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1. 本课件作者 陈景文 博士、教授 大连理工大学 电话/传真：0411-84706269 电子邮件：jwchen@dlut.edu.cn 欢迎批评指正！ 本课件的配套教材 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等学校理工科环境类规划教材 环境化学 Environmental Chemistry 陈景文、全燮 编著 大连理工大学出版社出版 地址：大连市软件园路80号，邮编：116023 发行：0411-84708842，传真：0411-84701466，邮购：0411-84703636 E-mail: dutp@dutp.cn, URL: http://www.dutp.cn

2. 第四章 污染物的生态毒理(Ecotoxicology of Pollutants)

3.  内容 第一节 毒理学与生态毒理学 第二节 吸收、分布、代谢、排泄 第三节 生物富集、放大与积累 第四节 污染物生物转化 第五节 毒物、毒性

4.  内容 第一节 毒理学与生态毒理学 一、毒理学 (Toxicology) 二、生态毒理学 (Ecotoxicology)

5.  一、毒理学 Toxicology Toxicology (from the Greek words toxicos and logos) is the study of the adverse effects of chemicals on living organisms [1]. It is the study of symptoms, mechanisms, treatments and detection of poisoning, especially the poisoning of people. Relationship Between Dose and Toxicity Toxicology studies the relationship between dose and its effects on the living organism. The chief criterion regarding the toxicity of a chemical is the dose, i.e. the amount of exposure to the substance. Almost all substances are toxic under the right conditions.

6.  一、毒理学 Toxicity of Metabolites Many substances regarded as poisons are toxic only indirectly. An example is "wood alcohol," or methanol, is chemically converted to formaldehyde and formic acid in the liver. It is the formaldehyde and formic acid that cause the toxic effects of methanol exposure. Many drug molecules are made toxic in the liver, a good example being acetaminophen (paracetamol), especially in the presence of alcohol.

7.  二、生态毒理学 Ecotoxicology The term "ecotoxicology" was coined by Truhaut in 1969, who defined it as "the branch of toxicology concerned with the study of toxic effects, caused by natural or synthetic pollutants, to the constituents of ecosystems, animal (including human), vegetable and microbial, in an integral context” (Truhaut, 1977). Ecotoxicology is alleged to be the integration of toxicology and ecology or, as Chapman (2002) suggested “ecology in the presence of toxicants”. It aims to predict the effects upon natural populations, communities, or ecosystems - ‘the ecosystem’- of stressors, be they anthropogenic in origin or otherwise.

8.  内容 第二节 吸收、分布、代谢、排泄 一、物质通过生物膜的方式 二、 污染物质在生物体内的转运

9.  一、物质通过生物膜的方式 ADME ADME is an acronym in pharmacokinetics and pharmacology for absorption, distribution, metabolism, and excretion, and describes the disposition of a pharmaceuticalcompound within an organism. 1.生物膜的结构 70年代(Singer and Nicholson, 1972)提出的液态镶嵌模型：磷脂双分子层构成细胞膜的骨架(75-100Å)，亲水基团排列于内外两面；蛋白质分子覆盖、镶嵌、贯穿(物质转运的载体，酶；膜孔)。

10.  一、物质通过生物膜的方式 生物膜脂质双分子层结构

11.  一、物质通过生物膜的方式 2.物质通过生物膜的方式 (1) 膜孔过滤 直径小于膜孔的水溶性物质，可借助膜两侧的静水压及渗透压经膜孔滤过。 (2) 被动扩散 脂溶性物质从高浓度向低浓度侧扩散。扩散速率服从费克定律。

12.  一、物质通过生物膜的方式 脂/水分配系数越大，分子越小，不容易离解的分子，扩散系数越大。被动扩散不需要耗能，不需要载体参与，没有特异性选择、竞争性抑制及饱和现象。 (3) 被动易化扩散 在高浓度侧与膜上特性性蛋白质结合，通过生物膜，至低浓度侧解离出原物质。 它受到膜特异性载体及其数量的制约，因此有特异性选择，竞争性抑制和饱和现象。

13.  一、物质通过生物膜的方式 (4) 主动转运(Active Transport; Passive Transport)： 在需要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合，通过生物膜，至高浓度侧解离出蛋白质和原物质。 所需要的能量来自于ATP。这种转运具有特异性选择、竞争性抑制和饱和现象。例如钾离子的主动转运。

14.  一、物质通过生物膜的方式 (5) 胞吞和胞饮 少数物质与膜上某种蛋白质具有特殊的亲和力，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，液体物质的这一转运称为胞饮。 总之，物质通过生物膜的方式取决于膜内外环境、膜的性质和物质的结构。

15.  二、污染物质在生物体内的转运 吸收 分布 排泄 生物转化 转运 污染物质在生物 体内的运动过程 消除 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。吸收途径主要是消化道、呼吸道和皮肤。

16.  二、污染物质在生物体内的转运 口腔 食管 胃 肠 被动扩散 污染物质的脂溶性 消化道 被动扩散 血液流速 pH与酸碱性 被动扩散 滤过 吞噬 呼吸道是吸收大气 污染物的主要途径 皮肤：一般分子量低于300，液态或溶解态脂溶性强的物质。

17.  二、污染物质在生物体内的转运 2. 分布 污染物质被吸收后或其代谢转化物质形成后，由血液运送至机体各组织；或与组织成分结合；以及在再反复等过程。在污染物质的转运过程中，以被动扩散为主。 血脑屏障 胎盘屏障 与血浆蛋白结合 金属硫蛋白结合 关键：脂溶性大小

18.  二、污染物质在生物体内的转运 肾、肝脏(胆汁)、肺、胃肠 其它：汗液和唾液、毛发和指甲、随同乳汁 3. 排泄 4. 蓄积 机体长期接触某些污染物质，若吸收超过其排泄和代谢转化，则会出现该污染物质在体内逐渐增多的现象，称为生物蓄积。蓄积时，污染物质的体内分布，主要是相对集中分布于机体的某些部位。 机体的主要蓄积部位是血浆蛋白、脂肪组织和骨骼。 有些物质的蓄积部位与毒性作用部位不同。 蓄积部位的污染物质，常同血浆中游离型的污染物质保持相对稳定的平衡。

19.  内容 第三节 生物富集、放大与积累 一、生物富集 二、生物放大 三、生物积累

20. BCF－－－生物富集系数（因子）； Cb－－－平衡时，某种污染物质在生物体内的浓度； Ce－－－平衡时，某种污染物质在机体周围环境中的浓度  一、生物富集 Bioconcentration 生物富集是指生物通过非吞食方式，从周围环境中蓄积某种元素或难降解性物质，使其在机体内的浓度超过周围环境中的浓度的现象。生物富集常用生物富集系数(生物浓缩系数、生物富集因子)表示： Bioconcentration factors (BCF)

21.  一、生物富集 影响生物富集因子的因素： 污染物质因素：脂溶性、可降解性、（结构） 生物因素：生物种类、大小、性别、器官、发育阶段 环境因素：温度、盐度、硬度、pH、氧含量、光照 动力学： 水生生物对水中难降解性物质的富集是生物对其吸收速率、消除速率以及由于生物体的生长所造成的稀释速率的总和。

22.  一、生物富集 吸收速率： 消除速率： 稀释速率： ka, ke, kg------水生生物吸收、消除、生长速率常数； Cf ------ 水生生物体内污染物的瞬时状态浓度； CW ------ 水中污染物的瞬时状态浓度；

23.  一、生物富集 如果富集过程中生物量增长不明显，则kg可以忽略不计，得 通常水体足够大，水中浓度 CW可视为恒定。又t = 0 时， Cf = 0，在此条件下求解上面二式，分别得到：

24. 当 时，生物富集因子为：  一、生物富集 随时间的增长而增大，

25.  二、生物放大 同一食物链上的高营养级的生物，通过吞食低营养级生物而蓄积某种元素或难降解物质，使其在机体内浓度随营养级数升高而增大的现象。 生物放大的程度也用生物浓缩系数表示。 Biomagnification, also known as bioamplification, or biological magnification is the increase in concentration of a substance, such as the pesticideDDT, that occurs in a food chain as a consequence of: Food chain energetics；Low (or nonexistent) rate of excretion/degradation of the substance.

26.  三、生物积累 生物放大或生物富集是属于生物积累的一种情况。所谓生物积累，就是生物从周围环境和食物链蓄积某种元素或难降解性物质，使其在机体中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。 Bioaccumulation is the general term describing a process by which chemicals are taken up by a plant or animal either directly from exposure to a contaminated medium (soil, sediment, water) or by eating food containing the chemical.

27.  三、生物积累 Cw－－－生物生存的水环境中某物质浓度； Ci－－－食物链i级生物中某物质的浓度； Ci-1－－－食物链i-1级生物中该物质的浓度； Wij-1－－－i级生物对i-1级生物的摄食率； αi,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级生物体中该物质的消除速率常数; Kgi－－－i级生物的生长速率常数。 水生生物对某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、稀释速率的代数和。

28.  三、生物积累 Cw：生物生存的水环境中某物质浓度； Ci ：食物链i级生物中某物质的浓度； Ci-1 ：食物链i-1级生物中该物质的浓度； Wij-1 ： i级生物对i-1级生物的摄食率； αi,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级生物体中该物质的消除速率常数; Kgi ：i级生物的生长速率常数。 当t ∞时， 通常Wi,i-1 > kgi，对于同种生物，kei越小，αi,i-1越大的物质，生物放大越显著。

29.  内容 第四节 污染物生物转化 一、生物转化中的酶 二、 若干重要辅酶的功能 三、生物氧化过程的氢传递过程 四、有毒有机污染物生物转化 五、有毒有机污染物的微生物降解 六、部分污染物的微生物转化

30.  一、生物转化中的酶 生物转化 物质在生物的作用下所经受的化学变化，称为生物转化或代谢(转化)。在生物转化过程中，微生物发挥了重要作用。 通过生物转化，污染物质的毒性发生了转变。 Biotransformation is the chemical modification (or modifications) made by an organism. If this modification ends in mineral compounds like CO2, NH3+ or H2O, the biotransformation is called mineralisation. 生物转化 化学转化 光化学转化 污染物质在环境中的三大转化类型

31.  一、生物转化中的酶 生物转化中的酶 酶是又生物细胞制造和分泌的、以蛋白质为主要成分的、具有催化活性的生物催化剂。 ① 催化专一性高； ② 催化效率高； ③ 温和的外部条件； ④ 种类多； 根据催化作 用的场所 胞外酶 特点 胞内酶

32.  一、生物转化中的酶 氧化还原酶； 转移酶； 水解酶； 裂解酶； 异构酶； 合成酶；  辅基或辅酶的作用是：传递电子、原子或某些基团。酶蛋白的作用是决定催化专一性和催化效率。  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。辅酶约有30种。 根据催化反应类型 单成分酶 双成分酶 按酶的成分 酶蛋白 辅基或辅酶

33.  二、若干重要辅酶的功能 1. FMN和FAD 黄素单核苷酸(FMN) 磷酸 核苷 戊糖 碱基 核酸核苷酸

34.  二、若干重要辅酶的功能 黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD) FMN或FAD是一些氧化还原酶的辅酶，在酶促反应中具有传递氢原子的功能。

35.  二、若干重要辅酶的功能 2. NAD+和NADP+ 腺嘌呤 NAD+(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸) NADP+(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷根)

36.  二、若干重要辅酶的功能 3. 辅酶Q 辅酶Q又称为泛醌，简写为CoQ，是某些氧化还原反应的辅酶。在酶促反应起到传递氢的作用。

37.  二、若干重要辅酶的功能 细胞色素 (Cytochromes) 细胞色素类是含铁的电子传递体。 铁原子处于卟啉的结构中心，构成血红素(heme)。 细胞色素类都以血红素作为辅基. 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。辅酶都是铁卟啉环。

38.  二、若干重要辅酶的功能 血红素 血红素A

39.  二、若干重要辅酶的功能 5. 辅酶A 辅酶A是泛酸的一个衍生物，简写为CoASH，结构是： 泛酸 氨基乙硫醇 腺核苷3‘-磷酸 焦磷酸 辅酶A(CoASH) CoASH + CH3CO+ CH3CO-SCoA + H+

40. 腺苷 + + 能量 腺苷 + ” 高能磷酸键 式中：符号“  三、生物氧化过程的氢传递过程 腺苷部分结构如下：

41.  三、生物氧化过程的氢传递过程 有氧氧化与无氧氧化 在生物氧化中有机物质的氧化多为去氢氧化。脱落的氢(H++ e)由相应的氧化还原酶按一定顺序传递至受体。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。受氢体如果为细胞内的分子氧，就是有氧氧化，若为非分子氧，则为无氧氧化。

42.  三、生物氧化过程的氢传递过程 1.有氧氧化中以分子氧为直接受氢体的传递氢过程 只有一种酶作用于有机底物，脱落底物的氢(H++ e)，其中电子由该酶的辅酶直接传递给分子氧，形成激活态O2-，与H+化合形成水。

43.  三、生物氧化过程的氢传递过程 2.有氧氧化中分子氧为间接受氢体的递氢过程 几种酶共同发挥作用：第一种酶从有机底物脱落氢，由其余的酶顺序传递，最后把其中的电子传递给分子氧形成激活态O2-，并与脱落氢中的质子结合成水。

44.  三、生物氧化过程的氢传递过程 3.无氧氧化中有机底物转化中间产物作受氢体的递氢过程 有一种或一种以上酶参与，最后由脱氢酶辅酶 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。 兼性厌氧的酵母菌在无分子氧存在下以葡萄糖为生长底物时，用葡萄糖转化中间产物乙醛作为受氢体，乙醛被还原成乙醇。

45.  三、生物氧化过程的氢传递过程 4.无氧氧化中某些无机含氧化合物作受氢体的递氢过程 在这类氢传递过程中，最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，而被分别还原为分子氮(或一氧化二氮)、硫化氢和甲烷。例如：

46.  四、有毒有机污染物生物转化 1.有毒有机污染物生物转化类型 有机毒物在生物体内的转化途径多种多样，但就其反应类型来讲，主要有氧化、还原、水解和结合反应四种。 通常将氧化、还原、水解四种反应称为I相反应或第一阶段反应；将结合反应称为II相反应或第二阶段反应。 通过I相反应，将活泼的极性基团加到疏水的有机分子之上，通过II相反应，形成水溶性更高的化合物，容易排除体外。

47.  四、有毒有机污染物生物转化 2.氧化反应类型 (1) 微粒体混合功能氧化酶(MFO) 是机体内代谢外来化合物的关键酶系。主要存在于高等生物体内。对于人及动物，在肝细胞内质网膜上含量最高。 功能：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成水。在这一催化过程中，混合功能氧化酶的成分之一，细胞色素P450起着关键作用。 P450的活性部位是铁卟啉的铁原子。

48.  四、有毒有机污染物生物转化 P450 (Fe 3+ ) S(底物) s e P450 (Fe 3+ ) (Fe 2+ ) P450 NADPH+H+ S O2 S－O （氧化型底物） (Fe 2+ ) P450 P450 (Fe 3+ ) e S O O2 S 2H+ H2O P450对底物催化氧化

49.  四、有毒有机污染物生物转化 ① 碳双键环氧化 重排

50.  四、有毒有机污染物生物转化 ② 碳羟基化