛋白質分子和脂質分子（主要是磷脂類）組成污染物進入生物體后的變化知識點：污染物在生物體內的轉運；生物轉化4.1

物質通過生物膜的機理4.1.1生物膜的結構4.1.2物質通過生物膜的方式1.膜孔濾過細胞膜上具有充滿水分的小孔，水及水中的小分子物質活離子，可借助膜兩側的水壓或滲透壓透過細胞膜稱作膜孔濾過。毒物濾過膜孔的速度主要取決于膜孔的大小。

如，毛細血管合腎小球毛細血管的膜孔為40?；大多數細胞的膜孔為4?。2.被動擴散（濃度擴散）物質從高濃度側經細胞膜向低濃度側的轉運過程為被動擴散。多數外源性毒物常以這種方式通過細胞膜。擴散速率服從費克定律：擴散系數取決于通過物質的分子結構、脂溶性及帶電情況，和膜的性質。被動擴散不需耗能，不需載體參與，因而不會出現特異性選擇、競爭性抑制及飽和現象。3.易化擴散（載體轉運或載體擴散）某些物質借助膜上一些特殊蛋白-載體的幫助，由高濃度處經細胞膜向低濃度處擴散的轉運為易化擴散。擴散速率與膜上載體的數量有關。存在特異性選擇、競爭抑制和飽和現象。4.主動轉運在需消耗一定的代謝能量下，一些分子量較大的水溶性物質可在低濃度側與膜上高濃度特異性蛋白載體結合，通過生物膜，至高濃度側解離出原物質。這一轉運為主動轉運。存在特異性選擇、競爭抑制和飽和現象。5.胞吞和胞飲某些固態物質與細胞膜上某種蛋白質有特殊親和力，當其與細胞膜接觸后，可改變這部分膜的表面張力，引起細胞膜的外包或內凹，將固態物質包圍進入細胞，這種方式稱胞吞，如為液態物質，稱為胞飲。對于由網狀內皮系統清除肺泡里的微粒和血液中的某些毒物具有重要意義。總結：外來物質以何種方式通過細胞膜，主要取決于：①毒物本身的化學結構；②理化性質；③細胞膜的結構。易化擴散和主動轉運是正常營養物質及其代謝產物通過細胞膜的主要方式。除與正常營養物質及其代謝產物類似的毒物外，大多數物質是以被動擴散方式通過細胞膜。膜孔濾過不是主要方式。4.2污染物質在機體內的轉運

污染物質在機體內的運動過程包括吸收、分布、排泄和生物轉化。其中轉運包括：吸收、分布和排泄。消除包括：排泄和生物轉化。

4.2.1吸收吸收是污染物質從機體外，通過各種途徑通透體膜進入血液的過程。吸收主要途徑是消化管、呼吸管和皮膚。1.消化管吸收污染物最主要途徑。吸收主要部位在小腸，其次是胃。影響吸收的因素：污染物脂溶性：脂溶性越強，被小腸吸收越快。pH：小腸液pH≈6.6、胃液pH≈2，有機弱堿在小腸中吸收比胃中快；雖然有機酸在胃中比在小腸中利于吸收，但小腸吸收面積大且血流速快，因此還是小腸中吸收快。血流速度：對于脂溶性污染物，血流速度快，機體對污染物吸收速度大；一些極性污染物，脂溶性小，擴散為限速因素，對血流速度不敏感。2.呼吸管是吸收大氣污染物的主要途徑。主要吸收部位是肺泡。

氣體污染物可直接進入肺部而轉入血液呼吸>2.5m粒徑顆粒部分會留在鼻咽部，易通過人體活動排出0.5~2.5m粒徑顆粒部分可進入支氣管，粘于粘液層并排出<0.5m粒徑顆粒部分可深入肺部，部分被溶出進入體液3.皮膚人體皮膚攝取環境污染物的能力很差。具有水溶性兼脂溶性的低分子污染物（分子量＜300）如酚、苯胺等較易通過皮膚進入機體。此外，人體可通過出汗排污，但是次要途徑。4.2.2分布

分布是指污染物質被吸收后或其代謝轉化物質形成后，由血液轉送至機體各組織；與組織成分結合；從組織返回血液；以及再反復等過程。血流速度：脂溶性物質容易通過生物膜，組織血流速度是分布的限速。血腦屏障：污染物經膜的通透性是限速。污染物與血漿蛋白的結合能力：污染物常與血液中的血漿蛋白質結合。該結合呈可逆性。4.2.3排泄

排泄是污染物質及其代謝物質相機體外的轉運過程。排泄器官有腎、肝膽、腸、肺、外分泌等，而以腎和肝膽為主。腎排泄是污染物通過腎隨尿而排除的過程。腎排泄污染物的效率是腎小球濾過，近曲小管主動分泌和遠曲小管被動重吸收的綜合結果。是污染物的一個主要排泄途徑。肝膽系統的膽汁排泄污染物在肝臟的分泌主要是主動轉運，被動擴散較少。排泄物中，少數是原形物質，多數是代謝產物，所以膽汁排泄是原形污染物排出體外的一個次要途徑，是代謝產物的主要排除途徑。一般，分子量在300以上、水溶性大的化合物，膽汁排泄良好。4.2.4蓄積機體長期接觸某污染物質，若吸收超過排泄及其代謝轉化，則會出現該污染物質在體內逐增的現象，稱為生物蓄積。機體的主要蓄積部位：血漿蛋白、脂肪組織和骨骼。蓄積部位中的污染物質，常同血漿中游離型污染物質保持相對穩定的平衡。4.3污染物質的生物富集、放大和積累生物富集：生物通過非吞食方式，從周圍環境蓄積某種元素或難降解的物質，使其在機體內濃度超過周圍環境中濃度的現象。生物濃縮系數：影響生物濃縮系數的有關因素：

1、在物質性質方面

2、在生物特征方面

3、在環境條件方面4.3.1生物富集水生生物富集速率方程為：生物濃縮系數：End

4.3.2生物放大生物放大：同一食物鏈上的高營養級生物，通過吞食低營養級生物富集某種元素或難降解物質，使其在機體內的濃度隨營養級數提高而增大的現象。生物放大并不是在所有條件下都能發生4.3.3生物積累生物積累：生物從周圍環境和食物鏈蓄積某種元素或難降解物質，使其在機體中的濃度超過周圍環境中濃度的現象。水生生物的積累微分速率方程：式中，C~化學物質在生物體中濃度(g/g)；ka~生物從水中吸收化學物質速率常數(1/d)；~生物對化學物質同化效率(吸收化學物質重量/攝取化學物質重量)；R~每天每克體重所攝取的克數；Cf~食物中化學物質濃度(g/g)；k’~為生物釋放化學物質的排泄速率常數ke與生物增重速率常數kg之和(1/d)。

對上式積分得：達穩態時，于是有，

4.4.1生物轉化的一般原則1.生物轉化的定義生物轉化：在酶催化下發生的化學轉化。2.生物轉化的特點專一性高效性反應條件溫和4.4污染物質的生物轉化3.生物轉化的對象高度極性的物質：容易排泄，發生酶催化可能性小易蒸發的物質：容易從肺排泄，發生酶催化可能性小非極性親脂物質：容易發生酶催化反應高持久性的物質：容易發生酶催化反應4.4.2生物轉化中的酶1.分類根據催化起作用的場所：胞內酶；胞外酶根據酶的成分：單成分酶；雙成分酶根據催化反應類型：

氧化還原酶轉移酶水解酶裂解酶異構酶合成酶2.若干重要輔酶的功能FMN和FADNAD+和NADP+輔酶Q細胞色素酶系的輔酶輔酶A輔酶的成分：金屬離子、含金屬離子的有機化合物、小分子的復雜有機化合物。

輔酶Q的作用是在酶促反應中擔任遞氫任務,其作用見下圖：

細胞色素酶系的輔酶主要有細胞色素b、c1、c、a和a3等幾種在反應中擔當傳遞電子作用，見下圖輔酶A是一種轉移酶的輔酶，在酶促反應中起著傳遞酰基的作用3.

生物氧化中的氫傳遞過程

生物氧化是指有機物質在機體細胞內的氧化。

生物氧化是機體獲得能量的一種很重要的方式。因為有機化合物的鍵能很高。

生物氧化釋放的能量主要通過二磷酸腺苷與正磷酸合成三磷酸腺苷而被暫時存放。反應見下圖：氫傳遞過程的分類有氧氧化中以分子氧為直接受氫體的遞氫過程有氧氧化中以分子氧為間接受氫體的遞氫過程無氧氧化中有機底物轉化中間產物作受氫體的遞氫過程無氧氧化中某些無機含氧化合物作受氫體的遞氫過程1.有氧氧化中以分子氧為直接受氫體的遞氫過程2.有氧氧化中以分子氧為間接受氫體的遞氫過程3.無氧氧化中有機底物轉化中間產物作受氫體的遞氫過程酵母菌乳酸菌4.無氧氧化中某些無機含氧化合物作受氫體的遞氫過程4.4.3污染物質生物轉化類型第一階段反應~氧化、還原、水解第二階段反應~結合1.氧化反應

混合功能氧化酶加氧氧化脫氫酶脫氫氧化氧化酶氧化細胞色素P450酶1）混合功能氧化酶加氧氧化2）脫氫酶脫氫氧化醇氧化成醛醇氧化成酮醛氧化成羧基3）氧化酶氧化

氧化酶是伴隨有氫原子或電子轉移，以分子氧為直接受氫體的酶類。例如：1）可逆脫氫酶加氫還原；2）硝基還原酶還原；3）偶氮還原酶還原；2.還原反應類型4）還原脫氯酶還原1）羧酸酯酶使脂肪簇脂水解2）芳香酯酶使芳香簇脂水解3）磷脂酶使磷酸酯水解3.水解反應類型4)酰胺酶使酰胺水解葡萄糖醛酸結合硫酸結合谷胱甘肽結合4.若干重要結合反應類型(1)葡萄糖醛酸結合(2)硫酸結合(3)谷胱甘肽結合End

4.4.4有毒污染物質的微生物降解(1)烴類β-氧化：在有氧氧化條件下，飽和脂肪酸經過酶促β-氧化變成脂酰輔酶A和乙酰輔酶A。乙酰輔酶A進入三羧酸循環，生成CO2和H2O。脂酰輔酶A又經β-氧化途徑進行轉化。三羧酸循環TCACH3COCOOH+5/2O23CO2+2H2O正烷烴的降解烯烴的降解苯的降解苯氧乙酸有機磷殺蟲劑-對硫磷DDT降解(2)農藥苯氧乙酸的降解對硫磷的降解途徑DDT的降解DDT的主要降解途徑是：在微生物還原脫氯酶作用下，脫氯和脫氯化氫6.氮的微生物轉化(1)氮的主要形態：分子氮生物體內的蛋白質、核酸等有機氮化物，以及生物殘體變成的各種有機氮化合物銨鹽、硝酸鹽等無機氮化合物氨的同化：將氨合成細胞物質的生物反應。氨化：將有機氮轉化為氨的生物反應。硝化：將氨氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽的生物反應。反硝化：將硝酸鹽還原的生物反應。固氮：將氮氣還原為氨的生物反應。(2)

氮形態的生物轉化硝化硝化分為兩個階段：

2NH3+3O2

2H++2NO2-+2H2O+能量

（亞硝化菌）

2NO2-

+O2

2NO3-+能量

（硝化菌）

硝化菌和亞硝化菌均為化能自氧細菌，對環境條件高度敏感。一般認為：DO控制在1.5~2.0mg/L；生長溫度范圍5~40℃，最佳溫度為25~30℃；最適生長pH，亞硝化菌為7.0~8.5，硝化菌為6.5~7.5。反硝化反硝化需要厭氧環境，氧分壓愈低，反硝化愈強，一般低于0.5mg/L；需有機物作為碳源；pH一般為中性至微堿性；適宜溫度范圍15~35℃。7.汞的微生物轉化汞的生物甲基化在好氧或厭氧條件下，水體底質中某些微生物能使二價無機汞鹽轉變為甲基汞和二甲基汞的過程，稱汞的生物甲基化。生物作用還原轉化汞

1．酶促反應

米氏方程的推導：4.4.5生物降解速率酶促體系處于動態平衡時，

整理后，

產物P的生成速率：

堿性磷酸酶（AlkalinePhosphatase,AP）是一種專一性較廣的磷酸酯水解酶，可以催化所有的磷酸酯的水解反應和磷酸基團的轉移反應，在生物體內具有非常重要的生理功能。2．生長代謝Growthmetabolism有毒有機物作為微生物培養的唯一碳源，使有毒有機物進行徹底的降解或礦化。

可用Monod方程式來描述當化合物為唯一碳源時，化合物的降解速率：

當污染物濃度很低且微生物種群及量確定后，通常可以用簡單的一級動力學方程表示降解速率為：3.共代謝Cometabolism

某些有機物不能作為微生物培養的唯一碳源，必須有另外的化合物提供微生物碳源或能源，該有機物才降解，這類降解稱共代謝作用。

它在難降解的有機物代謝過程中起重要作用，展示了通過幾種微生物的一系列微生物共代謝作用，可使某些特殊的有機化合物降解的可能性。

共代謝作用直接與微生物種群的多少成正比，Paris等描述了微生物催化水解反應的二級速率定律：總結：影響生物降解的主要因素是化合物本身的化學結構和微生物的種類。其次，影響生物降解作用的因素還有環境條件：pH值，溫度，鹽度，溶解氧濃度，營養物料的種類，濃度等。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）有否胞飲作用內吞物質為液體吞噬作用內吞物質為固體物質表1－1污染物透過細胞膜的方式污染物的吸收（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的過程。動物吸收的主要途徑有：呼吸系統、消化管和皮膚（1）呼吸系統吸收特點:吸收對象主要針對氣體、蒸汽、氣溶膠等形式的污染物。吸收方式多以被動擴散的方式，通過呼吸膜吸收入血。主要部位例如：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。（2）消化管吸收特點：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。主要部位如胃和小腸。（3）皮膚吸收：如有機磷農藥可透過完整皮膚引起中毒。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；（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污染物的體內分布指環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。污染物的排泄指進入機體的環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，有的環境污染物還可隨同呼出的氣體、汁液等排出體外。3.2污染物在體內的生物轉化生物轉化（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的催化作用下的代謝變化過程。注1：外源化合物（Xenobioticcompounds）指除了營養元素及維持正常生理功能和生命所必需的物質以外，存在于環境之中，可與機體接觸并進入機體引起機體發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、多氯聯苯、染料、塑料、合成橡膠等。注2：內源性化合物指生物機體正常的生理活動產生的物質。注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。注4：生物轉化的主要場所是肝臟，其它有肺、胃、腸、皮膚等。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。排出體外外源性化合物一級代謝物

結合產物（二級代謝物）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）相I反應的主要類型：氧化反應：微粒體混合功能氧化酶參與的反應，例如脂肪族羥化非微粒體反應還原反應：微粒體還原非微粒體還原水解反應相II反應的主要類型：微生物對生物外源性物質的轉化作用微生物對生物外源性物質的轉化主要有以下幾種形式：脫鹵（主要是脫氯），如DDT的脫氯還原，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圖DDT的微生物轉化TNT的微生物轉化影響生物轉化的因素物種差異和個體差異由各自的遺傳因素決定，主要表現在體內酶的種類和活力不同上。飲食營養狀況蛋白質、無機鹽、維生素等營養缺乏時會不同方式地影響生物轉化作用。生理因素年齡因素性別因素激素和晝夜規律：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律有關。代謝酶的抑制和誘導小結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，此后又可繼續進行不同類型的結合反應。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，或使其轉變為易于被其它微生物所降解的化合物。增毒作用（活化）：使其毒性增加1.4環境污染物在生物體內的濃縮、積累和放大基本概念：生物濃縮（Bioconcentration）指生物機體或處于同一營養級上的許多生物種群，從周圍環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境中的濃度的現象，又稱生物學濃縮、生物學富集。生物濃縮系數KBCF

（BioconcentrationFactor）KBCF＝物質在生物體內的濃度/物質在環境介質中的濃度生物積累（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，從周圍環境中蓄積某些元素或難分解化合物，以致隨著生長發育，濃縮系數不斷增大的現象，又稱生物學積累。生物放大（Biomagnification）指在生態系統中，由于高營養級生物以低營養級生物為食物，某元素或難分解化合物在生物機體中濃度隨營養級的提高而逐步增大的現象，又稱生物學放大。思考：許多生物外源性物質在環境中的含量很低，通常在ppb級，為什么這么低的濃度還會引起嚴重的問題？這正是由于生物放大作用造成的，這樣的生物外源性物質必須滿足以下兩個條件：一、難以生物降解；二、具有親脂性。思考：三個概念的有何區別？有何意義？生物濃縮：C體內>C環境生物積累：t（生長期），KBCF生物放大：營養級，KBCF生物濃縮系數的測定平衡濃縮系數：物質交換達到動態平衡時的濃縮系數。測定方法：優缺點實驗室飼養法：條件易于控制，但數值不夠準確野外調查法：數值標準，但技術難度大，可能時間周期長動力學方法：節省試驗時間，更適合大個體生物影響因素生理因素：如生物的生長、發育、大小、年齡環境因素：如污染物的濃度、化學形態、環境溫度、pH值、光照條件及季節表1－2汞在水生物中的富集生物類型汞濃度（ppm）濃縮系數食肉娃魚1-210000-20000小魚0.1-0.31000-3000低等動物0.02-0.05200-500植物0.01-0.02100-200海水0.0001生物濃縮機理和濃縮模型qvCBiVBCBVTCTK2CTqvCBo血液組織圖1－6生物體某一組織生物濃縮的機理模型由此可知：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。影響生物濃縮的因素生物種的生物學特征不同組織器官的影響不同生育期與性別的關系污染物的性質污染物濃度和作用時間環境條件1.5生物對污染物在環境中行為的影響

1.5.1生物污染（BiologicalPollution）

環境中的病原微生物（PathogenicMicroorganism）例如：沙門氏菌、霍亂弧菌、腸道病毒等水體的富營養化（Eutrophication）概念：指大量的氮磷等營養元素物質進入水體，使水中藻類等浮游生物旺盛增殖，從而破壞水體的生態平衡的現象。不良后果：微生物代謝產物產生的污染硫化氫酸性礦水硝酸和亞硝酸微生物毒素指微生物在其生長、代謝過程中所產生的毒素，可污染食品和環境，危害人類健康。如黃曲霉毒素、葡萄球菌腸毒素、藻類毒素等。酸性礦水反應式？？成因由黃鐵礦（FeS2）氧化所產生的硫酸引起，微生物與形成酸性礦水的整個過程密切相關。當pH<3.5時，鐵細菌即氧化亞鐵硫桿菌可催化鐵的氧化，其它如氧化硫硫桿菌和氧化亞鐵鐵桿菌都與酸性礦水的形成密切相關。危害酸性礦水中最有破壞性的組分是硫酸，有直接的毒性及其他不良影響。防治利用碳酸鈣礦石中和過量酸性礦水，但Fe(III)往往同時存在，反應后，pH上升，Fe(OH)3立即覆蓋在碳酸鈣礦石的表面成為不透水層，這種保護效應阻止了碳酸鈣對酸的進一步中和。1.5.2金屬的生物轉化金屬的毒性影響因素：金屬的濃度、金屬的存在狀態例如，六價鉻比三價鉻毒得多；甲基汞的毒性比其他的汞化合物毒性大得多；有機錫比無機錫毒，有機錫中的烷基錫比芳香基錫毒，烷基錫中三烷基又比其他烷基錫毒。金屬的微生物轉化微生物對金屬的毒性轉化，主要是氧化還原和甲基化作用。汞的轉化汞的存在形式無機汞：零價的金屬汞與一價汞鹽幾乎不溶;二價汞鹽除了硫化汞、碘化汞外幾乎均可溶解有機汞：汞易和有機基團形成化合物，通常是以共價鍵連接在碳原子上形成有機汞。汞化合物的毒性難溶的汞——生物吸收困難，毒性很小易溶的汞——容易吸收，毒性很強（其中甲基汞的毒性最強）毒性體現：生物的神經系統受到傷害，神經麻痹以致引起死亡。實例：日本的水俁灣甲基汞中毒事件就是典型的汞污染事件。這類汞中毒一般都不是通過直接飲用水被汞污染造成，而是由于甲基汞在食物鏈積累并由水中的魚類向上傳遞給人而引起的。汞的甲基化汞的甲基化是由微生物形成的。魚類體表粘液中有許多含有甲基化輔酶的微生物，他們將無機汞轉化為甲基汞，動物和人體腸道腸道中的細菌大部分也具有這種功能，因此甲基汞中毒是由微生物造成的。汞甲基化微生物：細菌——甲烷菌、匙形梭菌、熒光假單胞菌、大腸埃希氏菌、產氣腸桿菌、巨大芽孢桿菌真菌——粗糙鏈孢霉、黑曲霉、釀酒酵母等。過程如下：

Hg2+

Hg+-CH3Hg(CH3)2

甲基化輔酶甲基化輔酶

-CH3

-CH3甲基汞的降解事實上通常情況甲基汞在天然水體中的濃度十分低，這是由于不僅存在汞的甲基化，同時還存在甲基汞的降解，甲基汞可被生物還原為金屬汞。甲基汞降解微生物：檸檬酸桿菌、假單胞菌、節桿菌、隱球菌等。小結生物意義：汞的甲基化與脫甲基化通常保持著一個動態的平衡，從而使環境中的甲基汞濃度維持在低水平。但是，在有機污染嚴重、pH較低的環境中，容易形成和釋放甲基汞，對生物的危害較大。一方面甲基汞溶于水被魚、貝吸收濃縮，另一方面甲基汞還會逸出水體，進入大氣，使污染擴大。其它重金屬的轉化與汞相似，重金屬普遍可被微生物甲基化;甲基化的重金屬普遍毒性提高，這些金屬包括砷、硒、鉛、錫、鎘、銻等。重金屬生物轉化的環境效應:微生物通過分泌作用或呼吸作用排出形成的有機金屬化合物，是微生物具有的一種對有毒金屬解毒方式；但被排出的金屬化合物，可能比其原形態對高等生物具更大的危害性。另一方面，微生物可將化合態的重金屬轉化還原為單質形式，這種轉移方式可暫時或永久地將金屬從生物接觸的環境中清除出去。思考題污染物在環境中的遷移方式和轉化途徑有哪些？什么是生物轉運和生物轉化？污染物透過細胞膜的方式有哪些？有何特點？什么是生物濃縮、生物積累、生物放大和濃縮系數？140生物體內污染物質的運動過程與毒性

(環境生物的中毒機理)

教學要求（1）掌握污染物質的生物富集、放大和積累。（2）了解有機污染物質的微生物降解。（3）了解毒物毒性、聯合作用和致突變、致癌及抑制酶活性等作用。（4）了解有毒有機污染物質生物轉化的類型。141污染物質機體積累與轉化污染物質在機體內的運動過程

---吸收、分布、排泄和生物轉化吸收、分布和排泄稱為轉運。排泄與生物轉化稱為消除。吸收---污染物質從機體外，通透體膜進入血液的過程。

吸收途徑----機體的消化管、呼吸道和皮膚。

消化道是吸收污染物質最主要的途徑。消化管的主要吸收部位在小腸，其次是胃。

142污染物質機體積累與轉化

呼吸道---吸收大氣污染物主要途徑（主要吸收部位---肺泡）吸收的氣態和液態氣溶膠污染物質，以被動擴散和濾過方式，分別迅速通過肺泡和毛細血管膜進入血液。固態氣溶膠和粉塵污染物質吸進呼吸道，在氣管、支氣管及肺泡表面沉積。143污染物質機體積累與轉化

皮膚吸收皮膚接觸的污染物質，以被動擴散相繼通過皮膚的表皮及真皮，再濾過真皮中毛細血管的壁膜進入血液。144污染物質機體積累與轉化--分布污染物質被吸收或形成其代謝轉化物質，由血液轉送至機體組織，與組織成分結合，從組織返回血液以及再反復等過程。污染物質分布過程---污染物質的轉運以被動擴散為主。污染物質與血漿蛋白質結合--具有可逆性--動態平衡。污染物質與血液的紅細胞或血管外組織蛋白相結合。

145污染物質機體積累與轉化排泄（污染物質及其代謝物質向機體外的轉運過程）排泄器官：腎、肝膽、腸、肺、外分泌腺等。

腎排泄

----污染物質通過腎隨尿而排出的過程。

膽汁排泄

----主要由消化管及其他途徑吸收的污染物質，經血液到達肝臟，以原物或其代謝物和膽汁一起分泌至十二指腸，經小腸至大腸內，再排出體外的過程。146污染物質機體積累與轉化蓄積

機體接觸污染物質（若吸收超過排泄及其代謝轉化），污染物質在體內逐增的現象。蓄積量是吸收、分布、代謝轉化和排泄各量的代數和。機體的主要蓄積部位是血漿蛋白、脂肪組織和骨酪。污染物質常與血漿蛋白結合而蓄積。蓄積部位中的污染物質，常同血漿中游離型污染物質保持相對穩定的平衡。147物質通過生物膜方式--生物膜結構

148物質通過生物膜方式膜孔濾過---直徑小于膜孔的水溶性物質，借助膜兩側靜水壓及滲透壓經膜孔濾過。被動擴散---順濃度梯度擴散通過有類脂層屏障的生物膜。被動易化擴散---物質在高濃度側與膜上特異性蛋白質載體結合，通過生物膜，至低濃度側解離出原物質過程。主動轉運---（消耗代謝能量）物質在低濃度側與膜上高濃度特異性蛋白載體結合，通過生物膜，至高濃度側解離出原物質。

胞吞和胞飲

149污染物質生物富集、放大和積累

生物富集生物通過非吞食方式，從周圍環境(水、土壤、大氣)蓄積某種元素或難降解的物質，使其在機體內濃度超過周圍環境中濃度的現象。生物富集用生物濃縮系數表示，即：

BCF=Cb/Ce

式中：BCF：生物濃縮系數

Cb：某種元素或難降解物質在機體中的濃度

Ce：某種元素或難降解物質在機體周圍環境中的濃度。

150污染物質的生物富集、放大和積累生物放大

同一食物鏈的高營養級生物，通過吞食低營養級生物蓄積某種元素或難降解物質，使其機體內的濃度隨營養級數提高而增大的現象。生物放大的程度用生物濃縮系數表示。生物積累

生物從周圍環境(水、土壤、大氣)和食物鏈蓄積某種元素或難降解物質，使其在機體中的濃度超過周圍環境中濃度的現象。生物積累也用生物濃縮系數表示。

151污染物質生物轉化

物質在生物作用下的化學變化稱為生物轉化或代謝(轉化)。微生物可以催化轉化或降解有機污染物。

生物轉化、化學轉化和光化學轉化構成污染物質在環境中的主要轉化類型。水環境微生物的類群

細菌、真菌和藻細菌的分類自養生物和異養生物好氧細菌及厭氧細菌152污染物質生物轉化生物轉化酶酶是一類由細胞制造和分泌的、以蛋白質為主要成分的、具有催化活性的生物催化劑。酶的種類有2103多種。酶分為胞外酶和胞內酶兩大類。（根據催化反應類型）酶---氧化還原酶、轉移酶、水解酶、裂解酶、異構酶、合成酶。（按照成分）酶---單成分酶和雙成分酶兩大類153污染物質毒性毒物---進入生物機體----使體液和組織發生生物化學的變化，干擾或破壞機體的正常生理功能，引起暫時性或持久性的病理損害，甚至危及生命的物質。按作用于機體的主要部位可分為作用于神經系統、造血系統、心血管系統、呼吸系統、肝、腎、眼、皮膚的毒物等。根據作用性質，毒物可分為刺激性、腐蝕性、窒息性、