生物体内污染物质的运动过程及毒性.ppt

第五章 生物体内污染物质的运动过程及毒性,本章重点,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元素的微生物转化微生物对污染物的转化速率毒物的毒性、联合作用、致突变、致癌及抑制酶活性,第一节 物质通过生物膜的方式,一、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：1、磷脂双分子层的结构 亲水基团 疏水基团2、镶嵌蛋白类型与生理功能类型：表在蛋白和内在蛋白生理功能：转运膜内外物质的载体起催化作用的酶能量转换器,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组成的、厚度为7.5-10nm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，生物膜是类脂层屏障。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层的内在蛋白，但他们亲水端也都露在双分子层的外表面。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。,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：1、膜孔滤过：直径小于膜孔的水溶性物质，借助膜两侧的 静水压及渗透压经膜孔滤过。2、被动扩散：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，其扩散速率服从费克定律：式中D为扩散系数，决定于通过物质和膜的性质，A为扩散面积。,物质通过生物膜的方式,3、被动易化扩散：有些物质可在高浓度侧与膜上特异性蛋白质载体结合，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。4、主动转运：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，通过生物膜，至高浓度侧解离出原物质。这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和现象。,主动转运,所需代谢能量来自膜的三磷酸酰苷酶分解三磷酸酰苷(ATP)成二磷酸酰苷（ADP）和磷酸时所释放的能量。具有竞争性抑制、特异性选择和饱和现象。如钾离子在细胞内外浓度分布：K+(细胞内)K+(细胞外),物质通过生物膜的方式,5、胞吞和胞饮：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，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，而液态物质的则称为胞饮。物质以何种方式通过生物膜，主要决定于机体各组织生物膜的特性和物质的结构、理化性质。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谢物外，大部分物质一般以被动扩散方式通过生物膜。,第二节 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、分布、排泄和生物转化。前三者统称为转运。一、吸收 吸收是污染物质从机体外通过各种途径通透体膜进入血液的过程。吸收途径主要是机体的消化管、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。影响吸收的主要因素：污染物质的脂溶性；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。污染物的解离情况（未解离易于扩散）,吸收,2、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 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入血液；固态气溶胶和粉尘污染物中的易溶微粒按上述方式被吸收，而难溶微粒在吞噬作用下被吸收。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膜进入血液。（分子量低、非极性、液态或溶解态、脂溶性）,二、分布,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，污染物质的转运以被动扩散为主。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。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，也会显著影响它们在机体内的分布。,三、排泄,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。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吸收，这种现象称为肝肠循环。,四、蓄积,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，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：机体的主要蓄积部位是血浆蛋白、脂肪组织和骨骼；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；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。,第三节 污染物质的生物富集、放大和积累,一、生物富集1、生物浓缩系数 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，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：BCFcb/ca cb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中的浓度。2、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：,生物富集,2、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、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、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、pH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、稠环、杂环有机化合物具有很高的生物浓缩系数。,生物富集,3、水生生物富集速率水生生物富集速率方程为：生物浓缩系数：生物富集作用 达到平衡时的 BCF ka、ke、kg分别为水生生物吸收、消除、生长的速率常数；cw、cf分别为水及生物体内的瞬时物质浓度。,生物富集,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-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好的线性正相关关系：lgBCFalgKowb,二、生物放大,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示。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浓度；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，但不能沿食物链放大；有些物质既不能沿食物链传递，也不能沿食物链放大。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。,三、生物积累,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况。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：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本身消除、吸收速率的代数和。当生物积累达平衡时，dci/dt=0,生物积累,积累速率：Ci=Cwi+Ci 即：积累浓度=水中摄取浓度+食物链传递的浓度 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。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。,第四节 污染物质的生物转化,物质在生物作用下发生的化学变化，称为生物转化或代谢（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。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。,污染物质的生物转化,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；底物所发生的转化称为酶促反应。1、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底物起催化作用；酶催化效率高；酶催化需要温和的外界条件，否则失去催化活性，因为酶的本质是蛋白质。,生物转化中的酶,2、酶的种类（1）根据起催化作用的场所，将酶分为胞内酶和胞外酶两类。（2）根据催化反应的类型分为六大类：氧化还原酶转移酶水解酶裂解酶异构酶合成酶（3）根据成分，分为两大类：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：辅基或辅酶,生物转化中的酶,双成分酶：辅基和辅酶的差别：仅同酶蛋白结合的牢固程度不同。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能；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。同一种辅酶可以结合不同的酶蛋白，构成许多种双成分酶，对不同底物进行相同（同类）反应。辅酶对电子、原子或某些化学基团的传递功能，是双成分酶催化反应的关键。,二、若干重要辅酶的功能,1、FMN和FAD 辅酶FMN：黄素单核苷酸 FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸,FMN和FAD,FMN和FAD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N原子上加氢。（可逆过程）,2、NAD+和NADP+,辅酶NAD+和NADP+分别称为辅酶I和辅酶II，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的作用。,NAD+和NADP+,3、辅酶Q,辅酶Q又称为泛醌，简称为CoQ，也是某些氧化还原酶的辅酶，在酶促反应中起到递氢的作用：（醌式结构部分结合氢）,4、细胞色素酶系的辅酶,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b、c1、c、a、a3等几种。它们的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，从而起到传递电子的作用：cytnFe 3+=cytnFe 2+cyt为细胞色素酶系 nb、c1、c、a、a3,5、辅酶A,辅酶A是泛酸的一个衍生物，简写为CoASH。辅酶A是一种转移酶的辅酶，所含的巯基与酰基形成硫酯，在酶促反应中起传递酰基的作用：CoASH CH3CO+CH3CO-SCoA+H+,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，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放。,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化，脱去的氢（H+e）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。这一氢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无氧氧化。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含量多少而定。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,1、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（H+e），其中的电子由该酶的辅酶直接传递给O2，形成激活态O2-，与脱落氢剩余的H化合生成水。,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，最后把其中的电子传给分子氧形成激活态O2-，并与脱落氢剩余的H化合生成水。,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递氢过程：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，传给该底物生物转化的相应中间产物。（中间产物作为受氢体）,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的递氢过程：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。,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，可以变成更小更简单的分子。这一过程称为有机物质的生物降解。如有机物降解为CO2、水等简单的无机化合物，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：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：（1）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）,糖类的微生物降解,（3）丙酮酸的转化有氧氧化条件下：丙酮酸通过酶促反应转化成乙酰辅酶A；乙酰辅酶A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 上述生物转化的途径称为三羧酸循环或柠檬酸循环，简称TCA循环。丙酮酸完全氧化，总反应为：CH3COCOOH5/2O2 3CO22H2O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CO2等。,糖类的微生物降解,综上所述，糖类通过微生物作用，在有氧氧化下能被完全氧化成CO2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CO2等，降解不彻底。后一过程因有大量简单有机酸生成，体系pH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。TCA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：（1）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油，生成的脂肪酸大多为1220个碳原子，主要是含偶数碳原子的饱和酸，还有含双键的不饱和酸。,脂肪的微生物降解,（2）甘油的转化：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CO2和水，在无氧氧化条件下转变为简单的有机酸、醇和CO2,脂肪的微生物降解,（3）脂肪酸的转化 有氧氧化条件下：饱和脂肪酸通常经过酶促反应（-氧化）变成脂酰辅酶A和乙酰辅酶A。乙酰辅酶A进入三羧酸循环。脂酰辅酶A又经过-氧化途径进行转化。如果原酸碳原子为偶数，则陆续转化为乙酰辅酶A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A外还有甲酰辅酶A。甲酰辅酶A最后转化为二氧化碳和水。,脂肪的微生物降解,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产物作受氢体而不被完全氧化，形成低级的有机酸、醇和CO2。总结：脂肪通过微生物作用，在有氧氧化下能被完全氧化成CO2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CO2等，降解不彻底。,3、蛋白质的微生物降解,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类。（2）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。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。,4、甲烷发酵,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，进而经产甲烷菌作用产生甲烷。复杂有机物降解的这个总过程，称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、适宜的碳氮比等。温度、菌种分布、发酵有机物质的浓度。,五、有毒有机污染物质生物转化类型,有毒有机污染物生物转化反应：分为两个阶段：第一阶段：通过氧化、还原和水解反应在有机物中引入极性基团，增加有机物的水溶性，或与机体某些内源性物质进行结合反应，生成水溶性更高的结合物，从而使其容易排出体外。第二阶段：结合反应。第一阶段反应的产物或生物体内具有适宜功能基团的原毒物质与机体内源性物质进行的结合反应，称为第二阶段。,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型如下：1、耗氧反应类型 1）混合功能氧化酶加氧氧化 2）脱氢酶脱氢氧化（受氢体非分子氧）醇氧化成醛醇氧化成酮醛氧化成羧基 3）氧化酶氧化（受氢体为分子氧）,混合功能氧化酶加氧氧化,1）可逆脱氢酶加氢还原；2）硝基还原酶还原；3）偶氮还原酶还原；,2、还原反应类型,还原反应类型,4）还原脱氯酶还原,3、水解反应类型 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）磷酯酶使磷酸酯水解4）酰胺酶使酰胺水解,六、有毒有机污染物的微生物降解,1、烃类（1）碳原子数大于1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、醛及脂肪酸，而后经-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。（2）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1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。（3）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；最后转化为乙酰辅酶A和琥珀酸等，进入三羧酸循环，降解成二氧化碳和水。从一至数十个碳原子的烃类化合物，只要条件合适，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。,有毒有机污染物的微生物降解,2、农药的微生物降解1）苯氧乙酸类除草剂2）有机磷杀虫剂：对硫磷杀虫剂：酶促反应类型：氧化、水解和还原。降解过程的中间产物对氧磷的毒性反而比母体对硫磷的毒性更大。3）DDT的微生物降解：脱氯和脱氯化氢是DDT降解的主要途径。有机氯农药比有机氮和有机磷农药的降解难度要大得多。,1）苯氧乙酸的降解,2）有机磷杀虫剂对硫磷的可能降解途径,3）DDT降解,DDT的主要降解途径是：在微生物还原脱氯酶作用下，脱氯和脱氯化氢。,七、氮和硫的微生物转化,1、氮的微生物转化 环境中氮的三种主要形态之间通过生物作用，尤其是微生物作用不断转化。1）同化：绿色植物和微生物吸收硝态氮和氨态氮，组成机体中蛋白质、核酸等含氮有机物的过程称为同化。2）氨化：所有生物残体中的有机氮化合物，经微生物分解成氨态氮的过程称为氨化。3）硝化：氨在有氧条件下通过微生物作用，氧化成硝酸盐的过程称为硝化。4）反硝化：硝酸盐在通气不良的条件下，通过微生物作用而还原的过程为反硝化。通常有三种情形。5）固氮：通过微生物作用将分子氮转化为氨的过程称为固氮。固氮必须在固氮酶的催化作用下进行，最主要的固氮微生物为好氧根瘤菌。,硝化作用,硝化作用主要由亚硝化单胞菌属和硝化杆菌属引起。这些细菌对环境条件呈现高度敏感性，要求严格的高水平氧；中性至微碱性条件，当pH9.5以上时硝化细菌受到抑制，pH6.0以下时亚硝化细菌受到抑制；最适宜的温度为摄氏30度，低于5度或高于40度便不能活动；参与硝化的微生物为自养型细菌，但在自然环境中必须有有机质存在条件下才能活动。硝化在自然界和污水处理中很重要。,反硝化作用,反硝化作用的三种情况：1）微生物将硝酸盐还原为亚硝酸；2）微生物使硝酸盐还原为氮气，在土壤、污水和厩肥中均可发生；3）微生物将硝酸盐还原为亚硝酸盐和氨，该过程形成的氨被菌体合成自身的氨基酸等含氮物质。微生物进行反硝化需在厌氧条件下进行。但硝化和反硝化作用可联合发生，这可能是由于环境中氧分布不均匀所致。反硝化的其他条件为：有丰富的有机物作为碳源和能源，硝酸盐作为氮源；中性或弱碱性条件，温度为室温。在污水处理过程中增设反硝化装置使气态无机氮逸出，防止出水引起水体富营养化。,氮和硫的微生物转化,2、硫的微生物转化 硫在环境中以单质硫、无机硫化合物和有机硫化合物三种形态存在。这些硫形态可以在微生物和其他生物作用下互相转化：1）硫化：硫化氢、单质硫等在微生物作用下进行氧化，最后生成硫酸的过程称为硫化。硫化作用可消除环境中硫化氢的危害，生成硫酸促进土壤中矿物质的溶解，以硫杆菌和硫磺菌最为重要。2）反硫化：硫酸盐、亚硫酸盐等，在微生物作用下进行还原，最后生成硫化氢的过程称为反硫化。其中以脱硫弧菌最为重要。该过程是海水中硫化氢的主要来源。,八、污染物的生物转化速率,1、酶促反应的速率 微生物对污染物质的反应速率，通常与体外的酶促反应有密切关系。同时，由于微生物体内的酶多种多样，酶促反应在不同程度上相互影响，并与微生物的生理活动有联系，而使微生物对物质的反应速率与体外酶促反应又有一定差别。（1）米氏方程 酶促反应的机理，一般认为是底物S与酶E形成复合物ES，而后再分离出产物P：,酶促反应速率,ES形成与分解的速率微分方程为：若酶促反应体系处于动态平衡，则,产物P的生成速率即酶促反应的速率v为：vk3ES，经转化可表示为：v=k3 E0S/(Km+S)式中，Km(k2+k3)/k1 当底物浓度很高时所有的酶转变为ES复合物，即在ESE0时酶促反应达到最大速率Vmax。Vmax k3ES k3 E0 v=VmaxS/(Km+S)表明酶浓度一定时，酶促反应速率与底物浓度之间的关系。,酶促反应的速率,酶促反应的速率,酶促反应的速率,米氏方程表明了在已知Km和Vmax条件下，酶促反应速率与底物浓度之间的定量关系。当酶浓度一定时，酶促反应速率与底物浓度之间的关系可用米氏方程曲线表示，第一阶段SKm，v=Vmax，显示动力学零级反应特征；而第二阶段由米氏方程的原形式表达，反应速率随底物浓度变化处于零级和一级反应之间。注意Km的物理意义和酶学意义：Km值越大，达到最大反应速率一半所需要的底物浓度越大，说明酶对底物的亲和力越小。Km值是酶促反应的特征常数。,酶促反应的速率,酶促反应的速率,（2）影响酶促反应速率的因素pH对酶促反应速率影响显著：存在最适pH，高于或低于此pH酶反应速率显著减小。各种酶的最适pH一般在58之间。这涉及酶和底物分子结合的有关基团离解状态的变化。,影响酶促反应速率的因素,温度对酶促反应速率影响很大：存在最适温度。各种酶的最适温度通常在3555摄氏度，之前温度每升高10摄氏度，许多酶的反应速率增加12倍。当温度接近7080摄氏度时酶变性失活。但仅在酶反应时间规定下，才有特定的最适温度。,影响酶促反应速率的因素,污染物的酶促反应速率还常与抑制剂的存在有密切关系。分为不可逆抑制作用和可逆抑制作用，前者是以比较牢固的共价键同酶结合，不能用物理方法恢复酶活性的抑制剂；在后者中最为重要的是竞争性抑制和非竞争性抑制。,污染物的生物转化速率,2、微生物反应速率（1）速率公式-dc/dt=kcn 大多数有机污染物和无机污染物在水中的微生物转化速率，一般都遵守二级反应动力学规律：-dS/dt=kbSB S和B分别表示水中污染物和微生物的浓度。若水中微生物浓度在一定时间内比较稳定，可以其数量平均值作为B，则k1=kbB，k1为准一级反应速率方程。,微生物反应速率,（2）影响微生物反应速率的因素 环境中污染物的微生物转化速率，取决于物质的结构特征和微生物本身特性，此外，还受环境条件的影响。有机污染物化学物质结构的影响呈一定规律：链长规律、链分支规律、取代规律。不同微生物体内含有不同酶，具有不同的催化活性，由此造成微生物对各种有机污染物的降解速度不同；微生物的共代谢也可促进难降解有机物的转化中发挥重要作用。,影响微生物反应速率的因素,环境条件包括温度、pH、营养物质、溶解氧、共存物质等。温度：温度超过各种微生物适宜生长的温度范围，导致微生物生长不利，甚至死亡，有机物降解速率快速下降，甚至为零。但在生长温度范围内适当升高，则加速有机物降解。pH：通常在59。由于微生物生长的适合pH不一定就是微生物作用酶催化有机底物降解的适当条件，可通过试验在微生物生长合适的pH范围内进行最佳选定。溶解氧：好氧和厌氧微生物降解有机物质的途径不同，前者降解速率显著大于后者。对溶解氧浓度要求不同。其他共存物质的影响。,第五节 污染物质的毒性,一、毒物 毒物是进入生物机体后可使体液和组织发生生物化学变化，干扰或破坏机体的正常生理功能，并引起暂时性或持久性病理损害，甚至可造成生命危险的物质。需要注意的是，该定义受到多种因素的限制，如进入机体的物质数量、生物种类、生物暴露于毒物的方式等。限制因素的改变，可使非毒物成为毒物，反之亦然。毒物可按其作用于机体的主要部位，也可按作用性质进行分类。,污染物质的毒性,二、毒物的毒性1、影响毒物毒性的因素：1）毒物的化学结构和理化性质2）毒物所处的基体因素3）机体暴露于毒物的状况4）生物因素5）生物所处的环境 其中关键性的因素之一是毒物的剂量（浓度），因为毒物毒性在很大程度上取决于毒物进入机体的数量，而该数量与毒物计量（浓度）密切相关。2、剂量-反应关系,毒物的毒性,剂量反应关系效应：毒理学中毒物剂量（浓度）与引起个体生物学的变化称为效应；反应：毒理学中把引起群体的变化，如肿瘤或其他损害的发生率、死亡率等的变化称为反应。剂量反应关系：毒物剂量（浓度）与反应（效应）变化之间存在着一定的关系，称为剂量-反应关系或剂量-效应关系。剂量-反应关系曲线大多呈S形，即在剂量开始增加时，反应变化不明显，随着剂量的继续增加，反应变化趋于明显，到达一定程度后，变化又不明显。,剂量-反应关系,毒物的毒性,3、毒物作用1）毒物作用的快慢：急性、慢性和亚急（或亚慢）性三种。高剂量（浓度）毒物在短时间进入机体致毒称为急性毒作用；低剂量毒物长期逐渐进入机体，积累到一定程度致毒称为慢性毒作用；而介于两者之间的作用为亚急性或亚慢性毒作用。2）急性毒作用的表示：用半数有效浓度EC50或半数有效剂量ED50来表示，两者分别代表毒物引起一群受试生物的半数产生同一毒作用所需要的毒物浓度和毒物剂量。若以死亡率作为毒作用的观察指标，称为LC50和LD50。3）慢性毒性作用的表示：阈剂量或最高允许剂量。,物质的急性毒性根据半数致死剂量，一般分为45级。,污染物质的毒性,三、毒物的联合作用：两种或两种以上毒物同时作用于机体所产生的综合毒性称为毒物的联合作用。1、协同作用：联合作用的毒性大于其中各个毒物成分单独作用毒性的总和，如以死亡率作为毒性的观察指标，两种毒物单独作用的死亡率分别为M1和M2，则协同作用的死亡率MM1+M2。2、相加作用：指联合作用的毒性等于其中各毒物成分单独作用毒性的总和，即其中各毒物成分之间均可按比例取代另一毒物成分，混合物毒性无变化，MM1+M2。,毒物的联合作用,3、独立作用：各毒物对机体的侵入途径、作用部位、作用机理等不相同，因而在其联合作用中各毒物生物学毒性彼此无关、互不影响。独立作用的毒性低于相加作用，但高于其中单项毒物的毒性。MM1+M2（1M1）。4、拮抗作用：联合作用的毒性，小于其中各毒物成分单独作用毒性的综合。其中某一毒物成分能促进机体对其他毒物成分的降解加速、排泄加快、吸收减少或产生低毒代谢产物等，使混合物毒性减少。MM1，M2。,毒物的联合作用,等效应图：以半数致死剂量（浓度）为等效应计量，绘图评定联合作用类型的方法。,污染物质的毒性,四、毒作用的过程：一般要经过三个过程：1、毒物被机体吸收，经分布、代谢转化，并有一定程度的排泄，达到其靶器官中的受体。靶器官是毒物首先在机体中达到毒作用临界浓度的器官，受体是靶器官中相应毒物分子的专一性作用部位。2、毒物或活性代谢产物与受体进行原发反应，使受体改性，随后引起生物化学效应。3、引起一系列病理、生理的继发反应，出现中毒症状。,污染物的毒性,五、毒作用的生物化学机制 根据毒作用过程，毒物及其代谢的活性产物与机体靶器官中受体间的生物化学反应及机制，是毒作用的启动过程。1、酶活性的抑制 毒物进入机体后，一方面在酶催化下进行代谢转化，另一方面也可干扰酶的正常作用，包括酶活性、数量等方面，从而有可能导致机体的损害，其中最常见的是对酶活性的抑制。1）有机物可与酶共价结合，通常通过酶活性内羟基进行。如有机磷酸酯和氨基甲酸酯对胆碱酯酶的结合，可对乙酰胆碱酯酶造成不可逆的抑制，使其无法执行原有催化乙酰胆碱水解的作用，最终造成一系列神经中毒症状。,酶活性的抑制,结合过程对乙酰胆碱酯酶活性造成不可逆抑制，再也不能执行原有的催化乙酰胆碱水解的功能。,酶活性的抑制,2）有些重金属离子与含有巯基的酶强烈结合，可能的金属离子有铅、汞、镉和银离子等。酶的巯基即使有些在酶活性中心之外，但可帮助维持酶分子构象，对酶活性来说至关重要。重金属离子与含巯基的酶进行可逆非竞争性结合，使酶失去活性。这些重金属离子也能抑制巯基在酶活性中心之内的酶，可能也是通过重金属离子与巯基结合实现的。,酶活性的抑制,3）某些金属取代金属酶中的不同金属。金属酶是以金属离子为辅酶或作为辅酶中某一成分的酶类。由于性质相近、离子半径相近，可以发生取代，而取代后的酶活性受到抑制。,毒作用的生物化学机制,2、致突变作用：基因突变和染色体突变 指生物细胞内DNA改变，引起的遗传特性突变的作用。这种突变作用可遗传给后代。具有致突变作用的污染物称为致突变物。1）基因突变：DNA中碱基对的排列顺序发生变化，包括碱基对的转换、颠换、插入和缺失四种类型。2）染色体突变：细胞内染色体是一种复杂的核蛋白结构，主要成分为DNA，在染色体上排列着很多基因。若改变限于基因范围，为上述的基因突变；若改变涉及整个染色体，呈现染色体数目或结构的改变，则称为染色体畸变。亚硝胺类、苯并芘类、甲醛、苯、砷、铅、烷基汞、甲基对硫磷等环境污染物。,基因突变,毒作用的生物化学机制,3、致癌作用 致癌是体细胞不受控制地生长。能在动物和人体中引起致癌的物质称为致癌物。有化学、物理和生物性致癌物之分。其中主要为化学致癌物，其中又以合成化学物质为主。化学致癌物根据作用机理分为遗传毒性致癌物和非遗传毒性致癌物。1、遗传毒性致癌物1）直接致癌物2）间接致癌物，又称为前致癌物2、非遗传致癌物：不与DNA反应，而是通过其他机制，影响或呈现致癌作用的物质。,4、致畸作用 遗传因素、物理因素、化学因素、生物因素、母体营养缺乏或内分泌障碍等可引起先天性畸形，称为致畸作用。不同的致畸物对胚胎发育各个时期的效应往往具有特异性，因此其致畸机制不完全相同，主要有：对酶活性的抑制作用、引起染色体数目缺少或过多、干扰生殖细胞遗传物质的合成等。,毒作用的生物化学机制,