人大课件 环境化学 生物体内污染物质的运动过程及毒性.ppt

第五章第五章 生物体内污染物质的生物体内污染物质的运动过程及毒性运动过程及毒性本章重点本章重点污染物的生物富集、放大和积累污染物的生物富集、放大和积累耗氧和有毒有机物的微生物降解耗氧和有毒有机物的微生物降解元素的微生物转化元素的微生物转化微生物对污染物的转化速率微生物对污染物的转化速率毒物的毒性、联合作用、致突变、致癌毒物的毒性、联合作用、致突变、致癌及抑制酶活性及抑制酶活性第一节第一节 物质通过生物膜的方物质通过生物膜的方式式一、生物膜的结构一、生物膜的结构生物膜的结构生物膜的结构 生物膜主要由磷脂双分子层和蛋白质镶嵌组成：生物膜主要由磷脂双分子层和蛋白质镶嵌组成：1、磷脂双分子层的结构、磷脂双分子层的结构 亲水基团亲水基团 疏水基团疏水基团2、镶嵌蛋白类型与生理功能、镶嵌蛋白类型与生理功能类型：表在蛋白和内在蛋白类型：表在蛋白和内在蛋白生理功能：生理功能：转运膜内外物质的载体转运膜内外物质的载体起催化作用的酶起催化作用的酶能量转换器能量转换器生物膜的结构生物膜的结构生物膜主要是由磷脂双分子层和蛋白质镶嵌生物膜主要是由磷脂双分子层和蛋白质镶嵌组成的、厚度为组成的、厚度为7.5-107.5-10nmnm的流动变动复杂体。的流动变动复杂体。在磷脂双分子层中，亲水的极性基因排列于在磷脂双分子层中，亲水的极性基因排列于内外两面，疏水的烷链端伸向内侧，所以，内外两面，疏水的烷链端伸向内侧，所以，在双分子层中央存在一个疏水区，生物膜是在双分子层中央存在一个疏水区，生物膜是类脂层屏障类脂层屏障。膜上镶嵌的蛋白质，有附着在磷脂双分子层膜上镶嵌的蛋白质，有附着在磷脂双分子层表面的表在蛋白，有深埋或贯穿磷脂双分子表面的表在蛋白，有深埋或贯穿磷脂双分子层的内在蛋白，但他们亲水端也都露在双分层的内在蛋白，但他们亲水端也都露在双分子层的外表面。子层的外表面。在生物膜中还有少量带极性、常含有水的微在生物膜中还有少量带极性、常含有水的微小孔道，称为膜孔。小孔道，称为膜孔。二、物质通过生物膜的方式二、物质通过生物膜的方式物质通过生物膜的方式根据其机制分为五类：物质通过生物膜的方式根据其机制分为五类：1、膜孔滤过：、膜孔滤过： 直径小于膜孔的直径小于膜孔的水溶性物质水溶性物质，借助膜两侧的，借助膜两侧的 静水压及渗透压经膜孔滤过。静水压及渗透压经膜孔滤过。2、被动扩散：、被动扩散： 脂溶性物质通过有类脂层屏障的生物膜，由脂溶性物质通过有类脂层屏障的生物膜，由高浓度侧向低浓度侧的扩散，其扩散速率服从高浓度侧向低浓度侧的扩散，其扩散速率服从费克定律：费克定律： 式中式中D为扩散系数，决定于通过物质和膜为扩散系数，决定于通过物质和膜的性质，的性质，A为扩散面积。为扩散面积。物质通过生物膜的方式物质通过生物膜的方式3、被动易化扩散：、被动易化扩散： 有些物质可在高浓度侧与膜上有些物质可在高浓度侧与膜上特异性蛋白质载特异性蛋白质载体结合体结合，通过生物膜，至低浓度侧解离出原物，通过生物膜，至低浓度侧解离出原物质，这一转运为被动易化扩散。质，这一转运为被动易化扩散。4、主动转运：、主动转运： 在消耗一定代谢能量下，一些物质可在低浓度在消耗一定代谢能量下，一些物质可在低浓度侧与膜上高浓度的特异性蛋白载体结合，通过侧与膜上高浓度的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。生物膜，至高浓度侧解离出原物质。 种转运与膜的高度特异性载体及其数量有关，种转运与膜的高度特异性载体及其数量有关，而具有特异性选择，类似物质竞争性抑制和饱而具有特异性选择，类似物质竞争性抑制和饱和现象。和现象。主动转运主动转运 所需代谢能量来自膜的三磷酸酰苷酶分解所需代谢能量来自膜的三磷酸酰苷酶分解三磷酸酰苷三磷酸酰苷(ATP)成二磷酸酰苷（成二磷酸酰苷（ADP）和磷）和磷酸时所释放的能量。酸时所释放的能量。 具有竞争性抑制、特异性选择和饱和现象。具有竞争性抑制、特异性选择和饱和现象。 如钾离子在细胞内外浓度分布：如钾离子在细胞内外浓度分布： K+(细胞内细胞内) K+(细胞外细胞外)物质通过生物膜的方式物质通过生物膜的方式5、胞吞和胞饮：、胞吞和胞饮： 少数物质与膜上蛋白质有特殊的亲和力，当少数物质与膜上蛋白质有特殊的亲和力，当其与膜接触后，可改变这部分膜的表面张力，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，而液态物质的则称物质的这一转运称为胞吞，而液态物质的则称为胞饮。为胞饮。 物质以何种方式通过生物膜，主要决定于机物质以何种方式通过生物膜，主要决定于机体各组织体各组织生物膜的特性生物膜的特性和和物质的结构、理化性物质的结构、理化性质。质。物质的理化性质包括脂溶性、水溶性、解物质的理化性质包括脂溶性、水溶性、解离度、分子大小等。除大多数营养物质及其代离度、分子大小等。除大多数营养物质及其代谢物外，大部分物质一般以被动扩散方式通过谢物外，大部分物质一般以被动扩散方式通过生物膜。生物膜。第二节第二节 污染物质在机体内的转运污染物质在机体内的转运 污染物质在机体内的运动过程包括吸收、分污染物质在机体内的运动过程包括吸收、分布、排泄和生物转化。前三者统称为转运。布、排泄和生物转化。前三者统称为转运。一、吸收一、吸收 吸收是污染物质从机体外通过各种途径通透吸收是污染物质从机体外通过各种途径通透体膜进入体膜进入血液血液的过程。吸收途径主要是机体的的过程。吸收途径主要是机体的消化管、呼吸道和皮肤。消化管、呼吸道和皮肤。1、消化管是吸收污染物质的最主要途径、消化管是吸收污染物质的最主要途径通过被动扩散被消化管吸收，主动转运很少；通过被动扩散被消化管吸收，主动转运很少； 最主要的吸收部位在小肠，其次在胃。最主要的吸收部位在小肠，其次在胃。影响吸收的主要因素：影响吸收的主要因素：污染物质的脂溶性；污染物质的脂溶性；污染物质在小肠内的浓度；污染物质在小肠内的浓度；血液流速也是影响污染物吸收的因素。血液流速也是影响污染物吸收的因素。污染物的解离情况污染物的解离情况吸收吸收2、呼吸管是吸收大气污染物的主要途径：、呼吸管是吸收大气污染物的主要途径： 主要吸收部位在肺泡主要吸收部位在肺泡 吸收的气态和液态气溶胶物质，通过被动扩散吸收的气态和液态气溶胶物质，通过被动扩散和滤过方式，分别迅速通过肺泡和毛细管膜进和滤过方式，分别迅速通过肺泡和毛细管膜进入血液入血液 ；固态气溶胶和粉尘污染物中的难溶微粒在吞噬固态气溶胶和粉尘污染物中的难溶微粒在吞噬作用下被吸收，而易溶微粒按上述方式被吸收。作用下被吸收，而易溶微粒按上述方式被吸收。3、皮肤的吸收是不少污染物质进入机体的途径、皮肤的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皮肤接触的污染物质，常以被动扩散相继通过皮肤的表皮、真皮，再滤过真皮中毛细管壁过皮肤的表皮、真皮，再滤过真皮中毛细管壁膜进入血液。（分子量低、非极性、液态或溶膜进入血液。（分子量低、非极性、液态或溶解态、脂溶性）解态、脂溶性）二、分布二、分布 分布指污染物质被吸收后和其代谢转化物质分布指污染物质被吸收后和其代谢转化物质形成后，由血液送至机体各组织、与组织成分形成后，由血液送至机体各组织、与组织成分结合、从组织返回血液、以及再反复等过程。结合、从组织返回血液、以及再反复等过程。在污染物质的分布过程中，污染物质的转运以在污染物质的分布过程中，污染物质的转运以被动扩散为主。被动扩散为主。影响因素：影响因素：组织血流速度的影响：脂溶性污染物易于通过生物膜，组织血流速度的影响：脂溶性污染物易于通过生物膜，组织血流速度是分布的限速因素。组织血流速度是分布的限速因素。中枢神经系统的毛细管壁间几乎无空隙，污染物之经中枢神经系统的毛细管壁间几乎无空隙，污染物之经膜通透性的大小成为转运的限制因素：低脂溶性高解膜通透性的大小成为转运的限制因素：低脂溶性高解离度的物质经膜通透性差，受经膜通透性限制。离度的物质经膜通透性差，受经膜通透性限制。污染物质与血液中血浆蛋白结合能力的大小。污染物质与血液中血浆蛋白结合能力的大小。有些污染物质与血液的红细胞和血管外组织蛋白结合，有些污染物质与血液的红细胞和血管外组织蛋白结合，也会显著影响它们在机体内的分布。也会显著影响它们在机体内的分布。三、排泄三、排泄 排泄是污染物质及其代谢产物向机体外的转排泄是污染物质及其代谢产物向机体外的转运过程。排泄器官有肾脏、肝脏、肠、肺和外运过程。排泄器官有肾脏、肝脏、肠、肺和外分泌腺等。其中，以肾和肝脏为主。分泌腺等。其中，以肾和肝脏为主。肾排泄是污染物通过肾随尿而排出的过程；肾肾排泄是污染物通过肾随尿而排出的过程；肾小球毛细血管壁有许多较大孔膜，但分子量过小球毛细血管壁有许多较大孔膜，但分子量过大或与血浆蛋白结合的污染物质仍留在血液中。大或与血浆蛋白结合的污染物质仍留在血液中。污染物质的另一个重要排泄途径是肝胆系统的污染物质的另一个重要排泄途径是肝胆系统的胆汁排泄：主要由消化管吸收的污染物质，经胆汁排泄：主要由消化管吸收的污染物质，经血液到达肝脏后，以原物或代谢物并胆汁一起血液到达肝脏后，以原物或代谢物并胆汁一起分泌至十二指肠，经小肠至大肠，再排出体外分泌至十二指肠，经小肠至大肠，再排出体外的过程。主要是主动转运，被动扩散少。的过程。主要是主动转运，被动扩散少。有些物质由胆汁排出，在肠道运行中又重新被有些物质由胆汁排出，在肠道运行中又重新被吸收，这种现象称为肝肠循环。吸收，这种现象称为肝肠循环。四、蓄积四、蓄积 机体长期接触某种污染物质，若吸收超过排机体长期接触某种污染物质，若吸收超过排泄及代谢转化，就会出现该污染物质在体内逐泄及代谢转化，就会出现该污染物质在体内逐渐增加的现象，称为生物蓄积。蓄积量是吸收、渐增加的现象，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。蓄积时，分布、代谢转化和排泄各量的代数和。蓄积时，污染物质的体内分布，通常表现为相对集中的污染物质的体内分布，通常表现为相对集中的方式，主要集中在机体的某些部位：方式，主要集中在机体的某些部位：机体的主要蓄积部位是血浆蛋白、脂肪组织和机体的主要蓄积部位是血浆蛋白、脂肪组织和骨骼；骨骼；有些污染物质的蓄积部位与毒性作用部位相同，有些污染物质的蓄积部位与毒性作用部位相同，而有些则不一致；而有些则不一致；蓄积部位中的污染物质，常同血浆中游离型污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。染物质保持相对稳定的平衡。第三节第三节 污染物质的生物富集、放大和积累污染物质的生物富集、放大和积累一、生物富集一、生物富集1、生物浓缩系数、生物浓缩系数 生物通过非吞食方式，从周围环境（水、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，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。使其在机体内浓度超过周围环境中浓度的现象。生物富集作用的大小可用生物浓缩系数来表示：生物富集作用的大小可用生物浓缩系数来表示： BCFcb/ca cb某种元素或难降解物质在机体中的浓度；某种元素或难降解物质在机体中的浓度； ca某种元素或难降解物质在机体周围环境某种元素或难降解物质在机体周围环境中的浓度。中的浓度。2、生物浓缩系数的影响因素、生物浓缩系数的影响因素 BCF的取值范围很大，其主要影响因素为：的取值范围很大，其主要影响因素为：生物富集生物富集2、生物浓缩系数的影响因素、生物浓缩系数的影响因素在物质性质方面的主要影响是物质的降解性、在物质性质方面的主要影响是物质的降解性、水溶性和脂溶性；水溶性和脂溶性；在生物特征方面主要是生物种类、大小、性别、在生物特征方面主要是生物种类、大小、性别、器官、生物发育阶段等；器官、生物发育阶段等；在环境条件方面包括温度、盐度、水硬度、在环境条件方面包括温度、盐度、水硬度、pH值、氧含量和光照状况等。值、氧含量和光照状况等。 一般，重金属元素和许多含氯碳氢化合物、一般，重金属元素和许多含氯碳氢化合物、稠环、杂环有机化合物具有很高的生物浓缩系稠环、杂环有机化合物具有很高的生物浓缩系数。数。生物富集生物富集3、水生生物富集速率、水生生物富集速率水生生物富集速率方程为：水生生物富集速率方程为：生物浓缩系数：生物浓缩系数： ka、ke、kg分别为水生生物吸收、消除、生长分别为水生生物吸收、消除、生长的速率常数；的速率常数； cw、cf分别为水及生物体内的瞬时物质浓度。分别为水及生物体内的瞬时物质浓度。生物富集生物富集 水生生物对水中物质的富集过程十分复杂，水生生物对水中物质的富集过程十分复杂，但对于脂溶性高、水溶性低的，以被动扩散通但对于脂溶性高、水溶性低的，以被动扩散通过生物膜的难降解有机物，该过程可近似视为过生物膜的难降解有机物，该过程可近似视为物质在水和生物组织两相间的分配作用。以正物质在水和生物组织两相间的分配作用。以正辛醇作为水生生物脂肪组织的代用品，发现这辛醇作为水生生物脂肪组织的代用品，发现这些有机物质在辛醇些有机物质在辛醇-水两相分配系数的对数与水两相分配系数的对数与其在水生生物体内浓缩系数的对数之间具有良其在水生生物体内浓缩系数的对数之间具有良好的线性正相关关系：好的线性正相关关系： lgBCFalgKowb 二、生物放大二、生物放大 生物放大指在同一食物链上的高营养级生物，生物放大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的现象。生物放大的程度，也用生物浓缩系数表示。示。生物放大的结果，往往是使食物链上高营养级生生物放大的结果，往往是使食物链上高营养级生物体内这种元素或物质的浓度超过周围环境中的物体内这种元素或物质的浓度超过周围环境中的浓度；浓度；但生物放大作用并非在所有条件下都能够发生。但生物放大作用并非在所有条件下都能够发生。有些物质可以沿食物链传递，但不能沿食物链放有些物质可以沿食物链传递，但不能沿食物链放大；有些物质既不能沿食物链传递，也不能沿食大；有些物质既不能沿食物链传递，也不能沿食物链放大。物链放大。生物放大受多方面因素的影响：食物链交织；生生物放大受多方面因素的影响：食物链交织；生物对物质吸收、消除等作用的变化性。物对物质吸收、消除等作用的变化性。三、生物积累三、生物积累 生物积累是生物从周围环境中（水、土壤、大生物积累是生物从周围环境中（水、土壤、大气）和食物链蓄积某种元素或难降解物质，使其气）和食物链蓄积某种元素或难降解物质，使其在机体中的浓度超过周围环境中浓度的现象。生在机体中的浓度超过周围环境中浓度的现象。生物放大或生物富集分别是属于生物积累的一种情物放大或生物富集分别是属于生物积累的一种情况。况。 生物累积也用生物浓缩系数来表示。生物累积也用生物浓缩系数来表示。水生生物的积累微分速率方程：水生生物的积累微分速率方程： 食物链上水生生物对某种物质的积累速率等于食物链上水生生物对某种物质的积累速率等于从水中的吸收速率、从食物链上的吸收速率及其从水中的吸收速率、从食物链上的吸收速率及其本身消除、吸收速率的代数和。本身消除、吸收速率的代数和。 当生物积累达平衡时，当生物积累达平衡时，dci/dt=0 生物积累生物积累积累速率：积累速率： Ci = Cwi + Ci 即：积累浓度即：积累浓度 = 水中摄取浓度水中摄取浓度 + 食物链传递的食物链传递的浓度浓度 反映的是在生物积累达到平衡时，生物富集反映的是在生物积累达到平衡时，生物富集和生物放大在生物积累达到平衡时的贡献大小。和生物放大在生物积累达到平衡时的贡献大小。 生物积累、放大和富集可在不同侧面为探讨生物积累、放大和富集可在不同侧面为探讨环境中污染物质的迁移、排放标准和可能造成环境中污染物质的迁移、排放标准和可能造成的危害，以及利用生物对环境进行监测和净化，的危害，以及利用生物对环境进行监测和净化，提供重要的科学依据。提供重要的科学依据。第四节第四节 污染物质的生物转化污染物质的生物转化 物质在生物作用下经受的化学变化，称为生物质在生物作用下经受的化学变化，称为生物转化或代谢（转化）。生物转化、化学转化物转化或代谢（转化）。生物转化、化学转化和光化学转化是污染物质在环境中的三大主要和光化学转化是污染物质在环境中的三大主要转化类型。污染物质在环境中的生物转化过程转化类型。污染物质在环境中的生物转化过程中，微生物起到非常重要的作用。中，微生物起到非常重要的作用。 本节主要介绍生物转化中的酶学和氢传递本节主要介绍生物转化中的酶学和氢传递过程的基础内容，以便于了解污染物质的生物过程的基础内容，以便于了解污染物质的生物转化；耗氧和有毒有机污染物质的微生物降解；转化；耗氧和有毒有机污染物质的微生物降解；若干重金属和非金属元素的微生物转化。若干重金属和非金属元素的微生物转化。污染物质的生物转化污染物质的生物转化一、生物转化中的酶一、生物转化中的酶 酶是一类由细胞制造和分泌的、以蛋白质为酶是一类由细胞制造和分泌的、以蛋白质为主要成分的、具有催化活性的生物催化剂。在主要成分的、具有催化活性的生物催化剂。在酶催化下发生转化的物质称为底物或基质；底酶催化下发生转化的物质称为底物或基质；底物所发生的转化称为酶促反应。物所发生的转化称为酶促反应。1、酶催化反应的特点：、酶催化反应的特点：催化专一性高：一种酶只能对一种底物或一类催化专一性高：一种酶只能对一种底物或一类底物起催化作用；底物起催化作用；酶催化效率高；酶催化效率高；酶催化需要温和的外界条件，否则失去催化活酶催化需要温和的外界条件，否则失去催化活性，因为酶的本质是蛋白质。性，因为酶的本质是蛋白质。生物转化中的酶生物转化中的酶2、酶的种类、酶的种类（1）根据起催化作用的场所，将酶分为胞内酶）根据起催化作用的场所，将酶分为胞内酶和胞外酶两类。和胞外酶两类。（2）根据催化反应的类型分为六大类：）根据催化反应的类型分为六大类：氧化还原酶氧化还原酶转移酶转移酶水解酶水解酶裂解酶裂解酶异构酶异构酶合成酶合成酶（3）根据成分，分为两大类：）根据成分，分为两大类：单成分酶：只含有蛋白质单成分酶：只含有蛋白质双成分酶：除蛋白质外，还有非蛋白质部分：辅基双成分酶：除蛋白质外，还有非蛋白质部分：辅基或辅酶或辅酶生物转化中的酶生物转化中的酶双成分酶：双成分酶：辅基和辅酶的差别：仅同酶蛋白结合的牢固程辅基和辅酶的差别：仅同酶蛋白结合的牢固程度不同。度不同。辅酶起传递电子、原子或某些化学基团的功能，辅酶起传递电子、原子或某些化学基团的功能，酶蛋白起着决定催化专一性和催化高效率的功酶蛋白起着决定催化专一性和催化高效率的功能；能；辅酶的成分是金属离子、含金属的有机化合物辅酶的成分是金属离子、含金属的有机化合物或小分子的复杂有机化合物。或小分子的复杂有机化合物。同一种辅酶同一种辅酶可以可以结合不同的酶蛋白，构成许多种双成分酶，对结合不同的酶蛋白，构成许多种双成分酶，对不同底物不同底物进行进行相同反应相同反应。辅酶对电子、原子或。辅酶对电子、原子或某些化学基团的传递功能，是双成分酶催化反某些化学基团的传递功能，是双成分酶催化反应的关键。应的关键。二、若干重要辅酶的功能二、若干重要辅酶的功能1、FMN和和FAD 辅酶辅酶FMN：黄素单核苷酸黄素单核苷酸 FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸 FMN和和FAD FMN和和FAD是一些氧化还原反应酶的辅酶，在酶促是一些氧化还原反应酶的辅酶，在酶促反应中具有传递氢原子的作用：通过在不饱和反应中具有传递氢原子的作用：通过在不饱和N原子原子上加氢。上加氢。2、NAD+和和NADP+ 辅酶辅酶NAD+和和NADP+分别称为辅酶分别称为辅酶I和辅酶和辅酶II，分别分别是烟酰胺嘌呤二核苷酸和烟酰胺嘌呤二核苷酸磷酸的缩是烟酰胺嘌呤二核苷酸和烟酰胺嘌呤二核苷酸磷酸的缩写。它们也是一些氧化还原酶的辅酶，在酶促反应中起写。它们也是一些氧化还原酶的辅酶，在酶促反应中起传递氢传递氢的作用。的作用。NAD+和和NADP+3、辅酶、辅酶Q 辅酶辅酶Q又称为泛醌，简称为又称为泛醌，简称为CoQ，也是也是某些氧化还原酶的辅酶，在酶促反应中某些氧化还原酶的辅酶，在酶促反应中起到递氢的作用：（醌式结构部分结合起到递氢的作用：（醌式结构部分结合氢）氢）4、细胞色素酶系的辅酶、细胞色素酶系的辅酶 细胞色素酶系是催化底物细胞色素酶系是催化底物氧化氧化的一类酶系，的一类酶系，主要有细胞色素主要有细胞色素b、c1、c、a、a3等几种。它们等几种。它们的的酶蛋白部分各不相同，但是辅酶都是铁卟啉酶蛋白部分各不相同，但是辅酶都是铁卟啉。在酶促反应时辅酶铁卟啉中的铁不断进行氧化在酶促反应时辅酶铁卟啉中的铁不断进行氧化还原，当铁获得电子时从三价还原为二价，后还原，当铁获得电子时从三价还原为二价，后者把电子传递除去后又氧化为三价，从而起到者把电子传递除去后又氧化为三价，从而起到传递电子传递电子的作用：的作用： cytnFe 3+ = cytnFe 2+ cyt为细胞色素酶系为细胞色素酶系 nb、c1、c、a、a35、辅酶、辅酶A 辅酶辅酶A是泛酸的一个衍生物，简写为是泛酸的一个衍生物，简写为CoASH。 辅酶辅酶A是一种转移酶的辅酶，所含的巯基与酰基形是一种转移酶的辅酶，所含的巯基与酰基形成硫酯，在酶促反应中起成硫酯，在酶促反应中起传递酰基传递酰基的作用：的作用： CoASH CH3CO+ CH3CO-SCoA + H+三、生物氧化中的氢传递过程三、生物氧化中的氢传递过程 生物氧化是有机物质在机体细胞内的氧化，生物氧化是有机物质在机体细胞内的氧化，并伴随有能量的释放。放出的能量主要通过二并伴随有能量的释放。放出的能量主要通过二磷酸腺苷与正磷酸合成三磷酸腺苷而被暂时存磷酸腺苷与正磷酸合成三磷酸腺苷而被暂时存放。放。生物氧化中的氢传递过程生物氧化中的氢传递过程 在生物氧化中有机物质的氧化多为去氢氧在生物氧化中有机物质的氧化多为去氢氧化，化，脱去的氢（脱去的氢（H+e）以原子或电子形式由相以原子或电子形式由相应氧化还原酶按一定顺序传递给受体应氧化还原酶按一定顺序传递给受体。这一氢。这一氢原子或电子的传递过程称为氢传递或电子传递原子或电子的传递过程称为氢传递或电子传递过程，其受体为受氢体或电子受体。有氧氧化过程，其受体为受氢体或电子受体。有氧氧化和无氧氧化两种：受氢体是细胞内的分子氧则和无氧氧化两种：受氢体是细胞内的分子氧则为有氧氧化，受氢体是非分子氧的化合物则为为有氧氧化，受氢体是非分子氧的化合物则为无氧氧化。无氧氧化。 好氧微生物进行有氧氧化，厌氧微生物进好氧微生物进行有氧氧化，厌氧微生物进行无氧氧化，兼性厌氧微生物视生存环境中氧行无氧氧化，兼性厌氧微生物视生存环境中氧含量多少而定。含量多少而定。 氢传递过程按受氢体情况分为以下几类：氢传递过程按受氢体情况分为以下几类：生物氧化中的氢传递过程生物氧化中的氢传递过程1、有氧氧化中以分子氧为直接受氢体的递氢过程有氧氧化中以分子氧为直接受氢体的递氢过程 只有一种酶作用于有机底物，脱落底物的氢只有一种酶作用于有机底物，脱落底物的氢（H+e），），其中的电子其中的电子由该酶的辅酶直接传递由该酶的辅酶直接传递给给O2，形成激活态形成激活态O2-，与脱落氢剩余的与脱落氢剩余的H化合化合生成水。生成水。生物氧化中的氢传递过程生物氧化中的氢传递过程2、有氧氧化中分子氧为间接受氢体的递氢过程：、有氧氧化中分子氧为间接受氢体的递氢过程： 有几种酶共同发挥作用，第一种酶从有机底物有几种酶共同发挥作用，第一种酶从有机底物脱落氢，其余的酶顺序传递，最后把其中的电子脱落氢，其余的酶顺序传递，最后把其中的电子传给分子氧形成激活态传给分子氧形成激活态O2-，并与脱落氢剩余的并与脱落氢剩余的H化合生成水。化合生成水。生物氧化中的氢传递过程生物氧化中的氢传递过程3、无氧氧化中有机底物转化中间产物作为受氢体的、无氧氧化中有机底物转化中间产物作为受氢体的递氢过程：递氢过程： 有一种或一种以上的酶参与，最后常由脱氢辅酶有一种或一种以上的酶参与，最后常由脱氢辅酶NADH+H+将所含来源于有机底物的氢，将所含来源于有机底物的氢，传给该底传给该底物生物转化的相应中间产物物生物转化的相应中间产物。（中间产物作为受。（中间产物作为受氢体）氢体）生物氧化中的氢传递过程生物氧化中的氢传递过程4、无氧氧化中某些无机含氧化合物作为受氢体、无氧氧化中某些无机含氧化合物作为受氢体的递氢过程：的递氢过程： 在这类氢传递过程中常见的受氢体是硝酸根、在这类氢传递过程中常见的受氢体是硝酸根、硫酸根和二氧化碳，它们接受来源于有机底物硫酸根和二氧化碳，它们接受来源于有机底物由酶传递来的氢，而被分别还原为氮分子（或由酶传递来的氢，而被分别还原为氮分子（或一氧化二氮）、硫化氢和甲烷。一氧化二氮）、硫化氢和甲烷。四、耗氧有机污染物质的微生物降解四、耗氧有机污染物质的微生物降解 有机物质通过生物氧化以及其他的生物转化，可以有机物质通过生物氧化以及其他的生物转化，可以变成更小更简单的分子。这一过程称为有机物质的变成更小更简单的分子。这一过程称为有机物质的生生物降解物降解。如有机物降解为。如有机物降解为CO2、水等简单的无机化合水等简单的无机化合物，则为彻底降解，否则为不彻底降解。物，则为彻底降解，否则为不彻底降解。 耗氧有机污染物是生物残体、排放废水和废弃物中的耗氧有机污染物是生物残体、排放废水和废弃物中的糖类、脂肪、蛋白质等较易生物降解的有机物质。糖类、脂肪、蛋白质等较易生物降解的有机物质。1、糖类的微生物降解、糖类的微生物降解 糖类：碳水化合物，分为单糖、二糖和多糖。糖类：碳水化合物，分为单糖、二糖和多糖。微生物降解糖类的基本途径：微生物降解糖类的基本途径：（1）多糖水解成单糖：多糖在胞外水解酶催化作用下水）多糖水解成单糖：多糖在胞外水解酶催化作用下水解成二糖和单糖，才能被微生物摄取进入细胞内。多解成二糖和单糖，才能被微生物摄取进入细胞内。多糖水解的产物以葡萄糖为主。糖水解的产物以葡萄糖为主。（2）单糖酵解成丙酮酸（有氧氧化或无氧氧化）单糖酵解成丙酮酸（有氧氧化或无氧氧化）糖类的微生物降解糖类的微生物降解（3）丙酮酸的转化）丙酮酸的转化有氧氧化条件下：有氧氧化条件下：丙酮酸通过酶促反应转化成乙酰辅酶丙酮酸通过酶促反应转化成乙酰辅酶A；乙酰辅酶乙酰辅酶A与草酰乙酸经酶促反应转化成柠檬酸；与草酰乙酸经酶促反应转化成柠檬酸；柠檬酸通过酶促反应途径，最后形成草酰乙酸柠檬酸通过酶促反应途径，最后形成草酰乙酸 上述生物转化的途径称为上述生物转化的途径称为三羧酸循环或柠檬酸循环，简三羧酸循环或柠檬酸循环，简称称TCA循环循环。 丙酮酸完全氧化，总反应为：丙酮酸完全氧化，总反应为： CH3COCOOH5/2O2 3CO22H2O无氧氧化条件下：无氧氧化条件下： 丙酮酸通过酶促反应，以其本身作为受氢体而被还丙酮酸通过酶促反应，以其本身作为受氢体而被还原为乳酸；或以其转化的中间产物作受氢体，发生不原为乳酸；或以其转化的中间产物作受氢体，发生不完全氧化生成低级的有机酸、醇及完全氧化生成低级的有机酸、醇及CO2等。等。糖类的微生物降解糖类的微生物降解 综上所述，糖类通过微生物作用，在有氧氧化综上所述，糖类通过微生物作用，在有氧氧化下能被完全氧化成下能被完全氧化成CO2和水，降解彻底；在无氧和水，降解彻底；在无氧氧化下通常氧化不完全，生成简单有机酸、醇及氧化下通常氧化不完全，生成简单有机酸、醇及CO2等，降解不彻底。后一过程因有大量简单有等，降解不彻底。后一过程因有大量简单有机酸生成，体系机酸生成，体系pH下降，所以属于酸性发酵。下降，所以属于酸性发酵。发酵的具体产物取决于产酸菌种类和外界条件。发酵的具体产物取决于产酸菌种类和外界条件。 TCA循环是糖、脂类、蛋白质代谢联络的枢纽。循环是糖、脂类、蛋白质代谢联络的枢纽。 TCA循环既是物质分解代谢的组成部分，亦是循环既是物质分解代谢的组成部分，亦是物质合成的重要步骤，为其他生物合成提供原料。物质合成的重要步骤，为其他生物合成提供原料。2、脂肪的微生物降解、脂肪的微生物降解 脂肪是由脂肪酸和甘油合成的酯。微生物脂肪是由脂肪酸和甘油合成的酯。微生物降解脂肪的基本途径如下：降解脂肪的基本途径如下：（1）脂肪水解成脂肪酸和甘油：）脂肪水解成脂肪酸和甘油： 脂肪在胞外水解酶催化下水解为脂肪酸和甘脂肪在胞外水解酶催化下水解为脂肪酸和甘油，生成的脂肪酸大多为油，生成的脂肪酸大多为1220个碳原子，主个碳原子，主要是含偶数碳原子的饱和酸，还有含双键的不要是含偶数碳原子的饱和酸，还有含双键的不饱和酸。饱和酸。脂肪的微生物降解脂肪的微生物降解（2）甘油的转化：）甘油的转化： 甘油在有氧或无氧条件下，均能被相应甘油在有氧或无氧条件下，均能被相应的一系列酶促反应转变成丙酮酸。而丙的一系列酶促反应转变成丙酮酸。而丙酮酸的进一步氧化同前面所述及的方式。酮酸的进一步氧化同前面所述及的方式。即在有氧条件下转化为即在有氧条件下转化为CO2和水，在无和水，在无氧氧化条件下转变为简单的有机酸、醇氧氧化条件下转变为简单的有机酸、醇和和CO2脂肪的微生物降解脂肪的微生物降解（3）脂肪酸的转化）脂肪酸的转化 有氧氧化条件下：有氧氧化条件下： 饱和脂肪酸通常经过酶促反应（饱和脂肪酸通常经过酶促反应（-氧化）变氧化）变成脂酰辅酶成脂酰辅酶A和乙酰辅酶和乙酰辅酶A。乙酰辅酶乙酰辅酶A进入三进入三羧酸循环。脂酰辅酶羧酸循环。脂酰辅酶A又经过又经过-氧化途径进行氧化途径进行转化。如果原酸碳原子为偶数，则陆续转化为转化。如果原酸碳原子为偶数，则陆续转化为乙酰辅酶乙酰辅酶A进入三羧酸循环；如果原酸为奇数进入三羧酸循环；如果原酸为奇数碳原子，则最后产物除乙酰辅酶碳原子，则最后产物除乙酰辅酶A外还有甲酰外还有甲酰辅酶辅酶A。甲酰辅酶甲酰辅酶A最后转化为二氧化碳和水。最后转化为二氧化碳和水。脂肪的微生物降解脂肪的微生物降解无氧氧化条件下：无氧氧化条件下： 脂肪酸通过酶促反应，往往以其转化的中间脂肪酸通过酶促反应，往往以其转化的中间产物作受氢体而不被完全氧化，形成低级的有产物作受氢体而不被完全氧化，形成低级的有机酸、醇和机酸、醇和CO2。总结：总结： 脂肪通过微生物作用，在有氧氧化下能被完脂肪通过微生物作用，在有氧氧化下能被完全氧化成全氧化成CO2和水，彻底降解。在无氧氧化下和水，彻底降解。在无氧氧化下通常氧化不完全，生成简单有机酸、醇及通常氧化不完全，生成简单有机酸、醇及CO2等，降解不彻底。等，降解不彻底。3、蛋白质的微生物降解、蛋白质的微生物降解微生物降解蛋白质的基本途径：微生物降解蛋白质的基本途径：（1）蛋白质水解成氨基酸）蛋白质水解成氨基酸 蛋白质在胞外水解酶的作用下经过多肽至二蛋白质在胞外水解酶的作用下经过多肽至二肽或氨基酸而被微生物摄入细胞内，在细胞内肽或氨基酸而被微生物摄入细胞内，在细胞内二肽可继续水解成为氨基酸。二肽可继续水解成为氨基酸。 氨基酸分为脂肪族氨基酸和芳香族氨基酸两氨基酸分为脂肪族氨基酸和芳香族氨基酸两类。类。（2）氨基酸脱氮脱羧成脂肪酸）氨基酸脱氮脱羧成脂肪酸 氨基酸在细胞内的转化由于不同酶的作用有氨基酸在细胞内的转化由于不同酶的作用有多种途径，其中主要为氨基酸脱氮脱羧形成脂多种途径，其中主要为氨基酸脱氮脱羧形成脂肪酸。脂肪酸进一步转化，最终产物同前。肪酸。脂肪酸进一步转化，最终产物同前。 蛋白质中含有硫的氨基酸在有氧氧化下还可蛋白质中含有硫的氨基酸在有氧氧化下还可形成硫酸，在无氧氧化下可形成硫化氢。形成硫酸，在无氧氧化下可形成硫化氢。4、甲烷发酵、甲烷发酵 无氧条件下糖类、脂肪和蛋白质降解得到的无氧条件下糖类、脂肪和蛋白质降解得到的简单有机酸、醇等化合物在可能的条件下，在简单有机酸、醇等化合物在可能的条件下，在产氢菌和产乙酸菌作用下，可被转化为乙酸、产氢菌和产乙酸菌作用下，可被转化为乙酸、甲酸、氢气和二氧化碳，进而经甲酸、氢气和二氧化碳，进而经产甲烷菌作用产甲烷菌作用产生甲烷产生甲烷。复杂有机物降解的这个总过程，称。复杂有机物降解的这个总过程，称为甲烷发酵或沼气发酵。为甲烷发酵或沼气发酵。 甲烷发酵中，一般以糖类降解率和降解速率甲烷发酵中，一般以糖类降解率和降解速率最高，脂肪次之，蛋白质最低。最高，脂肪次之，蛋白质最低。 甲烷发酵的条件：无氧条件、弱碱性环境、甲烷发酵的条件：无氧条件、弱碱性环境、适宜的碳氮比等。温度、菌种适宜的碳氮比等。温度、菌种 分布、发酵有分布、发酵有机物质的浓度。机物质的浓度。五、有毒有机污染物质生物转化类型五、有毒有机污染物质生物转化类型 有毒有机物质生物转化的主要反应类有毒有机物质生物转化的主要反应类型如下：型如下：1、耗氧反应类型、耗氧反应类型 1）混合功能氧化酶加氧氧化）混合功能氧化酶加氧氧化 2）脱氢酶脱氢氧化）脱氢酶脱氢氧化醇氧化成醛醇氧化成醛醇氧化成酮醇氧化成酮醛氧化成羧基醛氧化成羧基 3）氧化酶氧化）氧化酶氧化混合功能氧化酶加氧氧化混合功能氧化酶加氧氧化1）可逆脱氢酶加氢还原；）可逆脱氢酶加氢还原； 2）硝基还原酶还原；）硝基还原酶还原； 3）偶氮还原酶还原；）偶氮还原酶还原； 2、还原反应类型还原反应类型还原反应类型4）还原脱氯酶还原）还原脱氯酶还原3、水解反应类型、水解反应类型 1）羧酸酯酶使脂肪簇脂水解）羧酸酯酶使脂肪簇脂水解 2）芳香酯酶使芳香簇脂水解）芳香酯酶使芳香簇脂水解 3）磷酯酶使磷酸酯水解）磷酯酶使磷酸酯水解4）酰胺酶使酰胺水解）酰胺酶使酰胺水解4、若干重要结合反应类型、若干重要结合反应类型 1）葡萄糖醛酸结合）葡萄糖醛酸结合 2）硫酸结合）硫酸结合 3）谷胱甘肽结合）谷胱甘肽结合 六、有毒有机污染物的微生物降解六、有毒有机污染物的微生物降解1、烃类、烃类（1）碳原子数大于）碳原子数大于1的正烷烃，降解途径有三种：通过烷烃的正烷烃，降解途径有三种：通过烷烃的末端氧化，或次末端氧化或双端氧化，逐步生成醇、醛的末端氧化，或次末端氧化或双端氧化，逐步生成醇、醛及脂肪酸，而后经及脂肪酸，而后经-氧化进入三羧酸循环，最终降解为二氧化进入三羧酸循环，最终降解为二氧化碳和水。以末端氧化为主要途径。氧化碳和水。以末端氧化为主要途径。（2）烯烃的微生物降解途径：主要是烯烃饱和末端氧化，烯烃的微生物降解途径：主要是烯烃饱和末端氧化，再经过和碳原子数大于再经过和碳原子数大于1的正烷烃相同的途径成为不饱和的正烷烃相同的途径成为不饱和脂肪酸；或者是烯烃的不饱和末端双键环氧化成为环氧化脂肪酸；或者是烯烃的不饱和末端双键环氧化成为环氧化合物，再经开环所成的二醇至饱和脂肪酸。脂肪酸通过合物，再经开环所成的二醇至饱和脂肪酸。脂肪酸通过-氧化进入三羧酸循环，降解成二氧化碳和水。氧化进入三羧酸循环，降解成二氧化碳和水。（3）苯的微生物降解途径）苯的微生物降解途径 一般经过三个环节：形成二酚；生成有机酸；最后转一般经过三个环节：形成二酚；生成有机酸；最后转化为乙酰辅酶化为乙酰辅酶A和琥珀酸等，进入三羧酸循环，降解成二和琥珀酸等，进入三羧酸循环，降解成二氧化碳和水。氧化碳和水。 从一至数十个碳原子的烃类化合物，只要条件合适，从一至数十个碳原子的烃类化合物，只要条件合适，均可被微生物代谢降解，其中，烯烃最易降解，烷烃次之，均可被微生物代谢降解，其中，烯烃最易降解，烷烃次之，芳烃和多环芳烃更难，而最难的是脂环烃。芳烃和多环芳烃更难，而最难的是脂环烃。有毒有机污染物的微生物降解有毒有机污染物的微生物降解2、农药的微生物降解、农药的微生物降解1）苯氧乙酸类除草剂）苯氧乙酸类除草剂2）有机磷杀虫剂：对硫磷杀虫剂：酶促反应类）有机磷杀虫剂：对硫磷杀虫剂：酶促反应类型：氧化、水解和还原。降解过程的中间产型：氧化、水解和还原。降解过程的中间产物物对氧磷的毒性反而比母体对硫磷的毒性对氧磷的毒性反而比母体对硫磷的毒性更大。更大。3）DDT的微生物降