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环境化学环境化学 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5-1环境化学环境化学 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5-2主要介绍污染物质与生物机体之间的相互作用，涉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。质生物转化的类型。内容提要及重点要求内容提要及重点要求环境化学环境化学 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5-3第一节第一节 物质通过生物膜的方式一、生物膜的结构一、生物膜的结构(Structure of Biofilm) 二、物质通过生物膜的方式二、物质通过生物膜的方式(Mode of Material through Biofilm)(5.1 Mode of Material through Biofilm)环境化学环境化学 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5-41.1.生物膜组成：生物膜组成：磷脂双分子层和蛋白质磷脂双分子层和蛋白质磷脂双分子层组成：磷脂双分子层组成：亲水极性基团（内外两面）、亲水极性基团（内外两面）、疏水烷链端（内侧）和疏水区。疏水烷链端（内侧）和疏水区。蛋白质组成：蛋白质组成：表在蛋白和内在蛋白。表在蛋白附着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。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：蛋白质功能：转运膜内外物质；催化作用或是能量转运膜内外物质；催化作用或是能量转换器。转换器。 一、一、 生物膜的结构生物膜的结构 (Structure of Biofilm) 环境化学环境化学 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5-5生物膜脂质双分子层结构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环境化学 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5-6第一节第一节 物质通过生物膜的方式一、生物膜的结构一、生物膜的结构(Structure of Biofilm) 二、物质通过生物膜的方式二、物质通过生物膜的方式(Mode of Material through Biofilm)(5.1 Mode of Material through Biofilm)环境化学环境化学 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5-71.1.膜孔滤过：膜孔滤过：直径小于直径小于膜孔膜孔的水溶性物质，可借的水溶性物质，可借助膜两侧静水压及渗透压经膜孔滤过。助膜两侧静水压及渗透压经膜孔滤过。膜孔膜孔：在生物膜中带极性、常含有水的微小孔道。：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二、物质通过生物膜的方式(Mode of Material through Biofilm) 物质通过生物膜的方式根据机制分为以下物质通过生物膜的方式根据机制分为以下5 5类。类。以何种方式通过，取决于机体各组织生物膜的特性以何种方式通过，取决于机体各组织生物膜的特性和物质的结构、理化性质。和物质的结构、理化性质。 环境化学环境化学 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5-82. 被动扩散：被动扩散：脂溶性物质从高浓度侧向低浓度侧，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。即顺浓度梯度扩散通过有类脂层屏障的生物膜。扩散速率：扩散速率：0 D环境化学环境化学 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5-9被动扩散特征：被动扩散特征：3. 被动易化扩散：被动易化扩散：有些物质在高浓度侧与膜上特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异蛋白质载体结合，通过生物膜，至低浓度侧解离出原物质。物质。被动扩散特征：被动扩散特征：与与环境化学环境化学 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5-104. 主动转运：主动转运：在需消耗一定的代谢能量下，一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。合，通过生物膜，至高浓度侧解离出原物质。 主动转运特征：主动转运特征：与与三磷酸腺苷三磷酸腺苷二磷酸腺苷二磷酸腺苷环境化学环境化学 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5-114. 胞吞和胞饮：胞吞和胞饮：少数物质与膜上某种蛋白质有特殊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，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。转运称为胞吞，而液态物质的这一转运称为胞饮。环境化学环境化学 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5-12第二节第二节 污染物质在机体内的转运一、吸收一、吸收(Absorption)二、分布二、分布(Distribution)三、排泄三、排泄 (Excretion)四、蓄积四、蓄积 (Accumulation)(5.2 Transport of Pollutants in Body)环境化学环境化学 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5-13一、吸收一、吸收(Absorption)1. 概念：概念：污染物质从机体外污染物质从机体外, ,通透体膜进入血液的过程。通透体膜进入血液的过程。 污染物质在机体内的运动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、排泄和生物转化；吸收、分布和排泄称为吸收、分布和排泄称为转运转运；排泄与生物转化称为排泄与生物转化称为消除消除。环境化学环境化学 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5-14n 呼吸道：吸收大气污染物的主要途径呼吸道：吸收大气污染物的主要途径 （主要吸收部位是肺泡）（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。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。及肺泡表面沉积。n 皮肤：皮肤：皮肤接触的污染物质，以被动扩散相继通过皮肤皮肤接触的污染物质，以被动扩散相继通过皮肤的的 表皮及真皮，再滤过真皮中毛细血管的壁膜进入血液。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：吸收途径：消化管、呼吸道和皮肤消化管、呼吸道和皮肤n 消化管是吸收污染物质最主要的途径。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。消化管的主要吸收部位在小肠，其次是胃。环境化学环境化学 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5-15第二节第二节 污染物质在机体内的转运一、吸收一、吸收(Absorption)二、分布二、分布(Distribution)三、排泄三、排泄 (Excretion)四、蓄积四、蓄积 (Accumulation)(5.2 Transport of Pollutants in Body)环境化学环境化学 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5-16二、分布二、分布(Distribution)1.概念：概念：污染物质被吸收或形成其代谢转化物质，由血液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及再反复等过程。 2. 污染物质分布过程污染物质分布过程污染物质的转运以污染物质的转运以被动扩散被动扩散为主。为主。污染物质与血浆蛋白质结合具有可逆性污染物质与血浆蛋白质结合具有可逆性动态平衡动态平衡。污染物质与血液的红细胞或血管外组织蛋白相结合。污染物质与血液的红细胞或血管外组织蛋白相结合。 环境化学环境化学 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5-17第二节第二节 污染物质在机体内的转运一、吸收一、吸收(Absorption)二、分布二、分布(Distribution)三、排泄三、排泄 (Excretion)四、蓄积四、蓄积 (Accumulation)(5.2 Transport of Pollutants in Body)环境化学环境化学 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5-18三、排泄三、排泄(Excretion)1.概念：概念：污染物质及其代谢物质向机体外的转运过程污染物质及其代谢物质向机体外的转运过程。 2. 排泄途径排泄途径u 排泄器官：排泄器官：肾、肝胆肾、肝胆、肠、肺、外分泌腺等。、肠、肺、外分泌腺等。u 肾排泄：肾排泄：污染物质通过肾随尿而排出的过程。污染物质通过肾随尿而排出的过程。u 胆汁排泄：胆汁排泄：主要由消化管及其他途径吸收的污染物质，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。十二指肠，经小肠至大肠内，再排出体外的过程。 环境化学环境化学 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5-19第二节第二节 污染物质在机体内的转运一、吸收一、吸收(Absorption)二、分布二、分布(Distribution)三、排泄三、排泄 (Excretion)四、蓄积四、蓄积 (Accumulation)(5.2 Transport of Pollutants in Body)环境化学环境化学 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5-20四、蓄积四、蓄积(Accumulation)1.概念：概念：机体接触污染物质（若吸收超过排泄及其代谢转化），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。污染物质在体内逐增的现象。u蓄积量是吸收、分布、代谢转化和排泄各量的代数和。蓄积量是吸收、分布、代谢转化和排泄各量的代数和。u机体的主要蓄积部位是血浆蛋白、脂肪组织和骨骼。污染物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。质常与血浆蛋白结合而蓄积。u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。对稳定的平衡。 环境化学环境化学 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5-21Major Sites of Exposure, Metabolism, and Storage, Routes of Distribution and Elimination of Toxic Substances from the BodyFrom Environmental Chemistry，Manahan S E e环境化学环境化学 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5-22 Kinetic Phase环境化学环境化学 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5-23第三节第三节 污染物质的生物富集、污染物质的生物富集、放大和积累放大和积累 5.3 Bioconcentration, Biomagnification and Bioaccumulation of Pollutants 一一生物富集生物富集(Bioconcentration)二、生物放大二、生物放大(Biomagnification)三、生物积累三、生物积累 (Bioaccumulation)环境化学环境化学 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5-24一、一、生物富集生物富集 (Bioconcentration)1. 概念：概念： 指生物通过指生物通过非吞食方式非吞食方式，从周围，从周围环境环境（水、土壤、大气）蓄（水、土壤、大气）蓄积某种积某种元素元素或或难降解的物质难降解的物质，使其在机体内浓度超过周围环，使其在机体内浓度超过周围环境中浓度的现象。境中浓度的现象。2. 生物浓缩系数：生物浓缩系数： 达稳态时：达稳态时：BCF = cb / ce Bioconcentration factors (BCF)水生生物水生生物1 1蚯蚓富集蚯蚓富集1 1农作物农作物1 1生物浓缩系数（因子）；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。某种元素或难降解物质在机体周围环境中的浓度。环境化学环境化学 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5-253. 影响生物浓缩系数的因素影响生物浓缩系数的因素 污染物质性质：污染物质性质：降解性、脂溶性和水溶性；降解性、脂溶性和水溶性； 生物特征：生物特征：生物种类、大小、性别、器官、生物种类、大小、性别、器官、 生物发育阶段；生物发育阶段； 环境条件：环境条件：温度、盐度、水硬度、氧含量和温度、盐度、水硬度、氧含量和 光照情况。光照情况。环境化学环境化学 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5-264. 生物富集的动力学描述：生物富集的动力学描述：n 水生生物对水中难降解性物质的富集速率是生物对其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吸收速率、消除速率消除速率以及由于生物体的生长所造成的以及由于生物体的生长所造成的稀释速率稀释速率的总和。动力学：的总和。动力学：n 吸收速率：吸收速率：Ra=kacwn 消除速率：消除速率：Re=-kecfn 稀释速率：稀释速率：Rg=-kgcfka，ke，kg水生生物吸收、消除（排泄和生物体水生生物吸收、消除（排泄和生物体内分解）、生长的速率常数；内分解）、生长的速率常数；cw，cf水及生物体内瞬时物质浓度。水及生物体内瞬时物质浓度。环境化学环境化学 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5-27n 水生生物富集速率微分方程：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，当水生生物质量增长不明显时， kg可忽略；可忽略； cw又通又通常可视为恒定，又设常可视为恒定，又设t=0时，时，cf(0)=0，则可解方程得：，则可解方程得： cf=kacw/ke 1-exp(-ke)tn 当当t时，时， BCF=ka/ke （达稳态，吸收、消除速率符合一级动力学）（达稳态，吸收、消除速率符合一级动力学）环境化学环境化学 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5-285. BCF与与Kow的关系的关系n复杂过程：复杂过程： 动力学、热力学动力学、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：脂肪相的分配，就好像由水相向辛醇相的分配一样： lg BCF = a lg Kow+ bn适用于水生生物，对陆生植物不适用。适用于水生生物，对陆生植物不适用。n适用于非极性憎水性物质，对于极性可电离污染物不适用。适用于非极性憎水性物质，对于极性可电离污染物不适用。环境化学环境化学 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5-29第三节第三节 污染物质的生物富集、污染物质的生物富集、放大和积累放大和积累 5.3 Bioconcentration, Biomagnification and Bioaccumulation of Pollutants 一一生物富集生物富集(Bioconcentration)二、生物放大二、生物放大(Biomagnification)三、生物积累三、生物积累 (Bioaccumulation)环境化学环境化学 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5-30二、生物放大二、生物放大 (Biomagnification)1.1.概念概念 指在同一食物链上的指在同一食物链上的高营养级生物高营养级生物，通过，通过吞食低营吞食低营养级养级生物蓄积某种生物蓄积某种元素元素或或难降解物质难降解物质，使其在机体内的，使其在机体内的浓度随营养级数提高而增大的现象。浓度随营养级数提高而增大的现象。n生物放大的程度也用生物放大的程度也用生物浓缩系数生物浓缩系数表示。表示。n生物放大并不是在所有条件下都能发生。据文献报道，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物质既不能沿食物链传递, ,也不能沿食物链放大。也不能沿食物链放大。algae zooplankton small fish big fishbirdmankindKow105107才易发生才易发生环境化学环境化学 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5-31第三节第三节 污染物质的生物富集、污染物质的生物富集、放大和积累放大和积累 5.3 Bioconcentration, Biomagnification and Bioaccumulation of Pollutants 一一生物富集生物富集(Bioconcentration)二、生物放大二、生物放大(Biomagnification)三、生物积累三、生物积累 (Bioaccumulation)环境化学环境化学 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5-32三、三、生物积累生物积累 (Bioaccumulation)1. 概念概念指生物从周围环境（水、土壤、大气）和食物链蓄积某指生物从周围环境（水、土壤、大气）和食物链蓄积某种元素或难降解物质，使其在有机体中的浓度超过周围环境种元素或难降解物质，使其在有机体中的浓度超过周围环境中浓度的现象。中浓度的现象。Bioaccumulation occurs in which wastes are concentrated in the tissue of organisms. It is an important mechanism by which wastes enter food chains.生物放大或生物富集生物放大或生物富集是属于生物积累的一种情况。是属于生物积累的一种情况。环境化学环境化学 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5-33kDk1kEkM通过食物被吸收(与颗粒物结合的化合物)通过鳃被动吸收和释放(可溶态化合物)k1：净吸收速率粪便排泄(排泄)代谢从胃肠道吸收食物消化由于生长而由于生长而排泄排泄( (k kG G) )2. 生物积累模型生物积累模型环境化学环境化学 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5-34iiiiiiickkcWcktciiige11,1,waddcw 生物生存水中某物质浓度；生物生存水中某物质浓度；ci 食物链食物链 i 级生物中该物质的浓度；级生物中该物质的浓度；ci-1 食物链食物链 i -1级生物中该物质的浓度；级生物中该物质的浓度； Wi,i-1 摄食率；摄食率；i,i-1 同化率；同化率； i级生物对该物质的吸收速率常数；级生物对该物质的吸收速率常数； i级生物中该物质的消除速率常数；级生物中该物质的消除速率常数； i级生物的生长速率常数。级生物的生长速率常数。iiikkkgea环境化学环境化学 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5-35iiiiiiickkcWcktciiige11,1,wadd当生物积累达到平衡时当生物积累达到平衡时dci/dt=0,上式变换为：上式变换为：1ge1,1,geaiiiiiwickkWckkkciiiiiiiccciw右式反映相应的生物富集右式反映相应的生物富集和生物放大在生物积累达和生物放大在生物积累达到平衡时贡献的大小。到平衡时贡献的大小。111egiiiiiiiicWckk，从从水水中积累中积累污染物量污染物量从从食物食物中积累中积累污染物量污染物量环境化学环境化学 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5-36idietiorganismBMFcci生物放大因子生物放大因子哺乳动物哺乳动物( (生物生物) )鱼鱼( (生物、饵料生物、饵料) )浮游动物浮游动物( (生物、饵料生物、饵料) )藻类藻类( (生物、饵料生物、饵料) )从食物中吸收从食物中吸收iwiorganismBCFBAFccii生物积累生物积累（生物富集）因子（生物富集）因子从周围介质中吸收从周围介质中吸收与可溶性有与可溶性有机质结合的机质结合的化学组分化学组分ciDOC游离的与可游离的与可溶性化学溶性化学组分组分ciw与颗粒物结与颗粒物结合的化学合的化学组分组分c ciDOCiDOCisiorganismBSAFcci生物生物- -底泥底泥积累因子积累因子水底泥底泥c cs s, , c ciOCiOC生物可利用性生物可利用性常用的描述水生生物常用的描述水生生物富集化学物质的述评和参数富集化学物质的述评和参数环境化学环境化学 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5-37一、生物转化中的酶一、生物转化中的酶 (Enzyme)二、若干重要辅酶的功能二、若干重要辅酶的功能(Coenzyme)三、生物氧化中的氢传递过程三、生物氧化中的氢传递过程 (Hydrogen Transfer Processes)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 (Microbial degradation of Oxygen Consumption Organic Pollutants) 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 (Biotransformation Type of Toxic Organic Pollutants) 六、有毒有机污染物质的微生物降解六、有毒有机污染物质的微生物降解 (Microbial degradation of Toxic Organic Pollutants)七、氮和硫的微生物转化七、氮和硫的微生物转化 (Microbial Transformation of Nitrogen and Sulfur)八、重金属元素的微生物转化八、重金属元素的微生物转化(Microbial Transformation of Heavy Metal)九、污染物质的生物转化速率九、污染物质的生物转化速率 (Rate of Biotransformation)第四节第四节 污染物质的生物转化污染物质的生物转化5.4 Biotransformation of Pollutants环境化学环境化学 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5-38物质在生物作用下经受的化学转化，称物质在生物作用下经受的化学转化，称为生物转化或代谢。为生物转化或代谢。 微生物作用：微生物作用：生物转化生物转化化学转化化学转化光化学转化光化学转化自然界自净自然界自净废水处理废水处理污染场址修复污染场址修复生物转化生物转化、化学转化化学转化和和光化学转化光化学转化构成了污染物构成了污染物质在环境中的三大主要转化类型。质在环境中的三大主要转化类型。三大转化类型：三大转化类型：环境化学环境化学 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5-39一、生物转化中的酶一、生物转化中的酶 (Enzyme)1. 定义定义a. 酶酶(Enzyme)：一类由细胞制造和分泌的、以蛋白质为主要：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。成分的、具有催化活性的生物催化剂。b. 底物（或基质）底物（或基质）(Substrate)：在酶催化下发生转化的物质。：在酶催化下发生转化的物质。c. 酶促反应酶促反应(Enzymatic Reaction)：底物在酶催化下发生的转化：底物在酶催化下发生的转化 反应。反应。 2. 2. 酶的特点酶的特点 。环境化学环境化学 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5-40Organisms facilitate reactions via two important approaches. The first approach involves the use of special proteins, called enzymes, that serve as catalysts. These reusable “biological tools” promote substrate interactions and thereby lower the free energy of activation that determines the transformation rate. Enzymes can lower the activation energy of reactions by several tens of kJ per mole, thereby speeding the transformations by factors of 109 or more. Some of this reaction rate enhancement arises because enzymes form complexes with substrates; by holding the reacting compounds in an advantageous orientation with respect to one another, the enzymes facilitate substrate interaction. Additionally, enzymes include polar and charged structural components that can alter the electron densities of the bound reactants. This lowers the barriers to breaking existing bonds and encourages new bonds to be made.From Environmental Organic Chemistry，Schwarzenbach R P;. Gschwend P M; Imboden D M 环境化学环境化学 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5-41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胞外酶胞外酶胞内酶胞内酶按酶的成分按酶的成分单成分酶单成分酶双成分酶双成分酶酶蛋白酶蛋白辅基或辅酶辅基或辅酶根据酶的根据酶的作用场所作用场所3. 3. 酶的分类酶的分类 环境化学环境化学 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5-42 单成分酶：含有蛋白质。单成分酶：含有蛋白质。 双成分酶：酶蛋白和辅酶双成分酶：酶蛋白和辅酶或辅基。辅基同酶蛋白结合比或辅基。辅基同酶蛋白结合比较牢固，辅酶与酶蛋白结合较较牢固，辅酶与酶蛋白结合较为松散。二者区别仅在此，故为松散。二者区别仅在此，故以后均用辅酶称呼。辅酶起着以后均用辅酶称呼。辅酶起着传递电子、原子或某些化学基传递电子、原子或某些化学基团的功能，酶蛋白起着决定催团的功能，酶蛋白起着决定催化专一性和催化高效率的功能。化专一性和催化高效率的功能。因此，只有双成分酶的整体才因此，只有双成分酶的整体才具有酶的催化活性。具有酶的催化活性。 辅基或辅酶的作辅基或辅酶的作用是：传递电子、原用是：传递电子、原子或某些基团。酶蛋子或某些基团。酶蛋白的作用是决定催化白的作用是决定催化专一性和催化效率。专一性和催化效率。 辅酶的成分是金辅酶的成分是金属离子、含金属的有属离子、含金属的有机化合物或小分子的机化合物或小分子的复杂有机化合物。辅复杂有机化合物。辅酶约有酶约有30种。种。环境化学环境化学 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5-43一、生物转化中的酶一、生物转化中的酶 (Enzyme)二、若干重要辅酶的功能二、若干重要辅酶的功能(Coenzyme)三、生物氧化中的氢传递过程三、生物氧化中的氢传递过程 (Hydrogen Transfer Processes)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 (Microbial degradation of Oxygen Consumption Organic Pollutants) 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 (Biotransformation Type of Toxic Organic Pollutants) 六、有毒有机污染物质的微生物降解六、有毒有机污染物质的微生物降解 (Microbial degradation of Toxic Organic Pollutants)七、氮和硫的微生物转化七、氮和硫的微生物转化 (Microbial Transformation of Nitrogen and Sulfur)八、重金属元素的微生物转化八、重金属元素的微生物转化(Microbial Transformation of Heavy Metal)九、污染物质的生物转化速率九、污染物质的生物转化速率 (Rate of Biotransformation)第四节第四节 污染物质的生物转化污染物质的生物转化5.4 Biotransformation of Pollutants环境化学环境化学 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5-441. FMN和和FAD二、若干重要辅酶的功能二、若干重要辅酶的功能 (Coenzyme)F：黄素：黄素 flavinM：单：单 monoN：核苷酸：核苷酸 nucleotideFMN（黄素单核苷酸）（黄素单核苷酸）环境化学环境化学 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5-45二、若干重要辅酶的功能二、若干重要辅酶的功能 Coenzyme环境化学环境化学 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5-46FMN/FAD（氧化型（氧化型 FMN/FAD ）FMNH2/FADH2（还原型（还原型 FMN/FAD ）RFMN/FAD的其余部分的其余部分 FMN和和FAD氧化还原酶的辅酶，在酶促反应中具有传递氧化还原酶的辅酶，在酶促反应中具有传递氢原子的功能。氢原子的功能。环境化学环境化学 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5-472. NAD和和NADP NAD+（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 ） NADP+（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）环境化学环境化学 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5-48 NAD /NADP（氧化型氧化型 NAD /NADP ）RNAD+/NADP+的其余部分的其余部分NADH/NADPH （还原型还原型NAD /NADP ) 辅酶辅酶辅酶辅酶这些氧化还原酶的辅酶，在酶促反这些氧化还原酶的辅酶，在酶促反应中具有传递氢的作用。应中具有传递氢的作用。环境化学环境化学 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5-493. 辅酶辅酶Q（又称泛醌）（又称泛醌） 是某些氧化还原酶的辅酶，在酶促反应中具有传递氢的作用。是某些氧化还原酶的辅酶，在酶促反应中具有传递氢的作用。CoQ（氧化型CoQ ）（n=610）CoQ （还原型CoQ ）H2环境化学环境化学 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5-50细胞色素酶系是催化底物氧化的一类细胞色素酶系是催化底物氧化的一类酶系，主要有细胞色素酶系，主要有细胞色素b，c1，c，a，a3等几种。它们的酶蛋白部分不同，等几种。它们的酶蛋白部分不同，但辅酶都是铁卟啉。但辅酶都是铁卟啉。 cyt细胞色素酶系；细胞色素酶系； n b， c1，c，a，a3。4. 细胞色素酶系的辅酶细胞色素酶系的辅酶细胞色素细胞色素(Cytochromes) 细胞色素类是含铁的细胞色素类是含铁的电子传递体。电子传递体。 铁原子处于卟啉的结铁原子处于卟啉的结构中心，构成血红素构中心，构成血红素(heme)。 细胞色素类都以血红细胞色素类都以血红素作为辅基。素作为辅基。cytnFe3+ cytnFe2+e-e-环境化学环境化学 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5-515. 辅酶辅酶A（简写为（简写为CoASH）辅酶A是泛酸的一个衍生物，简写为CoASH，结构式是：转移酶的辅酶，所含的巯基与酰基形成硫酯，而在酶促反转移酶的辅酶，所含的巯基与酰基形成硫酯，而在酶促反应中起着传递酰基的功能。反应式如下：应中起着传递酰基的功能。反应式如下：腺核苷3磷酸焦磷酸泛酸氨基乙硫醇环境化学环境化学 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5-52一、生物转化中的酶一、生物转化中的酶 (Enzyme)二、若干重要辅酶的功能二、若干重要辅酶的功能(Coenzyme)三、生物氧化中的氢传递过程三、生物氧化中的氢传递过程 (Hydrogen Transfer Processes)四、耗氧有机污染物质的微生物降解四、耗氧有机