环境化学第五章污染物在生物体内的迁移转化.ppt

第五章污染物在生物体内的迁移转化 生物污染和生物污染的主要途径 环境污染物在生物体内的分布 污染物质的生物富集 放大和积累 微生物对环境污染物的降解转化作用 环境污染物对人体健康的影响 本章内容介绍 重点掌握 污染物质的生物富集 放大和积累 微生物对环境污染物的降解转化作用 环境污染物对人体健康的影响 第一节生物污染和生物污染的主要途径 一 生物污染有两种含义 一种是指对人和生物有害的微生物 寄生虫等病原体和变应原等污染水体 大气 土壤和食品 影响生物产量和质量 危害人类健康 另一种是指大气 水环境以及土壤环境中各种各样的污染物质 包括施入土壤中的农药等 通过生物的表面附着 根部吸收 叶片气孔的吸收以及表皮的渗透等方式进入生物机体内 并通过食物链最终影响人体健康的现象 二 植物受污染的主要途径1 表面附着表面附着是指污染物以物理方式黏附在植物表面的现象 表面附着量的大小与植物的表面积大小 表面形状 表面性质等有关 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 增加了对颗粒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 生物的污染 生物受到污染 云杉 油松 2 植物吸收植物对大气 水体和土壤中污染物的吸收方式可分为主动吸收和被动吸收两种 主动吸收即代谢吸收 是指植物细胞利用其特有的代谢作用所产生的能量而进行的吸收作用 细胞通过这种吸收能把浓度差逆向的外界物质引入细胞内 植物通过根系从土壤或水体中吸收营养物质和水分的同时亦吸收污染物 其吸收量的大小与污染物的性质及含量 土壤性质和植物品种等因素有关 主动吸收可使污染物在植物体内浓缩 被动吸收即物理吸收 这种吸收依靠外液与原生质的浓度差 通过溶质扩散作用实现吸收过程 其吸收量的大小与污染物的性质及其含量大小 植物与污染物接触时间的长短等有关 三 动物受污染的主要途径环境中的污染物主要通过呼吸道 消化道和皮肤吸收等途径进入动物体内 并通过食物链得到浓缩富集 最终进入人体 1 动物吸收动物在呼吸空气的同时将毫无选择的吸收来自空气中的气态污染物及悬浮颗粒物 在饮水和摄取食物的同时 也将摄入其中的污染物 脂溶性污染物还能通过皮肤的吸收作用进入动物机体 例如 某些气态毒物如氰化氢 砷化氢等都可经皮肤吸收 呼吸道吸收的污染物 通过肺泡直接进入动物体内大循环 成年人每天吸入10 12m3的空气 而空气中正隐藏着各种各样的污染物质 呼吸道是吸收大气污染物质的主要途径 人的呼吸道主要包括鼻 咽 喉 气管 支气管及肺等部位 主要的吸收部位是肺泡 肺泡的膜很薄 数量众多 表面布满壁膜极薄 结构疏松的毛细血管 呼吸道吸收的污染物只可以直接进入血液系统并转移至淋巴系统或其他器官 而不经肝脏的解毒作用 从而产生的毒性更大 消化道吸收的污染物通过小肠吸收 经肝脏在进入大循环 食物和饮水主要是通过消化道进入人体的 从口腔摄入的食物和饮水中的污染物质 主要是被动扩散被消化管吸收 主动转运很少 消化管包括口腔 咽喉 食管 胃 小肠 大肠等部位 主要的吸收部位是小肠 其次是胃 进入小肠的污染物质大多数以被动扩散方式通过小肠黏膜再转入血液 因而污染物质的脂溶性越强 在小肠内浓度越高 被小肠吸收越快 小肠的吸收总面积约200m2 胃的约为1m2 小肠的吸收功能远大于胃 经皮肤吸收的污染物可直接进入血液循环人体皮肤的表面积平均约为1 8m2 同时还有近10万个毛细孔和近10万根头发与头皮相通 这些都是污染物质进入人体的通道 相对而言 人体皮肤对污染物质的吸收能力较弱 常以被动扩散的方式相继通过皮肤的表皮及真皮 再滤过真皮中的毛细血管壁膜进入到血液中 一般 相对分子质量低于300 处于液态或溶解态 呈非极性的脂溶性污染物质 最容易被皮肤吸收 如酚 醇等 由呼吸道吸收并沉积在呼吸道表面上的有害物质 可咽到消化道 再被吸收进入机体 2 食物链作用生物 包括微生物 能通过食物链传递和富集污染物 水体中的污染物通过生物 微生物的代谢作用进入生物 微生物体内得到浓缩 其浓缩作用可使污染物在生物体内的含量比在水体中的浓度大得多 水体环境中 浮游生物是食物链的基础 污染物在食物链的每次传递中浓度就得到一次浓缩 甚至可以达到产生中毒作用的程度 人处于食物链的末端 人若长期食用了污染水体中的鱼类 则可能由于污染物在体内长期富集浓缩 引起慢性中毒 环境污染物不仅可以通过水生生物食物链富集 也可以通过陆生生物链富集 如农药 大气污染物 可通过植物的叶片 根系进入植物体内得到富集 而含有污染物的农作物 牧草 饲料等经过牛 羊 猪 鸡等动物进一步富集 最后通过粮食 蔬菜 水果 肉 蛋 奶等食物进入人体中浓缩 危害人体健康 第二节环境污染物在生物体内的分布 一 污染物在植物体内的分布许多污染物质都是通过植物的土壤进入生态系统的 植物对污染物质的吸收被认为是污染物在食物链中的积累并危害陆生动物的第一步 污染物质进入到植物体的途径 通过根系的吸收并通过蒸腾作用输送到植物体的各部分 通过植物叶片的气孔从周围空气中吸收蒸汽化的污染物质 并输送到植物体的各个部分 植物表皮通过渗透作用吸收有机污染物的蒸汽 各种途径吸收的污染物总和减去植物代谢过程中消耗或损失的是污染物质在生物体内的积累 根部吸收污染物主要是通过根部吸收进入植物体内 根部对污染物质的吸收有两种方式 主动吸收和被动吸收 主动吸收需要消耗一定量的能量 而被动吸收主要是通过扩散 吸收和质量流动 不需要消耗能量 根部吸收主要是物理吸附而不是生物化学行为 根部的吸收过程在最初一个小时之内最快 占48小时过程的50 70 且在吸收过程中污染物质在根部很快达到平衡而浓度不随时间增加而变化 植物叶片的气孔吸收空气中的蒸汽态污染物质叶子表面有很多气孔 气孔可以随环境条件的变化而有时张开有时关闭 气孔是二氧化碳 氧气和其他气体的进出口 也是蒸腾作用的出口 降落在植物表面的污染物可通过渗透作用进入植物体内这种吸收作用很少 但某些污染物 比根部吸收更重要 只有植物表面直接接触的污染物质才能通过渗透作用进入植物体内 植物从大气中吸收污染物后 污染物在植物体内的残留量常以叶部分布最多 植物从土壤和水体中吸收污染物 其残留量一般的分布规律为 根 茎 叶 穗 壳 种子 表5 2水稻各部位14C 六六六残留量及残留比 表5 1成熟期水稻各部位中的含镉量 二 污染物在动物体内的分布污染物质在动物体内的分别过程主要包括吸收 分布和排泄 1 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 消化管的主要吸收部位在小肠 其次是胃 进入小肠的污染物质大多以被动扩散通过肠粘膜再转入血液 影响消化管吸收的因素 1 污染物质的脂溶性 脂溶性越强及在小肠内浓度越高 被小肠吸收也越快 2 血液流速 污染物质的脂溶性强 血流速度越大 则膜两侧污染物质的浓度梯度越大 机体对污染物质的吸收速率也越大 极性污染物质 因其脂溶性小 在被小肠吸收时经膜扩散成了限速因素 而对血流影响不敏感 3 离解度 未解离型易于扩散通过膜 呼吸道是吸收大气污染物的主要途径 其主要吸收部位是肺泡 气态和液态气溶胶污染物质 可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 固态气溶胶和粉尘污染物质吸进呼吸道后 可在气管 支气管及肺泡表面沉积 到达肺泡的固态颗粒很小 粒径小于5 m 其中 易溶微粒在溶于肺泡表面体液后 按上述过程被吸收 而难溶微粒往往在吞噬作用下被吸收 皮肤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及真皮 再滤过真皮中毛细血管壁膜进入血液 一般 分子量低于300 处于液态或溶解态 呈非极性的脂溶性污染物质 最容易被皮肤吸收 如酚 尼古丁 马钱子碱等 血脑屏障 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 是阻止已进入人体的有毒污染物深入到中枢神经系统的屏障 当污染物质由血液进入脑部时 必须穿过这一毛细管壁内皮的屏障 此时 污染物质的经膜通透性成为其转运的限速因素 高脂溶性低解离度的污染物质经膜通透性好 容易通过血脑屏障 由血液进入脑部 如甲基汞化合物 2 排泄排泄是污染物质及其代谢物质向机体外的转运过程 排泄器官有肾 肝胆 肠 肺 外分泌腺等 而以肾和肝胆为主 肾排泄是污染物质通过肾随尿而排出的过程 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 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 值得注意的是有些物质由胆汁排泄 在肠道运行中又重新被吸收 该现象称为肠肝循环 3 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 按照污染物性质和进入动物组织的类型不同 大体有以下五种分布规律 1 能溶解于体液的物质 如钠 钾 锂 氟 氯 溴等离子 在体内分布比较均匀 2 镧 锑 钍等三价和四价阳离子 水解后生成胶体 主要蓄积于肝或其他网状内皮系统 3 与骨骼亲和性较强的物质 如铅 钙 钡 锶 镭 铍等二价阳离子在骨骼中含量较高 4 对某一种器官具有特殊亲和性的物质 则在该种器官中蓄积较多 如碘对甲状腺 汞 铀对肾脏有特殊亲和性 5 脂溶性物质 如有机氯化合物 六六六 DDT等 易蓄积于动物体内的脂肪中 一些金属 类金属在动物及人体内的主要分布部位 一种污染物对某一种器官有特殊亲和作用 但同时也分布于其他器官 同一种元素可能因其价态或存在形态不同而在体内蓄积的部位也有所不同 如水溶性汞离子很少进入脑组织 但烷基汞呈脂溶性 能通过脑屏障进入脑组织 4 生物蓄积机体长期接触某污染物质 若吸收超过排泄及其代谢转化 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 脂肪组织和骨酪 污染物质常与血浆蛋白结合而蓄积 蓄积部位与毒性作用部位 相同 如百草枯在肺及一氧化碳在红细胞中血红蛋白的集中 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 铅集中于骨髓 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 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 第三节污染物质的生物富集 放大和积累 各种物质进入生物体内 即参加生物的代谢过程 其中生命必需的物质 部分参与了生物体的构成 多余的必需物质和非生命所需的物质中 易分解的经代谢作用很快排出体外 会长期残留在生物体内 随着摄入量的增大 在生物体内的浓度也会逐渐增大 一 生物富集生物富集是指生物机体或处于同一营养级上的许多生物种群 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 生物富集用生物浓缩系数表示 即 BCF Cb Ce式中 BCF 生物浓缩系数Cb 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 生物浓缩系数 BioconcentrationFactor 金枪鱼和海绵对铜的浓缩系数 分别是100和1400 一般 降解性小 脂溶性高 水溶性低的物质 生物浓缩系数高 一般 重金属元素和许多氯化碳氢化物 稠环 杂环等有机化合物具有很高的生物浓缩系数 二 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 生物放大的结果是食物链上高营养级生物体体内这种物质的浓度显著超过环境中的浓度 如不存在食物链的关系就不能称之为生物放大 而只能是生物富集或生物积累 生物放大并不是在所有条件下都能发生 有些物质只能沿着生物链传递 不能沿食物链放大 有些既不能沿食物链传递 也不能沿食物链放大 影响生物放大的因素很多 如食物链往往都十分复杂 相互交织成网状 同一种生物在发育的不同阶段或相同阶段 有可能隶属于不同的营养级而具有多种食物来源 这就扰乱了生物放大 不同生物或同一生物在不同的条件下 对物质的吸收 消除等均有可能不同 也会影响生物放大状况 有机化合物在生物体的积累不是通过食物链迁移产生的生物放大 而是生物脂肪对有机化合物的溶解作用 三 生物积累生物积累是生物从周围环境 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 BCF 表示 以水生生物对某物质的生物积累而论 其微分速率方程可以表示为 式中 cw 生物生存水中某物质浓度 ci 食物链i级生物中该物质浓度 ci 1 食物链i 1级生物中该物质浓度 Wi i I i级生物对i 1级生物的摄食量 i i 1 i级生物对i 1级生物中该物质的同化率 Kai i级生物对该物质的吸收速率常数 Kei i级生物体中该物质消除速率常数 Kgi i级生物的生长速率常数 当生物积累达到平衡时 dci dt 0时 式中右端二项依次以Cwi和C i表示 则此式改写成 从水中摄得的浓度 生物富集的贡献 从食物链传递得到的浓度 生物放大的贡献 从上式可以看出 生物积累的物质浓度中 两相进行比较 可以看出生物富集和生物放大对生物积累的贡献 生物放大和生物富集都是生物积累的一种方式 表5 1生物富集 放大和积累对照 第四节微生物对环境污染物的降解转化作用 物质在生物作用下经受的化学变化 称为生物转化或代谢 通过生物 特别是微生物的转化 污染物质的毒性也随之改变 一 微生物的生理特征微生物可以催化氧化或降解有机污染物或转化重金属元素存在形态 这是环境中有机污染物转化的重要过程 同时微生物在重金属的迁移转化过程中也有很重要的作用 微生物是生物催化剂 能使许多化学反应过程在环境中发生 同时生物有机体的降解又为其他生物生长提供必要的营养 以补偿和维持生物活性的营养库 1 微生物的种类环境中的微生物可以分为三类 细菌 真菌和藻类 细菌和真菌可认为是还原剂类 能使化合物分解为更简单的形式 从而维持它们自身的生长和代谢过程所需的能量 细菌可分为自养细菌和异养细菌 基本形态有杆状 球状和螺旋状三种 属于原核微生物 单个细菌的细胞很小 只能在显微镜下看到 大多数细菌的大小在0 5 3 0 m范围 球形菌 弧形菌 螺形菌 杆形菌 真菌是类似植物但缺乏叶绿素的非光合生物 通常是丝状结构 它对高浓度的金属离子的耐受能力很强 真菌对环境最终的作用是分解植物的纤维素 单细胞真菌 多细胞真菌 大型真菌 藻类是一大类低等植物的统称 藻类属于真核生物 是一种低等植物 种类很多 有单细胞的 也有多细胞的 植物体无根 茎 叶的分化 有的有鞭毛 能动 光合色素 分为三大类 叶绿素 a b c d 类胡萝卜素 藻胆素 藻蓝素 藻红素 多数生活在水中 淡水种类多 海洋种类少 但数量多 藻类营养一般是无机物 即自养型 其细胞内含有叶绿素及其他辅助色素 能进行光合作用 在有光照的时候 利用光能吸收二氧化碳合成细胞物质 同时释放出氧气 在夜间无阳光时 则通过呼吸作用 取得能量 吸收氧气 同时放出二氧化碳 这一特征在稳定塘废水处理方法中体现 白天塘内氧气充足 微生物利用氧气进行好氧分解有机物 夜间藻类呼吸氧气 使DO下降 硅藻 红藻 褐藻 细菌接种到定量的液体培养基中 定时取样测定细胞数量 以培养时间为横座标 以菌数为纵座标 作图 得到的一条反映细菌在整个培养期间菌数变化规律的曲线 2 微生物的生长规律微生物的生长规律可以用生长曲线表现出来 根据微生物的生长速率常数 growthrateconstant 即每小时的分裂次数 R 的不同 一般可把典型生长曲线粗分为延滞期 指数期 稳定期和衰亡期等4个时期 延滞期 指数期 稳定期 衰亡期 延滞期 指数期 稳定期 衰亡期 5 7 又称停滞期 调整期和适应期 指少量单细胞微生物接种到新鲜培养基后 在开始培养的一段时间内细胞数目不立即增加 或增加很少 生长速度接近于零的一段时期 代谢系统是正在适应新环境 一 延滞期 Lagphase 延滞期 分裂迟缓 代谢活跃 生长速率常数为零 细胞形态变大或增长 许多杆菌可长成丝状 Eg 巨大芽孢杆菌 Bacillusmegaterium 在延滞期末 细胞的平均长度比刚接种时长6倍 一般来说处于迟缓期的细菌细胞体积最大 细胞内RNA尤其是rRNA含量增高 合成代谢十分活跃 核糖体 酶类和ATP合成加速 易产生各种诱导酶 对外界不良条件如NaCl溶液浓度 温度和抗生素等理化因素反应敏感 1 延滞期的特点 细胞处于活跃生长中 只是分裂迟缓 在此阶段后期 少数细胞开始分裂 曲线略有上升 微生物接种到一个新的环境 暂时缺乏分解和催化有关底物的酶 或是缺乏充足的中间代谢产物等 为产生诱导酶或合成中间代谢产物 就需要一段适应期 调整代谢 2 延滞期出现的原因 二 对数生长期 Logarithmicphase 又称指数生长期 Exponentialphase 指在生长曲线中 紧接着延滞期的一段细胞数以几何级数增长的时期 指数期 对数生长期的特点 生长速率常数R最大 因而细胞每分裂一次所需的时间 代时 generationtime G 又称世代时间或增代时间 或原生质增加一倍所需的倍增时间 doublingtime 最短 细胞进行平衡生长 balancedgrowth 菌体各部分的成分十分均匀 酶系活跃 代谢旺盛 三 稳定期 stationaryphase 又称恒定期或最高生长期 其特点是生长速率常数R等于0 即处于新繁殖的细胞数与衰亡的细胞数相等 或正生长与负生长相等的动态平衡之中 稳定期 这时的菌体产量达到了最高点 而且菌体产量与营养物质的消耗间呈现出一定的比例关系 这一关系就是生长产量常数Y 或称生长得率 growthyield x x0 x x0Y C0 CC0 x 稳定期时的细胞干重 g ml培养液 x0 刚接种时的细胞干重 C0 限制性营养物的最初浓度 g ml C 稳定期时限制性营养物的浓度 由于计算Y时必须用限制性营养物 所以C应等于0 四 衰亡期 declinephase或deathphase 在衰亡期中 个体死亡的速度超过新生的速度 整个群体呈现负生长状态 R为负值 衰亡期 细胞形态发生多形化 例如会发生膨大或不规则的退化形态 有的微生物因蛋白水解酶活力的增强而发生自溶 autolysis 有的微生物在这一期合成或释放对人类有益的抗生素等次生代谢产物 在芽孢杆菌中 芽孢释放等 产生衰亡期的原因外界环境对继续生长越来越不利 营养物质耗尽和有毒代谢产物的大量积累等 从而引起细胞内的分解代谢大大超过合成代谢 继而导致菌体死亡 该时期死亡的细菌以对数方式增加 但在衰亡期的后期 由于部分细菌产生抗性也会使细菌死亡的速率降低 仍有部分活菌存在 可延长稳定生长期 以获得更多的菌体物质或积累更多的代谢产物 对环境中的污染物降解速度快 降解能力强 生产上的措施 补充营养物质 补料 取走代谢产物 调节pH 调节温度 对好氧菌增加通气 搅拌或振荡 二 生物酶的基础知识酶的定义 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 酶催化反应的基本过程 该过程可逆 1 酶的催化作用特点 1 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 而促进一定的反应 生成一定的代谢产物 如蛋白酶只能催化蛋白质水解 而不能催化淀粉水解 脲酶仅能催化尿素水解 2 酶催化效率高 一般 酶催化反应的速率比化学催化剂高107 1013倍 3 酶具有多样性 酶的多样性是由酶的专一性决定的 因为在生物体内存在各种各样的化学反应 而每一种酶只能催化一种或一类化学反应 4 酶催化需要温和的外界条件 如常温 常压 接近中性的酸碱度等 酶的本质为蛋白质 比化学催化剂更容易受到外界条件的影响 而变质失去催化效能 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 同一辅酶可以结合不同的酶蛋白 构成许多种双成分酶 可对不同底物进行相同反应 辅酶起传递电子 原子或某些化学基团的作用 2 酶的分类根据起催化作用的场所 酶分为胞外酶和胞内酶两大类 这两类都在细胞中产生 但是胞外酶能通过细胞膜 在细胞外对底物起催化作用 通常是催化底物水解 而胞内酶不能通过细胞膜 仅能在细胞内发挥各种催化作用 酶根据催化反应类型 分成 氧化还原酶 催化氧化还原反应 转移酶 催化化学基团转移反应 水解酶 催化水解反应 裂解酶 催化底物分子某些键非水解性断裂反应 异构酶 催化异构反应 合成酶 与高能磷酸化合物分解相耦联 催化两种底物结合的反应 酶按照成分 分为单成分酶和双成分酶两大类 单成分酶只含有蛋白质 如脲酶 蛋白酶 双成分酶除含蛋白质外 还含有非蛋白质部分 前者称酶蛋白 后者称辅基或辅酶 辅基同酶蛋白的结合比较牢固 不易分离 辅酶与酶蛋白结合松弛 易于分离 起决定催化专一性和催化高效率的功能 双成分酶的特点 在双成分酶催化反应时 一般是辅酶起着传递电子 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 因此 只有双成分酶的整体才具有酶的催化活性 如果环境因素破坏了辅酶 也会影响酶的正常功能 三 微生物对有机污染物的降解作用1 耗氧污染物的微生物降解耗氧有机污染物质 Oxygen ConsumingOrganicPollutant 是生物残体 排放废水和废弃物中的糖类 脂肪和蛋白质等较易生物降解的有机物质 生物降解 Biodegradation 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 更简单的分子过程 1 糖类的微生物降解糖类通式为Cx H20 y 分成单糖 二糖和多糖三类 单糖 戍糖 C5H10O5 如木糖及阿拉伯糖 己糖 C6H12O6 如葡萄糖 半乳糖 甘露糖及果糖 二糖 C12H22O11 主要有蔗糖 乳糖和麦芽糖 多糖 己糖自身或其与另一单糖的高度缩合产物 葡萄糖和木糖是最常见的缩合单体 多糖如淀粉 纤维素和半纤维素 糖类是生物活动的能量供应物质 细菌可以利用它作为能量的来源 如果有机物质降解成二氧化碳 水等简单无机化合物 则为彻底降解 否则 为不彻底降解 糖类的降解过程 多糖水解成单糖 多糖在胞外水解酶催化下水解成二糖和单糖 而后才能被微生物摄取进入细胞内 二糖在细胞内经胞内水解酶催化 继续水解成为单糖 多糖水解成的单糖产物以葡萄糖为主 单糖酵解成丙酮酸 细胞内单糖可经过相应的一系列酶促反应形成丙酮酸 这一过程称为单糖酵解 葡萄糖酵解的总反应 丙酮酸的转化 在有氧氧化条件下 丙酮酸通过酶促反应转化成乙酰辅酶A 最终氧化成二氧化碳和水 再进行新一轮的转化 这种生物转化的循环途径称为三羧酸循环或柠檬酸循环 简称TCA循环 小结 糖类通过微生物作用 在有氧氧化下能被完全氧化为二氧化碳和水 降解彻底 在无氧氧化下通常是氧化不完全 生成简单有机酸 醇及二氧化碳等 降解不能彻底 后一过程因有大量简单有机酸生成 体系pH下降 所以归属于酸性发酵 发酵的具体产物决定于产酸菌种类和外界条件 无氧氧化条件下丙酮酸的氧化 通过酶促反应 以其本身作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 醇及二氧化碳等 2 脂肪和油类的微生物降解 脂肪是由脂肪酸和甘油合成的酯 多来自动物 常温下呈固态 油多来自植物 常温下呈液态 脂肪和油类比糖类难降解 降解脂肪的基本途径如下 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及甘油 生成的脂肪酸链大多为12 20个碳原子 其中以偶碳原子数的饱和酸为主 还有含双键的不饱和酸 脂肪酸及甘油能被微生物摄入细胞内继续转化 甘油的转化 甘油在有氧或无氧氧化条件下 均能被相应的一系列酶促反应转变成丙酮酸 丙酮酸的进一步转化前面已介绍 脂肪酸的转化有氧氧化条件下 饱和脂肪酸通常经过酶促 氧化途径变成脂酰辅酶A和乙酰辅酶A 乙酰辅酶A进入三羧酸循环 乙酰基转化为二氧化碳和水 并将辅酶A复原 而脂酰辅酶A又经 氧化途径进行转化 脂肪水解成的含双键不饱和脂肪酸 也经过类似氧化途径 最终产物与饱和脂肪酸相同 无氧氧化条件 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被不完全氧化 形成低级的有机酸 醇和二氧化碳等 3 蛋白质的微生物降解 蛋白质是一类由 氨基酸通过肽键联结成的大分子化合物 蛋白质中有20多种 氨基酸 由一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基脱水形成的酰胺键就是肽键 降解的途径 蛋白质水解成氨基酸 蛋白质相对分子质量较大 不能直接进入细胞 蛋白质会由胞外水解酶催化水解 经多肽至二肽或氨基酸而被微生物摄入细胞内 二肽在细胞内可继续水解形成氨基酸 氨基酸脱氨脱羧成脂肪酸 氨基酸在细胞内的转化以脱氨脱羧形成脂肪酸为主 氨基酸脱氨脱羧的情况 脂肪酸继续转化 小结 蛋白质通过微生物作用 在有氧氧化下可被彻底降解成为二氧化碳 水和氨 或铵离子 而在无氧氧化下通常是酸性发酵 生成简单有机酸 醇和二氧化碳等 降解不彻底 蛋白质中含有硫时 在有氧氧化下还可形成硫酸 在无氧氧化下还有硫化氢产生 4 甲烷发酵或沼气发酵 在一定条件糖类 脂肪和蛋白质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 复杂有机物质降解的这一总过程 称为甲烷发酵或沼气发酵 降解率和降解速率 糖类 脂肪 蛋白质产甲烷菌产生甲烷的主要途径 CH3COOH CH4 CO2CO2 4H2 CH4 2H2O甲烷发酵条件 1 产甲烷菌是专一性厌氧菌 必须处于无氧条件下 2 弱碱性环境 适宜pH范围为7 8 3 发酵有机物质的适宜碳氮比为30左右 4 其它重要条件 有温度 菌种分布 发酵有机物质的浓度等 2 有毒有机物的生物转化类型有毒有机污染物主要是指具有生物毒性的有机污染物质 它们不仅对生物和人类具有明显的毒性 能引起急 慢性中毒 有些有毒物质还能导致癌症 畸胎和细胞遗传基因突变 即 三致 作用 主要包括 l 酚类化合物 2 有机农药 3 其他有机有毒物质 如多氯联苯 多环芳烃 芳香族氨基化合物及各种人工合成的高分子化合物 如塑料 合成橡胶 人造纤维等 生物转化的结果 一方面往往使有机毒物水溶性和极性增加易于排除体外 另一方面也会改变有机毒物的毒性 多数使毒性减小 少数毒性反而增大 有机毒物的生物转化途径 氧化 还原 水解和结合反应四种 有机毒物生物转化的第一阶段反应通过氧化 还原 水解反应将活泼的极性基团引入亲脂的有机毒物分子中 使之不仅具有比原毒物较高的水溶性及极性 而且还能与机体内某些内源性物质进行结合反应 形成水溶性更高的结合物 而容易排出体外 第二阶段反应 第一阶段反应的产物或具有适宜功能基团的原毒物所进行的结合反应 1 氧化反应类型 混合功能氧化酶加氧氧化 混合功能氧化酶又称单加氧酶 混合功能氧化酶的功能是利用细胞内分子氧 将其中的一个氧原子与有机底物结合 使之氧化 而使另一个氧原子与氢原子结合形成水 混合功能氧化酶的成分之一 细胞色素P450酶起着关键作用 P450酶的活性部位是铁卟啉的铁原子 它在二与三价态间进行变换 混合功能氧化酶的专一性较差 能催化许多有机毒物氧化 包括 碳双键环氧化 碳羟基化 氧脱烃 硫脱烃 硫 氧化及脱硫 氮脱烃 氮 氧化及脱氮 脱氢酶脱氢氧化 脱氢酶是伴随有氢原子或电子转移 以非分子氧化合物为受氢体的酶类 脱氢酶能使相应的底物脱氢氧化 例如 醇氧化成醛RCH2OH RCHO 2H醇氧化成酮R1CHOHR2 R1COR2 2H醛氧化成羧酸RCHO H20 RCOOH 2H 氧化酶氧化 氧化酶是伴随有氢原子或电子转移 以分子氧为直接受氢体的酶类 氧化酶使相应底物氧化 例如 RCH2NH2 H2O RCHO NH3 2H 2 2 还原反应类型 可逆脱氢酶加氢还原 可逆脱氢酶是指起逆向作用的脱氢酶类 能使相应的底物加氢还原成醇 硝基还原酶还原 硝基还原酶能使硝基化合物还原 生成相应的胺 偶氮还原酶还原 偶氮还原酶能使偶氮化合物还原成相应的胺 还原脱氯酶还原 还原脱氯酶能使含氯化合物脱氯 用氢置换氯 或脱氯化氢而被还原 3 水解反应类型 羧酸酯酶使脂肪族酯水解RCOOR H20 RCOOH R OH 芳香酯酶使芳香族酯水解 磷酯酶使磷酸酯水解 酰胺酶使酰胺水解 4 若干重要结合反应类型 葡萄糖醛酸结合 在葡萄糖醛酸基转移酶的作用下 生物体内尿嘧啶核苷二磷酸葡萄糖醛酸中 葡萄糖醛酸基可转移至含羟基的化合物上 形成O 葡萄糖苷酸结合物 所涉及的羟基化合物有醇酚 烯醇 羟酰胺 羟胺等 芳香及脂肪酸中羧基上的羟基 也可与葡萄糖醛酸结合成O 葡萄糖苷酸 伯胺 酰胺 磺胺等中的氮原子和大部分含巯基化合物中硫原子 也能与葡萄糖醛酸分别形成N S 葡萄糖苷酸结合物 硫酸结合 在硫酸基转移酶的催化下 可将3 磷酸 5 磷硫酸腺苷中硫酸基转移到酚或醇的羟基上 形成硫酸酯结合物 一般 形成硫酸酯后的结合物极性增加 而容易排出体外 实际上起到解毒作用 但是有些N 羟基芳胺或N 羟基芳酰胺与硫酸结合后毒性增加 这一结合不如葡萄糖醛酸结合重要 3 谷胱甘肽结合 在相应转移酶催化下谷胱甘肽中的半胱氨酸及乙酰辅酶A的乙酰基 将以N 乙酰半胱氨酸基形式加到有机卤化物 氟除外 环氧化合物 强酸酯 芳香烃 烯等亲电化合物的碳原子上 形成疏基尿酸结合物 谷脱甘肽的结合 有力地解除了对机体有害亲电化合物的毒性 3 有毒有机污染物质的微生物降解 1 烃类的微生物降解在环境中烃类微生物降解以有氧氧化条件占绝对优势 烷烃的微生物降解碳原子数大于1的正烷烃 其降解途径有三种 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 最终降解成二氧化碳和水 甲烷的降解途径一般认为是 CH4 CH3OH HCHO CO2 H2O 许多微生物都能降解碳原子数大于1的正烷烃 能降解甲烷的专一性微生物 如好氧型的甲基孢囊菌 甲基单胞菌 甲基球菌 甲基杆菌等 末端氧化的降解过程如下图所示 烯烃的微生物降解烯烃的微生物降解途径主要是烯的饱和末端氧化 再经与正烷烃 C 1 相同的途径成为不饱和脂肪酸 烯的不饱和末端双键环氧化成环氧化合物 再经开环形成二醇乃至脂肪酸 脂肪酸经 氧化进入三羧酸循环 最终降解成二氧化碳和水 苯的微生物降解途径第一 降解前期 带侧链的芳香烃往往先从侧链开始分解 并在单加氧酶的作用下使芳香环羟基化形成双酚中间产物 第二 形成的双酚化合物在高度专一性的双加氧酶 将2个氧原子加到底物的加氧酶 作用下 环的2个碳原子上各加1个氧原子 使环键在邻酚位或间酚位分裂 形成相应的有机酸 第三 得到的有机酸逐步转化为乙酰辅酶A 琥珀酸等 从而进入三羧酸循环 最后降解为二氧化碳和水 烃类化合物微生物降解难易程度比较1 只要条件合适 数十个碳原子以内的烃类化合物均可被微生物降解 2 烯烃最易降解 烷烃次之 芳烃较难 多环芳烃更难 脂环烃最为困难 3 在烷烃中 正构烷烃比异构烷烃容易降解 直链烷烃比支链烷烃容易降解 4 在芳香类中 苯的降解要比烷基苯类及多环化合物困难 2 农药的生物降解进入环境中的农药 首先对环境中的微生物有抑制作用 与此同时 环境中微生物也会利用有机农药为能源进行降解作用 使各种有机农药彻底分解为二氧化碳而最后消失 环境中微生物的种类繁多 各种农药在不同条件下 分解形式多种多样 主要有氧化 还原 水解 脱卤及脱烃等作用 除草剂苯氧乙酸类除草剂中的2 4 D乙酯微生物降解的基本途径如下图 其他此类农药的微生物降解与其类同 能降解这类农药的微生物有球形节杆菌 聚生孢噬纤维菌 绿色产色链霉菌 黑曲霉等 有机磷农药对硫磷的可能降解途径如下图 包括的酶促反应类型有 氧化 表现为硫代磷酸酯的脱硫氧化 如对硫磷转化为对氧磷 水解 即相应酯键断裂形成对硝基苯酚 乙基硫酮磷酸酯酸 乙基磷酸酯酸 磷酸以及乙醇 还原 包括硝基变为氨基 对硝基苯酚变为氨基苯酚 其中 微生物以脂酶水解方式的降解最为常见 另外 降解过程的中间产物 对氧磷的毒性反而比母体对硫磷大 DDT农药的微生物降解DDT降解的主要途径 DDT由于分子中特定位置上的氯原子而难于降解 在微生物还原脱氯酶作用下 脱氯和脱氯化氢 降解产物 DDE及DDD是其最通常的降解产物 DDE极其稳定 DDD还可形成一系列脱氯型化合物 如DDNS DDNU等 DDT和DDD羟基化 分别形成三氯杀螨醇和FW 152 至少已有20种DDT不完全降解产物被分离出来 降解速度 DDT在厌氧条件下降解较快 可降解DDT的微生物 互生毛霉 镰孢霉 木霉 产气气杆菌等 小结 一般来说 有机氯农药较有机氮和有机磷农药要难降解得多 四 微生物对重金属元素的转化作用环境中金属离子长期存在的结果 使自然界中形成了一些特殊微生物 它们对有毒金属离子具有抗性 可以使金属元素发生转化作用 汞 铅 锡 硒 砷等金属或类金属离子都能够在微生物的作用下发生转化 汞在环境中的存在形式有金属汞 无机汞化合物和有机汞化合物三种 毒性 有机汞 金属汞 无机汞 其中烷基汞是已知的毒性最大的汞化合物 其中甲基汞的毒性最大 甲基汞脂溶性大 化学性质稳定 容易被生物吸收 难以代谢消除 能在食物链中逐级传递放大 微生物参与汞形态转化的主要方式是甲基化作用和还原作用 1 汞的甲基化 生物甲基化 在好氧或厌氧条件下 水体底质中某些微生物能使二价无机汞盐转变为甲基汞和二甲基汞的过程 称汞的生物甲基化 汞的甲基化产物有一甲基汞和二甲基汞 酶 甲基钴氨蛋氨酸转移酶 辅酶 甲基钴氨素 甲基维生素B12 属于含三价钴离子的一种咕琳衍生物 结构简式示如图 辅酶甲基钴氨素把负甲基离子传递给汞离子形成甲基汞 CH3Hg 本身变为水合钴氨素 后者由于其中的钴被辅酶FADH2还原 并失去水而转变为五个氮配位的一价钴氨素 最后 辅酶甲基四叶氢酸将正甲基离子转于五配位钴氨素 并从其一价钴上取得二个电子 以负甲基离子与之络合 完成甲基钴氨素的再生 使汞的甲基化能够继续进行 图5 19 同理 可形成二甲基汞 CH3 2Hg 二甲基汞的生成速率比甲基汞约慢6000倍 汞的甲基化既可在厌氧条件下发生 也可在好氧条件下发生 在厌氧条件下 主要转化为二甲基汞 难溶于水 挥发性很大 容易从水体逸至大气 但二甲基汞容易被光解为甲烷 乙烷和汞 在好氧条件下 主要转化为一甲基汞 在pH 4 5的弱酸性水中 二甲基汞也可以转化为一甲基汞 一甲基汞为水溶性物质 易被生物吸收而进入食物链 汞甲基化是在微生物存在下完成的 这一过程既可以在水体的淤泥中进行 也可在鱼体内进行 Hg2 还能在乙醛 乙醇和甲醇作用下 经紫外线辐射进行甲基化 这一过程比微生物的甲基化快得多 但Cl 对光化学过程有抑制作用 故可推知 在海水中上述过程进行缓慢 受汞污染的底泥中还存在另一种抗汞微生物 它们具有反甲基化作用 能去除甲基汞的毒性 这些微生物能把HgCl2还原成单质汞 也可使有机汞转化成单质汞及相应的有机物 利用微生物的这种功能发展生物治汞技术 一甲基汞的形成速率要比二甲基汞的形成速率快6000倍 但在有H2S存在的条件下 则容易转化为二甲基汞 这一过程可使不饱和的甲基完全甲基化 一甲基汞可因氯化物浓度和pH值不同而形成氯化甲基汞或氢氧化甲基汞 在中性和酸性条件下 氯化甲基汞是主要形态 影响无机汞甲基化的因素有 a 无机汞的形态只有Hg2 对甲基化是有效的 Hg2 浓度越高 对甲基化越有利 排入水体的其他各种形态的汞都要转化为Hg2 才能甲基化 b 微生物的数量和种类参与发生甲基化过程的微生物越多 甲基汞合成的速度就越快 因此水环境中的甲基化往往在有机沉积物的最上层和悬浮的有机质部分 c 温度 营养物及pH值d 水体其他物质 还原作用在水体底质中还可存在一类抗汞微生物 能使甲基汞或无机化合物变成金属汞 这是微生物以还原作用转化汞的途径 其反应方向恰好与汞的生物甲基化相反 故又称为汞的生物去甲基化 常见的抗汞微生物是假单胞菌属 2 砷的甲基化重要存在形态 五价无机砷化合物 As V 三价无机砷化合物 As 一甲基胂酸 CH3AsO OH 2 及其盐 二甲基胂酸 CH3 2AsO OH 及其盐 三甲基胂氧化物 CH3 3AsO 三甲基胂 CH3 3As 砷胆碱 CH3 3As CH2CH2OH 砷甜菜碱 CH3 3As CH2COO 砷糖等 砷糖结构式表示如下 其中R代表有几种形式的脂肪族取代基 如 CH2CH OH CH2OH 砷的毒性以As 最大 As 次之 甲基砷化合物再次之 大致呈现砷化合物甲基数递增毒性递减的规律性 如鼠的毒性试验表明 下列砷化合物毒性顺序是 最典型的例外 三甲基胂具有高毒性 砷的微生物甲基化的基本途径 甲基供体是相应转移酶的辅酶S 腺苷甲硫氨酸 它起着传递正甲基离子的作用 正甲基离子先进攻由砷酸盐还原得到的亚砷酸盐中砷 夺取外层独对电子以负甲基离子与之形成砷为五价的一甲基胂酸盐 照此类推 依次生成二甲基胂酸盐和三甲基胂氧化物 后者进一步还原成三甲基胂 另外 也可由二甲基胂酸盐还原成二甲基胂 砷的微生物甲基化在厌氧或好氧条件下都可发生 如帚霉属中的一些种将砷酸盐转化为三甲基胂 甲烷杆菌把砷酸盐变成二甲基胂 微生物还可参与As 及As V 之间的转化 3 硒的甲基化毒性 亚硒酸及其盐和酯的毒性最大 微生物参与硒的转化有以下几种情况 第一种 有机硒化合物转化为无机硒化合物 如土壤中植物残体释放的硒蛋氨酸及硒 甲硒半脱氨酸均可被某些微生物转变为硒酸盐或亚硒酸盐 第二种情况 硒化合物甲基化 最重要的产物是二甲基硒和三甲基硒离子 第三种情况 还原成单质硒 如土壤中一些微生物能使硒酸盐还原为单质硒 使菌体呈现硒的鲜红色 第四种情况 单质硒的氧化 如光合紫硫细菌能将单质硒氧化成硒酸盐 4 铁的甲基化无机铁化合物主要有溶解性二价亚铁和难溶性三价铁 二价铁 三价铁与含铁有机物之间的相互转化 同微生物的活动有关 铁细菌能把二价铁氧化为三价铁 从中获得该菌代谢所需的能量 铁细菌中有的碳源不是有机物质而是二氧化碳 是自养菌 如氧化亚铁硫杆菌 环境问题 铁细菌生活在铁管中时 以致阻塞水管造成损失 铁细菌作用使酸性矿水的形成 环境中通过微生物代谢产生的酸类 可使难溶性三价铁化合物溶解 或通过微生物分解有机质降低了环境氧化还原电位 使三价铁化合物还原成亚铁化合物而溶解 第五节环境污染物对人体健康的影响 一 污染物质的毒性1 毒物 毒物剂量和相对毒性毒物是进入生物机体后能使体液和组织发生生物化学的变化 干扰或破坏机体的正常生理功能 并引起暂时性或持久性的病理损害 甚至危及生命的物质 这一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 毒物与非毒物之间并不存在绝对的界限 毒物的种类 1 按作用于机体的主要部位 分为作用于神经系统 造血系统 心血管系统 呼吸系统 肝 肾 眼 皮肤的毒物等 2 根据作用性质 分为剌激性 腐蚀性 窒息性 致突变 致癌 致畸 致敏的毒物等 毒物与非毒物之间并不存在绝对的界限 比如钙 在人体血清中的最适宜浓度为90 95mg L 不同的毒物或同一种毒物在不同的条件下毒性是有差别的 影响毒物毒性的因素 1 有毒物的化学结构及理化性质 如毒物的分子立体构型 分子大小 官能团 溶解度 电离度 脂溶性等 2 毒物所处的基体因素 如基体的组成 性质等 3 机体暴露于毒物的状况 如毒物剂量 关键因素之一 浓度 机体暴露的持续时间 频率 总时间 机体暴露的部位及途径等 4 生物因素 如生物种属差异 年龄 体重 性别 遗传及免疫情况 营养及健康状况等 5 生物所处的环境 如温度 湿度 气压 季节及昼夜节律的变化 光照 噪声等 其中最重要的是毒物的剂量 深度 效应与反应 毒理学把毒物剂量 浓度 与引起个体生物学的变化 如脑电 心电 血象 免疫功能 酶活性等的变化称为效应 把引起群体的变化 如肿瘤或其他损害的发生率 死亡率等变化称为反应 毒物剂量 浓度 与反 效 应变化之间的关系 称为剂量 反 效 应关系 大多数的剂量 反 效 应关系曲线呈S形 即在剂量开始增加时 反 效 应变化不明显 随着剂量的继续增加 反 效 应变化趋于明显 到一定程度后 变化又不明显 毒物毒作用的分类 根据剂量 浓度 大小所引起毒作用快慢的不同 将毒作用分为急性 慢性和亚急 或亚慢 性三种 急性毒作用表示 半数有效剂量 ED50 或半数有效浓度 EC50 来表示 ED50和EC50分别是毒物引起一群受试生物的半数产生同一毒作用所需的毒物剂量和毒物浓度 ED50或EC50数值越小 受试物质的毒性越高 反之 则毒性越低 以死亡率作为毒作用的观察指标 则称为半数致死剂量 LD50 或半数致死浓度 LC50 物质的急性毒性根据半数致死剂量 一般分为4或5级 慢性毒作用的表示 以阈剂量 浓度 或最高允许剂量 浓度 来表示 阈剂量 浓度 是指在长期暴露毒物下 会引起机体受损害的最低剂量 浓度 最高允许剂量 浓度 是指长期暴露在毒物下 不引起机体受损害的最高剂量 浓度 阈剂量 浓度 或最高允许剂量 浓度 越小 试验物质的慢性毒性越高 反之 慢性毒性越小 2 毒物的联合作用两种或两种以上的毒物 同时作用于机体所产生的综合毒性称为毒物的联合作用 分为 协同作用 相加作用 独立作用 拮抗作用 假设两种毒物单独作用的死亡率分别为M1和M2 联合作用的死亡率为M 1 协同作用 指联合作用的毒性 大于其中各个毒物成分单独作用毒性的总和 在协同作用中 其中某一种毒物成分的存在能使机体对其他毒物成分的吸收加强 降解受阻 排泄延迟 蓄积增加或产生高毒代谢物等 使混合物的毒性增加 M M1 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 在相加作用中各毒物成分均可按比例取代另一种毒物成分 而混合物毒性均无改变 M M1 M2 3 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总和 M M1 M2 4 独立作用 各毒物对机体的侵入途径 作用部位 作用机理等均不相同 因而在其联合作用中各毒物生物学效应彼此无关 互不影响 M M1 M2 1 M1 毒作用的过程为 1 毒物被机体吸收进入体液后 经分布 代谢转化 并有一定程度的排泄 2 毒物或活性代谢产物与其受体进行原发反应 使受体改性 随后引起生物化学效应 3 一系列病理生理的继发反应 出现在整体条件下可观察到的毒作用的生理和 或 行为的反应 即致毒症状 3 毒物的生物化学作用机制毒物及其代谢活动产物与机体靶器官中受体之间的生物化学反应及机制 是毒作用的启动过程 在毒理学和毒理化学中占有重要地位 1 致突变作用致突变作用是指生物细胞内DNA改变 引起的遗传特性突变的作用 具有致突变作用的污染物质称为致突变物 致突变作用分为基因突变和染色体突变两类 突变能产生与意图不符的酶 或者导致酶的基本功能完全丧失 突变使个体生物之间产生差异 有利于自然选择和最终形成最适宜生存的新物种 基因突变是指DNA中碱基对的排列顺序发生改变 它包含碱基对的转换 颠换 插入和缺失四种类型 转换是同型碱基之间的置换 即嘌呤碱被另一嘧啶碱取代 嘧啶碱被另一嘌呤碱取代 高产大豆高产青霉菌株 大南瓜 太空椒 左 有利的基因突变 白化病患者 有害的基因突变 白化玉米苗 畸形的雏鸭 人类的多指 颠换是异型碱基之间的置换 就是嘌呤碱基为嘧啶碱基取代或反之亦是 颠换和转换统称碱型置换 所致突变称为碱型置换突变 插入和缺失分别是DNA碱基对顺序中增加和减少一对碱基或几对碱基 使遗传读码格式发生改变 自该突变点之后的一系列遗传密码都发生错误 这两种突变统称为移码突变 细胞内染色体是一种复杂的核蛋白结构 主要成分是DNA 在染色体上排列着很多基因 若其改变只限于基因范围 就是基因突变 分子水平的变化 而若涉及整个染色体 呈现染色体结构或数目的改变 则称为染色体畸变 细胞水平的变化 常见的具有致突变作用的环境污染物质 亚硝胺类 苯并 a 芘 甲醛 苯 砷 铅 烷基汞化合物 甲基对硫磷 敌敌畏 百草枯 黄曲霉毒素B1等 01年4月28日 一条小生命在上海市第五人民医院呱呱落地 产科医生按常规在他的小屁股上拍了一下 可他就是不哭 经观察 医生发现他面容特殊 小头 小脸 眼距宽 鼻梁塌 是一种典型的先天性愚钝症状 此后 随着哭声渐响 人们就好像是听到了有一只猫在病房里叫唤 医生们这时才怀疑他们可能碰到了一种罕见的病例 猫叫综合症 据悉 该患儿的父母身体都很健康 家族中也从未有过类似遗传史 这种情况在世界上也是非常罕见的 据记载 我国自解放来 有记录的仅约20例 病例 人的第5号染色体部分缺失引起的遗传病 2 致畸作用人或动物在胚胎发育过程中由于各种原因所形成的形态结构异常 称为先天性畸形或畸胎 遗传因素 物理因素 如电离辐射 化学因素 生物因素 如某些病毒 母体营养缺乏或内分泌障碍等都可引起先天性畸形 并称为致畸作用 具有致畸作用的有毒物质称为致畸物 目前已经确认 有25种化学物质是人类致畸胎剂 最典型的人类致畸胎剂是 反应停 会使未完全发育的胎儿长出枝状物 3 致癌作用致癌是体细胞不受控制的生长 能在动物和人体中引起致癌的物质称为致癌物 致癌物根据性质可分为化学 性 致癌物 物理性致癌物 如x射线 放射性核素氡 和生物性致癌物 如某些致癌病毒 按照对人和动物致癌作用的不同 可分为确证致癌物 可疑致癌物和潜在致癌物 确证致癌物是经人群流行病调查和动物试验均已证实确有致癌作用的化学物质 可疑致癌物是已确定对实验动物有致癌作用 而对人致癌性证据不充分的化学物质 潜在致癌物是对实验动物致癌 但无任何资料表明对人有致癌作用的化学物质 确认为对人类有致癌作用的化学物质有20多种 如苯并 a 芘 二甲基亚硝胺 2 萘胺 砷及其化合物 石棉等 根据作用机理 化学致癌物可分为遗传毒性致癌物和非遗传毒性致癌物 遗传毒性致癌物的致癌机制 第一是引发阶段 即致癌物与DNA反应 引起基因突变 导致遗传密码改变 第二是促长阶段 主要是突变细胞改变了遗传信息的表达 增殖成为肿瘤 其中恶性肿瘤还会向机体其他部位扩展 直接致癌物 间接致癌物 促癌物 使已癌变的细胞不断增殖形成瘤块 助癌物 加速细胞癌变和已癌变细胞增殖成瘤块 二 有毒重金属对人体健康的影响 自学 三 有毒有机物对人体健康的影响1 烷烃气态的甲烷 乙烷 丙烷 正丁烷和异丁烷是简单的窒息剂 与烷烃有关的职业病是皮炎 由皮肤脂肪部分分解引起 表现为发炎 干燥和鳞状皮肤 吸入5 8个碳的直链或支链烷烃蒸气会导致中枢神经系统消沉 表现为头昏眼花和失去协调性 2 烯烃和炔烃乙烯对动物有麻醉和对植物有毒害作用 丙烯的毒理作用与乙烯相似 1 3 丁二烯对眼睛和呼吸道黏膜有刺激性 在高浓度情况下 能导致失去知觉甚至死亡 乙炔是无色有大蒜味的气体 有窒息和致幻作用 导致头疼 头昏眼花以及胃部干扰 3 苯苯具有独特的毒性 可能主要是由反应中生成的活泼短寿期的环氧化物引起的 苯能刺激皮肤 导致皮肤红斑 水肿和水泡等 吸入含60g m3的苯空气 几分钟就能致死 长期暴露在低浓度苯环境中导致疲劳 头疼和食欲不振 慢性苯中毒导致血液反常 包括白细胞降低 损害骨髓等 4 甲苯甲苯是无色液体 低剂量的甲苯可引起头疼 恶心 疲乏以及协调性降低 大剂量的暴露能引起致幻效应 导致昏迷 5 萘与苯的情况类似 萘的暴露能导致贫血 红细胞数 血色素和血细胞显著减少 吸入或摄取萘会引起头疼 意识混淆和呕吐 严重中毒的情况下 会因肾衰竭而死