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第五章第五章 生物体内污染物质的运动过程及毒性生物体内污染物质的运动过程及毒性本节主要讲述三方面内容本节主要讲述三方面内容：污染物质的吸收、分布、转化、排泄 污染物的生物富集、放大和积累 氮的微生物转化第五章 生物体内污染物质的运动过程及毒性本节主要讲述三方1一、污染物质在机体内的转运一、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。前三者统称转运，而排泄与生物转化又称为消除。1 1、吸收、吸收 吸收是污染物质从机体外部环境，通过各种途径通透体膜迸人血液的过程。对动物而言对动物而言：吸收途径主要是机体的消化管、呼吸道和皮肤。消化管消化管v 是吸收污染物质最主要的途径。v 一般通过摄取食物和饮水进入体内。v 消化管的主要吸收部位在小肠，其次是胃。因为食物在这两个器官内停留时间最长。v 一般污染物脂溶性越强，浓度越高，被消化道吸收越快。一、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2v另外，由于胃酸的分泌，一些弱碱性的有机污染物在胃中呈极性离子态，水溶性增强，脂溶性变差，不易被吸收，但是弱酸性的有机污染物在胃中容易被吸收。呼吸管呼吸管吸收大气大气污染物的主要途径。成人每天吸入10立方-12立方的空气。其中的大颗粒部分停留在鼻腔、咽喉等部位，通过喷嚏、进食、吐痰等排出。细颗粒部分可以进入肺部不易复出，其主要吸收部位是肺泡。肺泡的膜很薄，数量众多，四周布满壁膜极薄、结构疏松的毛细血管，因此细颗粒中的可溶性部分经过肺部毛细血管转运进入血液循环。皮肤皮肤由于皮肤角质层的阻隔，皮肤吸收污染物的能力较差，许多污染物不能直接通过皮肤吸收或吸收甚微，皮肤只是一些污染物质进人机体的途径。另外，由于胃酸的分泌，一些弱碱性的有机污染物在胃中呈极性离子3一般水溶性强，分子量低的污染物（例如酚、苯胺）才可以通过皮肤吸收。但是当皮肤毛孔张开时，一些大分子污染物也可以通过毛孔进入人体，夏季高温喷洒农药时，要穿防护服，道理即在于此。最容易被皮肤吸收，如酚、尼古丁、马钱子碱等对植物而言对植物而言：主要是叶片吸附、叶孔吸收、根部吸收三个途径 叶片吸附叶片吸附可吸附一些颗粒态污染物，植物叶片越粗糙，比表面积越大，越能吸附大量污染物。一些植物叶片分泌一些油脂性物质，增加了对气态污染物的吸附作用。例如云杉、油松、马尾松能分泌油脂性物质，杨梅、草莓等叶片粗糙，比表面积大。叶孔吸收叶孔吸收一般水溶性强，分子量低的污染物（例如酚、苯胺）才可以通过皮肤4v植物呼吸主要通过叶片气孔进行，大量污染物由此进入植物体内，例如二氧化硫通过通过气孔进入叶片，被叶肉组织吸收，高浓度的二氧化硫能导致气孔的开闭功能瘫痪；v氟化物、臭氧、光化学烟雾有害成分、一些农药等都能通过气孔进入植物体内；根部吸收根部吸收v大部分通过植物根部细胞膜的被动扩散吸收，即当外部污染物浓度大时，可以扩散进入根部细胞，然后通过蒸腾作用进入植物全身。v但是一般在植物根部累积的污染物浓度最大v例如实际测定，黄瓜茎叶中Cd含量15.74ug/g鲜组织，根部285.25ug/g鲜组织，菠菜茎叶中Cd含量1.13ug/g鲜组织，根部193.34ug/g鲜组织,所以一些块茎类植物果实中污染物的浓度较高（土豆、山芋、红薯）v如果增加土壤中的阳离子交换量，一些重金属可以被交换到土壤胶体上，而减少毒性，或者增加土壤中有机质的含量，能提供更多的沉淀络合基团，对污染物的吸附能力越强，重金属的毒性就越小。植物呼吸主要通过叶片气孔进行，大量污染物由此进入植物体内，例52 2、分布、分布 分布是指污染物质被吸收后或其代谢转化物质形成后，由血液转送至机体各组织;与组织成分结合;从组织返回血液;以及再反复等过程。肝肾肝肾在一些血流量大器官，肝肾中，污染物的量会比较多，如镉有1/2-1/3分布在肝和肾中。并与肝肾中的金属硫蛋白结合Cd2+E(SH)2(金属硫蛋白)=E(S)2Cd+2H+或者Cd2+E(S)2Zn(锌酶，肌体正常需要)=E(S)2Cd(使锌酶失去性)+Zn2+血液血液污污染染物物质质常常与与血血液液中中的的血血浆浆蛋蛋白白质质结结合合。这种结合呈可逆性，结合与解离处于动态平衡。只有未与蛋白质结合的污染物质才能在体内组织进行分布。因此，与蛋白结合率高的污染物质，在低浓度下几乎全部与蛋2、分布6白结合，存留在血浆内；但当其浓度达到一定水平，未被结合的污染物质剧增，快速向机体组织转运，组织中该污染物质的分布显著增加。与一般器官组织的多孔性毛细血管壁不同，中枢神经系统的毛细血管壁内皮细胞互相紧密相连、几乎无空隙。当污染物质由血液进人脑部时，必须穿过这一血血脑脑屏屏障障。但是，高脂溶性低解离度的污染物质，容易通过血脑屏障，由血液迸人脑部，如甲基汞化合物。污染物质由母体转运到胎儿体内，必须通过由数层生物膜组成的胎盘，称为胎盘屏障胎盘屏障，也同样受到经膜通透性的限制。非脂溶性污染物质很难人脑，如无机汞化合物。有些污染物质可与血液的红细胞或血管外组织蛋白相结合，也会明显影响它们在体内的分布。如肝、肾细胞内有一类合巯基氨基酸的蛋白，易与锌、镉、汞、铅等重金属结合成复合物，称为金金属属硫硫蛋蛋白白。因而肝、肾中这些污染物质的浓度，可以远远超过其血中浓度的数百倍。白结合，存留在血浆内；但当其浓度达到一定水平，未被结合的污染73 3、排泄、排泄排排泄泄是是污污染染物物质质及及其其代代谢谢物物质质向向机机体体外外的的转转运运过过程程。排排泄泄器器官官有有肾肾、肝肝胆、肠、肺、外分泌腺等，而以肾和肝胆为主胆、肠、肺、外分泌腺等，而以肾和肝胆为主。肾肾肾肾排泄是污染物质通过肾随尿而排出的过程。肾小球毛细血管壁有许多较大的膜孔，大部分污染物质都能从肾小球滤过;但是，分子量过大的或与血浆蛋白结合的污染物质，不能滤过仍留在血液内。这这就就是是一一些些高高分分子子污污染染物物（PCBPCB）长长期期富富积积人人体体的的原原因因；有有机机汞汞的的脂脂溶溶性性强强，也也不不易易排排出出体体外外，实实验验表表明明，由由肾肾排排出出的的汞汞有有75%75%是无机汞是无机汞；一般来说，肾排泄是污染物质的一个主要排泄途径。肝胆肝胆污染物质的另一个重要排泄途径，是肝胆系统的胆汁排泄。胆汁排泄是指主要由消化管及其他途径吸收的污染物质，经血液到达肝脏后，与胆汁一起分泌十二指肠小肠大肠排出体外的过程。3、排泄8污染物质在肝脏的分泌主要是主动转运（耗能），被动扩散较少（浓度梯度扩散）。少数是原形物质，多数是原形物质在肝脏经代谢转化而形成的产物，所以胆汁排泄是原形污染物质排出体外的一个次要途径，但为污染物质代谢物的主要排出途径。一般水溶性大、脂溶性小的化合物，胆汁排泄良好。有些物质由胆汁排泄，在肠道运行中又重新被吸收，称为肠肠肝肝循循环环。如高脂溶性甲基汞在胆汁排泄中，由于肠肝循环，使其生物半衰期平均达70天，排除慢。4 4、蓄积、蓄积机体长期接触某污染物质，若吸吸收收 排排泄泄及及其其代代谢谢转转化化，则会出现该污染物质在体内逐增的现象，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。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。污染物质在肝脏的分泌主要是主动转运（耗能），被动扩散较少（浓9许多有机污染物质及其代谢脂溶性产物，通过分配作用，溶解集中于脂肪组织，如苯、多氯联苯等。氟及钡、锶、铍、镭等金属，经离子交换吸附，进入骨骼组织的无机羟磷灰盐中而蓄积。有些污染物质的蓄积部位与毒性作用部位相同。如一氧化碳在红细胞中血红蛋白的集中。但是有些污染物质的蓄积部位与毒性作用部位不相一致。如DDT在脂肪组织中蓄积，而毒性作用部位是神经系统及其他脏器;铅集中于骨酪，而毒性作用部位在造血系统、神经系统及胃肠道等。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。血浆蛋白累积部位（之间达到平衡），当污染物质从体内排出或机体不与之接触时，血浆中污染物质即减少，蓄积部位就会释放该物质，以维持上述平衡。因此，在污染物质蓄积和毒性作用的部位不相一致时，蓄积部位可成为污染物质内在的二次接触源，有可能引起机体慢性中毒。许多有机污染物质及其代谢脂溶性产物，通过分配作用，溶解集中于10二、污染物质的生物宫集、放大和积累二、污染物质的生物宫集、放大和积累1 1、生物富集：、生物富集：生物富集是指生物通过非非吞吞食食方方式式，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。生物富集用生物浓缩系数表示，即:BCF=Cb/CeCb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。与三个方面的影响因素有关：不不同同生生物物、不不同同物物质质、不不同同的的环环境境条条件件下下，BCF变化很大，可以是个位到万位级，甚至更高。v不不同同生生物物的影响因素有生物种类、大小、性别、器官、生物发育阶段等。如金枪鱼和海绵对铜的浓缩系数，分别是100和1400。v不不同同物物质质的主要影响因素是降解性、脂溶性和水溶性。一般，降解性小、脂溶性高、水溶性低的物质，生物浓缩系数高。如虹鳟二、污染物质的生物宫集、放大和积累1、生物富集：11v对2,2,4,4-四氯联苯的浓缩系数为12 400，而对四氯化碳的浓缩系数是17.7。v环环境境条条件件方面的影响因素包括温度、盐度、水硬度、pH值、氧含量和光照状况等。如翻车鱼对多氯联苯浓缩系数在水温5时为6.0103，而在15时为5.0104。从从动动力力学学观观点点来来看看，水生生物对水中难降解物质的富集速率，是生物对其吸收速率、消除速率及由生物机体质量增长引起的物质稀释速率的代数和。吸收速率常数Ka越大，越容易富积，吸收速率Ra越大，Ra=KaCw 排泄速率常数Ke越大，越不易富积，排泄速率Re越大，Re=-KeCf 生长速率常数Kg越大，富积浓度越小，稀释速率Rg越大，Rg=-KgCf 所以有：dCf/dt=KaCw-KeCf-KgCf dCf/dt+(KeCf+KgCf)=KaCw相当于y+p(x)y=q(x)的形式，通解对2,2,4,4-四氯联苯的浓缩系数为12 400，而对12所以可得到：Cf=Ce-(Ke+Kg)t+KaCw/(Ke+Kg)t=0时，Cf=0,所 以 C=-KaCw/(Ke+Kg)，所 以 Cf=KaCw/(Ke+Kg)1-e-(Ke+Kg)tt时，e-(Ke+Kg)t=0,所 以 平 衡 时 Cf=KaCw/(Ke+Kg)，此 时，BCF=Cf/Cw=Cw/(Ke+Kg)Cw/Ke(忽略Kg)水生生物对水中物质的富集是一个复杂过程。但是对于有较高脂溶性和较低水溶性的、以被动扩散通过生物膜的难降解有机物质，这一过程的机理可简示为该类物质在水和生物脂肪组织两相间的分配作用。以正辛醇作为水生生物脂肪组织代用品，发现有机物在辛醇-水两相分配系数的对数(lgKow)与其在生物体中浓缩系数的对数(lgBCF)间有良好线性关系。通式为:lgBCF=algKow+b,这一可类比性为上述有机物质生物富集的分配机理提供了验证。所以可得到：Cf=Ce-(Ke+Kg)t+KaCw/(Ke+132 2、生物放大、生物放大生物放大是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。可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。如1966年有人报道，美国图尔湖自然保护区内生物群落受到DDT的污染，在位于食物链顶级，以鱼类为食的水鸟体中DDT浓度，比当地湖水高出约1.01051.2105倍。在北极地区地衣+北美驯鹿+狼的食物链上，明显存在着137Cs生物放大现象。但是，生物放大并不是在所有条件下都能发生。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，也不能沿食物链放大。3 3、生物积累、生物积累 生生物物放放大大或或生生物物富富集集分分别别属属于于生生物物积积累累其其中中一一种种。生生物物积积累累=生生物物放放大大+生物富集生物富集2、生物放大14 所谓生物积累，就是生物从周围环境(水、土壤、大气)和食物链蓄积某种元素或难降解物质，使其在机体中的浓度超过周围环境中浓度的现象。生物积累也用生物浓缩系数表示。生物积累、放大和富集可在不同侧面为探讨环境中生物积累、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。生物对环境进行监测和净化，提供重要的科学依据。所谓生物积累，就是生物从周围环境(水、土壤、大气)15三、氮的微生物转化三、氮的微生物转化氮是构成生物有机体的必须元素。氮在环境中主要有三种形态：空气中的分子态氮、生物体内的蛋白质核酸等有机氮化合物、氨盐和硝酸盐等无机氮化合物（无机氮化合物又分为硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和氨氮）。上述三种形态的氮通过生物作用：同化、氨化、硝化、反硝化、固氮作用不断发生相互转化。同化：绿色植物和微生物吸收硝态氮和氨态氮，转变为有机体内的含氮有机物过程；氨化：有机体内的含氮有机物，经过微生物分解，转变为氨态氮的过程；硝化：氨在有氧条件下，通过微生物作用，氧化为硝酸盐的过程，硝化过程可逐渐形成亚硝酸盐和硝酸盐；2NH3+3O3=2H+2NO2-+2H2O+能量(亚硝酸盐)2NO2-+O2=2NO3-+能量(硝酸盐)三、氮的微生物转化氮是构成生物有机体的必须元素。16 硝化过程在自然界很重要，植物摄取的氮元素主要是以硝酸盐的形式获得，只有一些能够适应缺氧条件的植物，例如水稻、湿地植物等能吸收氨氮，氨氮对于大多数植物是有毒害作用的，施入土壤的氨形式的肥料，多数被转化为硝酸盐，被植物吸收利用。反硝化：硝酸盐在通气不良的缺氧条件下，通过微生物作用被还原为亚硝酸盐、氮气、氨氮的过程；有三种：细菌、真菌、放线菌等将硝酸盐亚硝酸盐HNO3+2HHNO2+H2O兼性厌氧假单细胞菌属、色杆菌属等将硝酸盐氮气2HNO3（+4H）2HNO2（+4H）2HNO（+2H）N2 N2O N2梭状芽孢杆菌将硝酸盐亚硝酸盐+氨HNO3（+2H）HNO2（+2H）HNO(+H2O)NH(OH)2(+2H)NH2OH(+2H)NH3 硝化过程在自然界很重要，植物摄取的氮元素主要是以硝酸17思考题：固氮作用：通过微生物作用将分子态氮转化为氨的过程；固氮必须在固氮酶的参与下进行。豆科植物根部的根瘤菌能产生丰富的固氮酶，能快速固氮。3CH2O+2N2+3H2O+4H+3CO2+4NH4+1 1、P296,P296,第第1 1题题2 2、解释生物富集、生物放大、生物积累？、解释生物富集、生物放大、生物积累？3 3、解释同化、氨化、硝化、反硝化、固氮？、解释同化、氨化、硝化、反硝化、固氮？4 4、简简述述或或了了解解污污染染物物在在生生物物体体内内的的吸吸收收、分分布布、转转化化、蓄蓄积积特特征征？思考题：固氮作用：通过微生物作用将分子态氮转化为氨的过程；固18
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