第二章+污染物在环境中的行为.ppt

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1、第二章 污染生态过程本章将讨论以下内容本章将讨论以下内容：1.污染物污染物在环境中的迁移与转化在环境中的迁移与转化2.污染物在生物体内的生物转运和生物转化污染物在生物体内的生物转运和生物转化3.污染物在生物体内的污染物在生物体内的富集富集环境污染概述1.1什么是环境污染？环境污染环境污染（Environmental Pollution）是指是指有害物质或因子有害物质或因子进进入环境，并在环境中扩散、迁移、转化，使生态系统结入环境，并在环境中扩散、迁移、转化，使生态系统结构与功能发生变化，对人类以及其他生物的生存和发展构与功能发生变化，对人类以及其他生物的生存和发展产生不利影响的现象。产生不利影

2、响的现象。环境污染的分类环境污染的分类生物污染生物污染化学污染化学污染物理污染物理污染按污染物性质按污染物性质废气污染废气污染废水污染废水污染 固体废弃物污染固体废弃物污染噪声污染噪声污染辐射污染辐射污染按污染物形态按污染物形态环境效应环境效应环境污染所导致的环境变化环境污染所导致的环境变化环境生物效应：环境生物效应：指各种环境因素变化而导致生指各种环境因素变化而导致生态系统变异的结果。态系统变异的结果。如恐龙的灭绝、水利工程、森如恐龙的灭绝、水利工程、森林砍伐；急性与慢性效应林砍伐；急性与慢性效应环境化学效应：在多种环境条件的影响下，物环境化学效应：在多种环境条件的影响下，物质之间的化学反应

3、所引起的环境效果。质之间的化学反应所引起的环境效果。如：酸如：酸雨、光化学烟雾、土壤酸化等。雨、光化学烟雾、土壤酸化等。环境物理效应：物理作用引起的环境效果。环境物理效应：物理作用引起的环境效果。如如热岛效应、温室效应、颗粒物的污染、噪声污染等。热岛效应、温室效应、颗粒物的污染、噪声污染等。污染源（Pollution Source）造成环境污染的污染物发生源称为污染源。造成环境污染的污染物发生源称为污染源。它通常指向环境排放有害物质或对环境产生有害物它通常指向环境排放有害物质或对环境产生有害物质的场所、设备和装置。质的场所、设备和装置。污染物的自然来源（污染物的自然来源（Natural Sou

4、rce）:自然界向环境排放，自然界向环境排放，如：活动的火山或如：活动的火山或矿床。矿床。交通工业农业污染物的人为来源（污染物的人为来源（Artificial Source）:来自人类活动，影来自人类活动，影响范围广、危害大，如工业三废响范围广、危害大，如工业三废污染源示意图工业污染源工业污染源（点源、三废）（点源、三废）农业污染源农业污染源（面源、农用化学品）（面源、农用化学品）交通运输污染源交通运输污染源（线源、水气污染、噪声）（线源、水气污染、噪声）生活污染源生活污染源（三废、固废）（三废、固废）污染物污染物（Pollutant）污染物污染物指进入环境后使环境的正常组成结构、状态和性质发

5、生变化，指进入环境后使环境的正常组成结构、状态和性质发生变化，直接或间接有害于人类的生存和发展的物质。直接或间接有害于人类的生存和发展的物质。生产性污染物和生活污染物生产性污染物和生活污染物当某种物质（有用的或必须的）成为污染物时，必须当某种物质（有用的或必须的）成为污染物时，必须在特定的环境中达到一定数量或浓度，并且持续一定在特定的环境中达到一定数量或浓度，并且持续一定的时间。的时间。一次污染物和二次污染物：一次污染物和二次污染物：二次污染物是指进人大气的一次污染物之间相互作二次污染物是指进人大气的一次污染物之间相互作用或一次污染物与正常大气组分发生化学反应，以用或一次污染物与正常大气组分发

6、生化学反应，以及在太阳辐射线的参与下引起光化学反应而产生的及在太阳辐射线的参与下引起光化学反应而产生的新的污染物，它常比一次污染物对环境和人体的危新的污染物，它常比一次污染物对环境和人体的危害更为严重。害更为严重。如光化学烟雾、酸雨等如光化学烟雾、酸雨等小结环境污染的特点：影响范围大作用时间长污染物浓度低、情况复杂污染容易、治理难第一节第一节 污染物在环境中的迁移与转化污染物在环境中的迁移与转化 一、污染物在环境中的迁移迁移的定义：迁移的定义：迁移是指污染物在环境中发生的空间位置的移动及其引迁移是指污染物在环境中发生的空间位置的移动及其引起的富集、分散和消失的过程。起的富集、分散和消失的过程。

7、污染物进入环境的途径包括：污染物进入环境的途径包括：（1）人类活动过程中无意排放）人类活动过程中无意排放 如火灾如火灾（2）工业三废）工业三废（3）人类活动过程中故意应用（）人类活动过程中故意应用（pesticide）注：注：进入环境的污染物可以在各个环境要素（水、气、土）进入环境的污染物可以在各个环境要素（水、气、土）中发生迁移并输送到很远的距离。污染物的长距离传送，中发生迁移并输送到很远的距离。污染物的长距离传送，往往由局部性污染引发区域性污染甚至全球性污染，这往往由局部性污染引发区域性污染甚至全球性污染，这也是环境污染成为当代主要环境问题的原因之一。如也是环境污染成为当代主要环境问题的原

8、因之一。如PCBs，CFCs运输到南极运输到南极污染物在环境中的三种迁移方式污染物在环境中的三种迁移方式机械迁移机械迁移（1）水的机械迁移）水的机械迁移作用作用（2）气的机械迁移）气的机械迁移作用作用（3）重力的机械迁移）重力的机械迁移作用作用物理化学迁移物理化学迁移 污染物在环境中迁移的最重要的形式。污染物在环境中迁移的最重要的形式。（1）溶解沉淀作用、络合螯合作用、吸附）溶解沉淀作用、络合螯合作用、吸附解吸作用、氧化还原作用、水解作用解吸作用、氧化还原作用、水解作用（2）化学分解、光化学分解、生物化学分解）化学分解、光化学分解、生物化学分解生物迁移生物迁移通过生物的吸收、代谢、生长、死亡等

9、过程所实现通过生物的吸收、代谢、生长、死亡等过程所实现的迁移，是一种非常复杂的迁移形式的迁移，是一种非常复杂的迁移形式 例：生物通过食物链对重金属的放大积累作用例：生物通过食物链对重金属的放大积累作用影响迁移的因素影响迁移的因素内部因素内部因素污染物自身的物理化学性质：组成该物质的元素所污染物自身的物理化学性质：组成该物质的元素所具有的组成化合物的能力、形成不同的电价离子能具有的组成化合物的能力、形成不同的电价离子能力、水解能力、形成络合物的能力、被胶体吸附的力、水解能力、形成络合物的能力、被胶体吸附的能力能力原子的电负性、离子半径、电价、离子电位和化合原子的电负性、离子半径、电价、离子电位和

10、化合物的键性、溶解度等都是影响迁移的主要理化参数。物的键性、溶解度等都是影响迁移的主要理化参数。外部因素外部因素 酸碱条件酸碱条件 氧化还原条件氧化还原条件 胶体和络合配位体的胶体和络合配位体的种类、种类、数量数量 自然地理条件自然地理条件二、污染物的形态和分布（Form and Distribution of Pollutant）污染物的污染物的形态形态定义：指环境中污染物的外部形状、化学组成和内部结构定义：指环境中污染物的外部形状、化学组成和内部结构的表现形式。的表现形式。污染物的存在形态包括（环境污染化学研究范畴污染物的存在形态包括（环境污染化学研究范畴）价态价态，如，如Cr（VI）、）

11、、Cr（III）化合化合态，如有机汞和无机态，如有机汞和无机汞汞结构结构态，如同分异构体态，如同分异构体 型型六六六，六六六，PAHs结构结构络合态，络合态铜和游离态铜络合态，络合态铜和游离态铜几种重要的形态分类几种重要的形态分类离子态：活性大、毒性强、易于迁移离子态：活性大、毒性强、易于迁移代换态：受质量法则制约，浓度高的离子可以将代换态：受质量法则制约，浓度高的离子可以将浓度低的离子代换出来。浓度低的离子代换出来。胶体：气溶胶（飘尘、烟气）、水溶胶、固溶胶胶体：气溶胶（飘尘、烟气）、水溶胶、固溶胶有机结合态：生物吸收积累起来的污染物：农残、有机结合态：生物吸收积累起来的污染物：农残、甲基汞

12、甲基汞难溶态：风化和生物分解释放出来难溶态：风化和生物分解释放出来污染物的分布污染物的分布污染物的分布污染物的分布定义定义：主要是指污染物在环境多组分间分布，不：主要是指污染物在环境多组分间分布，不仅指在环境空间的浓度分布，而且还仅指在环境空间的浓度分布，而且还指污染物不指污染物不同形态、不同相态之间的分配。同形态、不同相态之间的分配。例：汞形态的分布图例：汞形态的分布图1-2和图和图1-3表明了污染物在表明了污染物在水生生态系统和陆生生态系统各组分间的分布。水生生态系统和陆生生态系统各组分间的分布。三、三、污染物在环境中的污染物在环境中的转化转化转化的定义转化的定义指污染物在环境中通过物理、

13、化学或生物的作用指污染物在环境中通过物理、化学或生物的作用改变形态或转变成另一种物质的过程。改变形态或转变成另一种物质的过程。转化的形式转化的形式物理转化：蒸发、渗透、吸附物理转化：蒸发、渗透、吸附化学转化：氧化还原、水解、光化学化学转化：氧化还原、水解、光化学最为普遍、最为普遍、常见常见生物转化生物转化：生物的吸收和代谢作用：生物的吸收和代谢作用转化的结果：转化的结果：两种可能：两种可能：u污染物转化为无毒物质或易降解结构污染物转化为无毒物质或易降解结构u污染物的毒性增强或转化为难降解结构污染物的毒性增强或转化为难降解结构有机磷农药中的有机磷农药中的对硫磷和马拉硫磷对硫磷和马拉硫磷，可因水解

14、，可因水解作用使其酰胺键和脂键断裂而失去毒性；芳香作用使其酰胺键和脂键断裂而失去毒性；芳香环发生二聚化反应，生成更为复杂的多环芳烃环发生二聚化反应，生成更为复杂的多环芳烃物质，使毒性增强。物质，使毒性增强。大气中的转化：以光化学氧化、催化氧化反应为主大气中的转化：以光化学氧化、催化氧化反应为主例一：光化学烟雾（例一：光化学烟雾（Photochemical Smog）光光化化学学烟烟雾雾是是大大气气中中氮氮氧氧化化物物和和碳碳氢氢化化合合物物在在紫紫外外线线照照射射下下反反应应生生成成的的多多种种污污染染物物(一一次次污污染染物物和和二二次次污染物污染物)的的混合物。混合物。光光化化学学烟烟雾雾

15、最最具具危危害害的的两两种种物物质质是是臭臭氧氧(O3)和和过过氧氧乙酰硝酸酯乙酰硝酸酯(peroxyacetylnitrates,PAN)。例二：酸雨（例二：酸雨（Acid Rain）大气中的转化大气中的转化图图1 12 2光化学烟雾实例光化学烟雾实例*图图1-31-3光化学烟雾形成过程光化学烟雾形成过程水体中的转化水体中的转化水体中的转化主要通过下列途径：水体中的转化主要通过下列途径：氧化还原作用氧化还原作用天然水体本身是一个氧化还原体系，含有多种无机、有机天然水体本身是一个氧化还原体系，含有多种无机、有机氧化剂和还原剂，如氧化剂和还原剂，如DO、Fe3+、Mn4+、S2、有机化合物等，、

16、有机化合物等，对污染物的转化起重要作用。对污染物的转化起重要作用。Cr3+Cr6+;As3+As5+水体中的氧化还原类型、速率和平衡，在很大程度上决定了水体中的氧化还原类型、速率和平衡，在很大程度上决定了水中重要污染物的性质。如：厌氧性湖泊水中重要污染物的性质。如：厌氧性湖泊水体中的许多氧化还原反应均为微生物催化反应。水体中的许多氧化还原反应均为微生物催化反应。氧垂曲线（氧垂曲线（Oxygen Sag Curve）氧垂曲线的定义氧垂曲线的定义在河流受到有机物污染时，由于有机物的氧化分解作用，水体的在河流受到有机物污染时，由于有机物的氧化分解作用，水体的DO发生变化。从污染源到河流下游一定距离内

17、，可绘制一条发生变化。从污染源到河流下游一定距离内，可绘制一条DO逐渐变逐渐变化的曲线，称之为氧垂曲线。化的曲线，称之为氧垂曲线。根据有机物在水体中分解变化根据有机物在水体中分解变化和和DO的变化，可把受污河流分成的变化，可把受污河流分成几段几段:清洁区：未受污染清洁区：未受污染分解区分解区:耗耗氧分解氧分解腐败区：厌氧分解腐败区：厌氧分解恢复区：分解完成，恢复区：分解完成，DO上升上升 L（km）饱和DO线DO（mg/L）0DO min图58 氧垂曲线示意图氧垂曲线氧垂曲线 n排入河水中的有机物经微生物降解，一方面消耗水中排入河水中的有机物经微生物降解，一方面消耗水中的的DODO；另一方面，

18、空气中的氧通过河流水面不断地溶；另一方面，空气中的氧通过河流水面不断地溶入水中，会使入水中，会使DODO逐步增加直至得到恢复，故耗氧与复逐步增加直至得到恢复，故耗氧与复氧是同时进行的。氧是同时进行的。污染河水中污染河水中DODO、BODBOD的浓度变化如下图的浓度变化如下图 配合作用无机配位体：OH、Cl、CO32-、HCO3等有机配位体：氨基酸、腐殖酸、清洁剂、洗涤剂、农药等按浓度积计算，水中Zn2+浓度应为0.861mg/l；生成Zn（OH）2配合物，水中总锌量可达到160mg/l水体中腐殖酸与汞的配合作用，减轻了汞对浮游生物的毒性，但是增加了汞在鲤鱼和鲫鱼体内的富集。生物降解作用（第五节

19、）如汞的转化土壤中的转化土壤中的转化土壤由固、液、气三相构成，所以土壤状况比水、气中复杂。污染物在土壤中的转化及其行为取决于污染物和土壤的理化性质。土壤是环境中微生物最活跃的场所，故生物降解起重要作用。土壤中的固、液、气三相的分布是控制污染物运动和微生物活动的重要因素。土壤的pH、温度、湿度、通气状况和微生物种群等是污染物转化的条件。四、污染物的生物地球化学循环生物地球化学循环的概念指生物的合成作用合成作用和矿化作用矿化作用所引起的污染物周而复始的循环运动过程。注：合成作用合成作用指生物（主要是绿色植物）将吸收的环境化学物质转变为生物体本身的有机物质的过程。矿化作用矿化作用指生物通过代谢作用（

20、包括微生物的分解作用）将生物体的有机物质转化为无机物质或简单的有机物。循环过程：生物小循环循环过程：生物小循环 循环机理：循环机理：污染物的污染物的生物地球化学循环生物地球化学循环在这个循环过程中同时伴随有污染物的在这个循环过程中同时伴随有污染物的迁移、转化、分散、迁移、转化、分散、富集富集的过程，从而使得的过程，从而使得污染物的形态、化学组成和性质污染物的形态、化学组成和性质也发也发生变化生变化如如多种酚类污染物被微生物分解成为水和二氧化碳，供植物多种酚类污染物被微生物分解成为水和二氧化碳，供植物体生长需要。同时植物生长过程中又可以合成酚。体生长需要。同时植物生长过程中又可以合成酚。多种氟的

21、污染物可以被植物多种氟的污染物可以被植物的根系和叶片吸收、的根系和叶片吸收、积累。积累。动物可以通过呼吸、饮水、动物可以通过呼吸、饮水、摄食吸收环境中的氟，动物体内摄食吸收环境中的氟，动物体内的氟一部分通过代谢作用排出体外，大部分随残体被微生物的氟一部分通过代谢作用排出体外，大部分随残体被微生物分解回到环境中。分解回到环境中。第二节 污染物在生物体内的转运和转化一、生物转运生物转运（生物转运（Bio-transport）的概念）的概念生物转运：生物通过生物膜对污染物进行生物转运：生物通过生物膜对污染物进行吸收、分吸收、分布和排泄布和排泄从而使污染物在生物体内发生位移过程。从而使污染物在生物体内

22、发生位移过程。这些过程都需要通过细胞的膜结构。这些过程都需要通过细胞的膜结构。细胞膜（生物膜）有多种：细胞质膜、内质网膜、细胞膜（生物膜）有多种：细胞质膜、内质网膜、线粒体膜、核膜等；线粒体膜、核膜等；它们基本的化学组成、分子它们基本的化学组成、分子结构、功能有共同的特征。结构、功能有共同的特征。一般细胞膜由蛋白质分子和脂质分子（主要是磷脂一般细胞膜由蛋白质分子和脂质分子（主要是磷脂类）组成类）组成环境污染物的毒性往往与生物膜结构直接有关；有些环境中环境污染物的毒性往往与生物膜结构直接有关；有些环境中的专一受体就是生物膜上的某些特殊蛋白质：如有机磷农药的专一受体就是生物膜上的某些特殊蛋白质：如

23、有机磷农药的专一受体就是的专一受体就是乙酰胆碱酯酶乙酰胆碱酯酶。细胞质膜结构图亲水基亲水基疏水基疏水基生物膜的骨架是磷脂类双分子层，蛋白质分子以不同的方式镶生物膜的骨架是磷脂类双分子层，蛋白质分子以不同的方式镶嵌其中。细胞膜的表面还有糖类分子，形成糖脂、糖蛋白嵌其中。细胞膜的表面还有糖类分子，形成糖脂、糖蛋白;共同共同特征，即镶嵌性、蛋白质极性、流动性、相变性和更新态。特征，即镶嵌性、蛋白质极性、流动性、相变性和更新态。污染物污染物透过细胞膜的方式透过细胞膜的方式（与污染物性质、结构及膜结构有关）（与污染物性质、结构及膜结构有关）方式方式 特点特点浓度梯度浓度梯度有无有无载体载体是否是否耗能耗

24、能其它特点其它特点被动转运被动转运简单扩散简单扩散高浓度高浓度低浓低浓度（顺）度（顺）无无否否脂溶性有机化合物的主脂溶性有机化合物的主要转运方式要转运方式滤过过程滤过过程通过膜上的亲水性孔道；通过膜上的亲水性孔道；分子直径小的水溶性化分子直径小的水溶性化合物的主要方式合物的主要方式 特殊转运特殊转运主动转运主动转运低浓度低浓度高浓高浓度（逆）度（逆）有有耗能耗能水溶性大分子化合物的水溶性大分子化合物的主要方式；污染物的体主要方式；污染物的体内排出，如肾、肝等内排出，如肾、肝等易化扩散易化扩散高浓度高浓度低浓低浓度（顺）度（顺）有有否否也是污染物的体内排出也是污染物的体内排出的一种方式的一种方式

25、胞饮作用胞饮作用胞饮作用胞饮作用内吞物质为液体内吞物质为液体吞噬作用吞噬作用内吞物质为固体物质内吞物质为固体物质污染物的吸收（污染物的吸收（Absorption of Pollutant）：指污染物：指污染物在多种因素影响下，自接触部位透过体内细胞膜进入血液循环在多种因素影响下，自接触部位透过体内细胞膜进入血液循环或体液的过程。或体液的过程。动物吸收的主要途径有：呼吸系统、消化管和皮肤动物吸收的主要途径有：呼吸系统、消化管和皮肤（1）呼吸系统吸收特点）呼吸系统吸收特点:吸收对象主要针对气体、蒸汽、气溶胶等形吸收对象主要针对气体、蒸汽、气溶胶等形式的污染物。式的污染物。吸收方式多以吸收方式多以被

26、动扩散被动扩散的方式，通过呼吸膜的方式，通过呼吸膜吸收入血。吸收入血。主要部位例如：肺，肺泡数量多，表面积大，主要部位例如：肺，肺泡数量多，表面积大，遍布毛细血管，便于污染物经肺迅速吸收进遍布毛细血管，便于污染物经肺迅速吸收进入血管入血管。（2）消化管吸收特点：）消化管吸收特点：吸收对象主要为饮水和由大气、水、土壤进入食物吸收对象主要为饮水和由大气、水、土壤进入食物链中的污染物。链中的污染物。吸收方式多以吸收方式多以简单扩散方式简单扩散方式通过细胞膜而被吸收。通过细胞膜而被吸收。脂溶性物质较易吸收。脂溶性物质较易吸收。主要部位如胃和小肠。主要部位如胃和小肠。（3）皮肤吸收）皮肤吸收到血液：如有

27、机磷农药可透过完整到血液：如有机磷农药可透过完整皮肤引起中毒。皮肤引起中毒。CCl4通过皮肤吸收引起肝损害。通过皮肤吸收引起肝损害。穿透相（脂溶性污染物）与吸收相（真皮进入乳穿透相（脂溶性污染物）与吸收相（真皮进入乳头层毛细血管，水溶性以吸收），一般污染物油头层毛细血管，水溶性以吸收），一般污染物油水分配系数接近水分配系数接近1 的化合物易吸收的化合物易吸收植物吸收的主要途径：植物吸收的主要途径：（1）根部吸收以及随后随蒸腾流而输送到植物各部分（有主动）根部吸收以及随后随蒸腾流而输送到植物各部分（有主动吸收和被动吸收两种方式）；吸收和被动吸收两种方式）；（2）通过植物叶片上的气孔从周围空气中吸

28、收污染物，是植物）通过植物叶片上的气孔从周围空气中吸收污染物，是植物对大气污染物吸收的主要方式；对大气污染物吸收的主要方式；SO2，NOx，O3（3）有机化合物的蒸汽经过植物地上部分表皮渗透而摄入）有机化合物的蒸汽经过植物地上部分表皮渗透而摄入体内体内生育期生育期吸收镉总量吸收镉总量（g盆盆1）相对相对%（成熟期为（成熟期为100%）分蘖期分蘖期2360.1抽穗、开抽穗、开花期花期57091.1灌浆期灌浆期201794.2成熟期成熟期2715100投投镉镉量量（mgkg-1）土壤pH4.55.27.4叶片干重含叶片干重含镉镉量（量（mgkg-1）0.01.61.80.80.58.45.23.0

29、1.014103.71.5183.94.62.0167.25.3污染物的体内分布污染物的体内分布指环境污染物随血液或其它体液的流动，分散到全身各指环境污染物随血液或其它体液的流动，分散到全身各组织细胞的过程。组织细胞的过程。一部分可以和血浆蛋白质一部分可以和血浆蛋白质(主要是白蛋白主要是白蛋白)结合，而不易透结合，而不易透过生物膜；另一部分呈游离状态过生物膜；另一部分呈游离状态 被吸收的环境污染物，有些可在脂肪组织或骨组织中被吸收的环境污染物，有些可在脂肪组织或骨组织中蓄蓄积和沉积积和沉积。如铅有。如铅有90沉积在骨骼中；沉积在骨骼中；DDT和六六六等和六六六等有机氯化合物则大量蓄积在脂肪组织

30、中。有机氯化合物则大量蓄积在脂肪组织中。当出现饥饿时，当出现饥饿时，又会出现二次污染又会出现二次污染体内还存在一些能阻止或简化外来污染物有血液向组织体内还存在一些能阻止或简化外来污染物有血液向组织器官分布的屏障：器官分布的屏障：如如血脑屏障和胎盘屏障血脑屏障和胎盘屏障等；对幼小等；对幼小动物危害大。这是人体的防御功能，动物危害大。这是人体的防御功能，污染物的排泄污染物的排泄指进入机体的环境污染物及其代谢产物被机体清除的过程。指进入机体的环境污染物及其代谢产物被机体清除的过程。排泄的主要途径：排泄的主要途径：通过肾脏进入尿液（肾小球的滤过和肾小管的主动转运）通过肾脏进入尿液（肾小球的滤过和肾小管

31、的主动转运）通过肝脏的胆汁进入粪便（主动转运）通过肝脏的胆汁进入粪便（主动转运）有的环境污染物还可随同呼出的气体、汁液等有的环境污染物还可随同呼出的气体、汁液等排出体外排出体外有些有些还可通过乳汁排泄，对婴儿可能造成不良影响。还可通过乳汁排泄，对婴儿可能造成不良影响。植物的排泄方式比较简单：分泌与叶类植物脱叶植物的排泄方式比较简单：分泌与叶类植物脱叶 二、污染物在体内的生物转化生物转化生物转化是是指污染物在生物体内各种酶的催化作用指污染物在生物体内各种酶的催化作用下发生化学结构和性质的变化而转化为新的衍生物下发生化学结构和性质的变化而转化为新的衍生物的过程。的过程。研究环境污染物生物转化是生态

32、毒理学研究环境污染物生物转化是生态毒理学(Eco-toxicology)研究的重要组成部分研究的重要组成部分它有助于阐明污染物对生物机体作用机理，对解它有助于阐明污染物对生物机体作用机理，对解释环境污染物的联合作用，判断或评价环境中外释环境污染物的联合作用，判断或评价环境中外源性物质对机体的危害程度，环境质量标准的建源性物质对机体的危害程度，环境质量标准的建立等，均具有十分重要的意义。立等，均具有十分重要的意义。注1：外源化合物外源化合物（Xenobiotic compounds）指除了营养元素及维持正常生理功能和生命所必需的物质以外，存在于环境之中，可与机体接触并进入机体引起机体发生生物学变

33、化的物质。又叫外来化合物或外源性生物活性物质。例如：药物、日用化学品、食品添加剂、环境污染物等。生物外源性物质是指那些人工合成的，具有不被现有降解酶系所识别和作用的分子结构和化学键序列的化合物，简而言之，就是不能被生物降解的化合物。如DDT、六六六、多氯联苯、染料、塑料、合成橡胶等。注2：内源性化合物内源性化合物指生物机体正常的生理活动产生的物质。注3：酶（酶（Enzyme）是由活细胞产生的，能在体内和体外起同样催化作用的一类具有活性中心和特殊构象的生物大分子，包括蛋白质和核酸。注4：生物转化的主要场所是肝脏，其它有肺、胃、肠、皮肤等。生物转化过程生物体内的生物转化一般分为I，II两个连续过程

34、相I过程（反应）外源性化合物在有关酶系统的催化下经由氧化、还原或水解反应改变其化学结构，形成某些活性基团（OH、SH、COOH、NH2）或进一步使这些活性基团暴露。相II过程（反应）相I过程产生的一级代谢物在另外的酶系统催化下通过上述活性基团与细胞内的某些化合物结合，生成结合产物（二级代谢物）或带有某些基团的外源性化合物与细胞内物质结合反应。形成的二级代谢物的极性（亲水性）一般增强，利于排出一级代谢物可以直接排出或对机体产生毒害。一些外源化合物本身有相应的活性基团，不经过相I过程直接与细胞内物质结合而完成生物转化排出体外外源性化合物一级代谢物 结合产物（二级代谢物）毒害作用过程I（相I反应）图

35、图1-5 生物转化过程示意图生物转化过程示意图过程II（相II反应）相相I反应的主要类型：反应的主要类型：1)氧化反应：氧化反应：微粒体微粒体混合功能氧化酶参与的反应混合功能氧化酶参与的反应NADPH2：还原型辅酶：还原型辅酶II；NADP：氧化型辅酶：氧化型辅酶II 非微粒体反应非微粒体反应:有些外源性化合物也可被位于线粒体部有些外源性化合物也可被位于线粒体部分的非微粒体氧化还原酶所催化分的非微粒体氧化还原酶所催化2)还原反应：微粒体还原还原反应：微粒体还原 非微粒体还原非微粒体还原3)水解反应水解反应 微粒体微粒体(microsomes)是细胞内膜系统的膜结构破裂后自己重新封闭起来的小是细

36、胞内膜系统的膜结构破裂后自己重新封闭起来的小囊泡囊泡(主要是内质网和高尔基体主要是内质网和高尔基体),这些小囊泡的直径大约这些小囊泡的直径大约100 nm左右左右微粒体混合功能氧化酶参与的主要反应微粒体混合功能氧化酶参与的主要反应例如例如:a.脂肪族羟化脂肪族羟化b芳香族羟化芳香族羟化 混合功能氧化酶混合功能氧化酶 mixed-functional oxidase 又称多功能氧化酶，它存在于人体和动物的肝脏、肺脏细胞的微粒又称多功能氧化酶，它存在于人体和动物的肝脏、肺脏细胞的微粒体中。混合功能氧化酶系包括细胞色素体中。混合功能氧化酶系包括细胞色素P-450、NADPH细胞色素细胞色素 P-45

37、0还原酶、细胞色素还原酶、细胞色素b-5、NADH细胞色素细胞色素 b-5还原酶、芳烃羟化酶、还原酶、芳烃羟化酶、环氧化物水化酶以及磷脂等。其中以细胞色素环氧化物水化酶以及磷脂等。其中以细胞色素P-450最为重要最为重要,它与分子它与分子氧形成氧形成“活性氧活性氧”复合体，能氧化进入肝、肺的外源性化学物质。复合体，能氧化进入肝、肺的外源性化学物质。cN羟化羟化 芳香胺、伯胺、仲胺类化合物、氨基甲酸乙芳香胺、伯胺、仲胺类化合物、氨基甲酸乙酯、乙酰氨基笏以及药物硝胺等都经此种方式氧化。酯、乙酰氨基笏以及药物硝胺等都经此种方式氧化。非非微粒体反应微粒体反应:有些外源性化合物也可被位于线有些外源性化合

38、物也可被位于线粒体部分的非微粒体氧化还原酶所催化粒体部分的非微粒体氧化还原酶所催化 a a单胺和二胺氧化单胺和二胺氧化 单胺类化合物由单胺氧化酶（单胺类化合物由单胺氧化酶（MAOMAO）催化，）催化，氧化生成相应的醛。氧化生成相应的醛。二胺由二胺氧化酶二胺由二胺氧化酶(DAO)(DAO)催化，反应产物为氨基醛。催化，反应产物为氨基醛。b.b.醇、醛氧化醇、醛氧化 醇脱氢酶、醛脱氢酶和过氧化氢酶能使各种醇醇脱氢酶、醛脱氢酶和过氧化氢酶能使各种醇类和醛类化合物氧化类和醛类化合物氧化 2)还原反应还原反应：微粒体微粒体还原还原外源性化合物毒物可通过微粒体酶作用而被还原。这些反应外源性化合物毒物可通过

39、微粒体酶作用而被还原。这些反应在肠道的细菌体内比较活跃，而在哺乳动物组织内较弱。在肠道的细菌体内比较活跃，而在哺乳动物组织内较弱。a.硝基还原硝基还原 如硝基苯如硝基苯亚硝基苯亚硝基苯苯羟胺苯羟胺苯胺。苯胺。b.b.偶氮还原偶氮还原 如偶氮苯如偶氮苯苯胺。苯胺。c.c.还原性脱卤还原性脱卤 CHClCHCl3 3、CClCCl3 3、甲基萤烷、碳氟化物、六氟代、甲基萤烷、碳氟化物、六氟代苯等可在微粒体酶的催化下发生还原性脱卤反应。如苯等可在微粒体酶的催化下发生还原性脱卤反应。如CHClCHCl3 3脱脱卤加氢，生成卤加氢，生成CHCH3 3C1C1。非微粒体还原非微粒体还原:包括醇、醛、酮、有

40、机二硫化物、硫氧包括醇、醛、酮、有机二硫化物、硫氧化物和氮氧化物等化物和氮氧化物等的还原反应，如醛的还原。的还原反应，如醛的还原。3)水解反应水解反应许多污染物（主要为酯、酰胺和硫酸酯化合物）都有可以被许多污染物（主要为酯、酰胺和硫酸酯化合物）都有可以被水解的酯键。哺乳动物组织中有大量与水解有关的非特异性水解的酯键。哺乳动物组织中有大量与水解有关的非特异性酯酶和酰胺酶。酯酶和酰胺酶。酯酶种类繁多，分布广泛，能水解各种酯类。酯酶种类繁多，分布广泛，能水解各种酯类。水解作用是有水解作用是有机磷农药在哺乳类动物体内代谢的主要方式。机磷农药在哺乳类动物体内代谢的主要方式。如如磷酸酯酶能磷酸酯酶能使各种

41、有机磷酸酯和硫代磷酸酯水解，生成相应的使各种有机磷酸酯和硫代磷酸酯水解，生成相应的烷基磷酸烷基磷酸及及烷基硫代磷烷基硫代磷而失去毒性。而失去毒性。相II反应：亦称结合反应亦称结合反应(Conjugation Reaction)(Conjugation Reaction)，指在酶的催化下，外源，指在酶的催化下，外源性化合物的相性化合物的相I I反应产物或带有某些基团的外源性化合物与反应产物或带有某些基团的外源性化合物与细胞内物质结合反应细胞内物质结合反应结合反应一方面可使有毒化合物某些功能基团失活结合反应一方面可使有毒化合物某些功能基团失活另一方面大多数化合物通过结合反应，水溶性增加，很快由另一

42、方面大多数化合物通过结合反应，水溶性增加，很快由肝脏排出，因此结合反应是一种解毒反应。肝脏排出，因此结合反应是一种解毒反应。结合反应的过程分为两个阶段：结合反应的过程分为两个阶段：首先是形成一个活化的中间体，此过程一般需要首先是形成一个活化的中间体，此过程一般需要ATPATP。继而由多种转移酶将活化的中间体的一个化学基团，作为继而由多种转移酶将活化的中间体的一个化学基团，作为供体供体转移转移到另一个化学物到另一个化学物(受体受体)，形成结合物。，形成结合物。外源外源性化合物及其代谢产物一般为受体，而细胞内物质为供体。性化合物及其代谢产物一般为受体，而细胞内物质为供体。细胞内结合物质主要是细胞内

43、结合物质主要是各种核苷酸衍生物各种核苷酸衍生物，如尿苷二磷酸葡，如尿苷二磷酸葡萄糖醛酸萄糖醛酸(UDPGA)(UDPGA)，3 3磷酸腺苷酸硫酸磷酸腺苷酸硫酸(PAPS)(PAPS)，腺苷蛋氨，腺苷蛋氨酸酸(SAM(SAM，甲基供体，甲基供体，M M甲基甲基)，乙酰辅酶，乙酰辅酶A(CH3COA(CH3COScoAScoA，乙酰基供体，乙酰基供体，CH3CH3COCO二乙酰基二乙酰基)。此外，某些氨基酸此外，某些氨基酸(如甘氨酸、谷氨酰胺如甘氨酸、谷氨酰胺)及其衍生物及其衍生物(如谷胱如谷胱甘肽甘肽)也是重要的结合物。供体都是也是重要的结合物。供体都是细胞细胞代谢的正常产物。代谢的正常产物。相

44、II反应的主要类型如尿苷二磷酸葡萄糖醛酸如尿苷二磷酸葡萄糖醛酸(UDPGA)(UDPGA)，3 3磷酸腺苷酸硫酸磷酸腺苷酸硫酸(PAPS)(PAPS)，腺苷蛋氨酸，腺苷蛋氨酸(SAM(SAM）影响生物转化的因素影响生物转化的因素物种差异和个体差异物种差异和个体差异由各自的遗传因素决定，主要表现在体内酶的种类和活由各自的遗传因素决定，主要表现在体内酶的种类和活力不同上。力不同上。饮食营养状况饮食营养状况蛋白质、无机盐、维生素等营养缺乏时会不同方式地影蛋白质、无机盐、维生素等营养缺乏时会不同方式地影响生物转化作用。响生物转化作用。生理因素生理因素年龄因素年龄因素性别因素性别因素激素和昼夜规律：机体

45、在每日不同时间的生物转化能力激素和昼夜规律：机体在每日不同时间的生物转化能力有高低差异，与内分泌功能的昼夜规律有关。有高低差异，与内分泌功能的昼夜规律有关。代谢酶的抑制和诱导代谢酶的抑制和诱导小结小结任何一种外源性化合物的生物转化方式不是简单的，它们可任何一种外源性化合物的生物转化方式不是简单的，它们可同时进行不同的氧化还原或水解反应，此后又可继续进行不同时进行不同的氧化还原或水解反应，此后又可继续进行不同类型的结合反应。同类型的结合反应。生物转化的结果有两方面：生物转化的结果有两方面：解毒作用（失活）：使外源性化合物毒性降低，易于排出，或使其解毒作用（失活）：使外源性化合物毒性降低，易于排出

46、，或使其转变为易于被其它微生物所降解的化合物。转变为易于被其它微生物所降解的化合物。增毒作用（活化）：使其毒性增加增毒作用（活化）：使其毒性增加例如例如2 2一乙酰氨基芴一乙酰氨基芴(AAF(AAF，一种前致癌物，即不具活性的致癌物质，一种前致癌物，即不具活性的致癌物质)()(硫硫酸酸AAF)AAF)第三节 环境污染物在生物体内的累积放大各种物质进入生物体内后。各种物质进入生物体内后。经过体内的分布、循环和代谢经过体内的分布、循环和代谢其中生命必需的物质，部分参与了生物体内的构成其中生命必需的物质，部分参与了生物体内的构成多余的必需物质和非生命所需的物质中，易分解的多余的必需物质和非生命所需的

47、物质中，易分解的经代谢的作用很快排出体外经代谢的作用很快排出体外不易分解、脂溶性较强、与蛋白质或酶有较高亲和不易分解、脂溶性较强、与蛋白质或酶有较高亲和力的力的，就会长期残留在生物体内。，就会长期残留在生物体内。如如DDTDDT和狄氏剂等农药，多氯联苯和狄氏剂等农药，多氯联苯(PCBs)(PCBs)、多环芳烃、多环芳烃(PAHs)(PAHs)和一些重金属和一些重金属一、生物富集生物富集生物富集（Bio-concentration）的概念）的概念指生物机体或处于同一营养级上的许多生物种群，从周指生物机体或处于同一营养级上的许多生物种群，从周围环境中蓄积某种元素或难分解化合物，围环境中蓄积某种元素

48、或难分解化合物，使生物体内该使生物体内该物质的浓度超过环境中的浓度的现象物质的浓度超过环境中的浓度的现象，又称生物浓缩。，又称生物浓缩。生物富集系数生物富集系数KBCF（Bio-concentration Factor）KBCF物质在生物体内的浓度物质在生物体内的浓度/物质在环境介质中的浓度物质在环境介质中的浓度生物浓缩程度的大小与生物浓缩程度的大小与物质本身的性质以及生物和环境等物质本身的性质以及生物和环境等因因素相关。素相关。一般来说，同一种生物对不同物质的浓缩程度会有很大差别；一般来说，同一种生物对不同物质的浓缩程度会有很大差别；不同种生物对同一种物质也会有很大差别。例如褐藻对钼的不同种

49、生物对同一种物质也会有很大差别。例如褐藻对钼的浓缩系数是浓缩系数是11，对铅的浓缩系数却高达，对铅的浓缩系数却高达70 000，相差悬殊。，相差悬殊。二、二、生物积累生物积累n生物生物积累（积累（Bioaccumulation）的概念）的概念指生物指生物在其整个代谢活跃期间在其整个代谢活跃期间通过吸收、吸附、吞食等通过吸收、吸附、吞食等各种过程，从周围环境中蓄积某些元素或难分解化合物，各种过程，从周围环境中蓄积某些元素或难分解化合物，以致以致随着生长发育随着生长发育，浓缩系数不断增大的现象，又称生，浓缩系数不断增大的现象，又称生物学积累。物学积累。例如牡蛎暴霹于例如牡蛎暴霹于50pgL氯化汞溶

50、液中，观察到氯化汞溶液中，观察到7d、14d、19d和和42d时牡蛎体内汞含量的变化，结果发现其浓缩系时牡蛎体内汞含量的变化，结果发现其浓缩系数分别为数分别为500、700、800和和1 200。因此，任何机体在任何时刻，机体内某种元素或难分解因此，任何机体在任何时刻，机体内某种元素或难分解化合物的浓缩水平取决于化合物的浓缩水平取决于摄取和消除摄取和消除这两个相反过程的这两个相反过程的速率，当摄取量大于消除量时，就发生生物积累。速率，当摄取量大于消除量时，就发生生物积累。生物积累（生物积累（Bioaccumulation）不同种生物，同不同种生物，同种生物的不同器官和组织，不同的生长发种生物的