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陈景文博士、教授大连理工大学

电话 / 传真： 0411-84706269

电子邮件： [email protected]

欢迎批评指正！

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: [email protected], URL: http://www.dutp.cn

mailto:[email protected]












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

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

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)

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.

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.

Relationship Between Dose and Toxicity

http://en.wikipedia.org/wiki/Greek_language

http://en.wikipedia.org/wiki/Chemical

http://en.wikipedia.org/wiki/Poison

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.

http://en.wikipedia.org/wiki/Methanol

http://en.wikipedia.org/wiki/Formaldehyde

http://en.wikipedia.org/wiki/Formic_acid

http://en.wikipedia.org/wiki/Liver

http://en.wikipedia.org/wiki/Medication

http://en.wikipedia.org/wiki/Acetaminophen

http://en.wikipedia.org/wiki/Alcohol

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.

http://en.wikipedia.org/wiki/Toxicology

http://en.wikipedia.org/wiki/Toxicology

http://en.wikipedia.org/wiki/Ecology

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

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 pharmaceutical compound 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 ) 。

http://en.wikipedia.org/wiki/Acronym

http://en.wikipedia.org/wiki/Pharmacokinetics

http://en.wikipedia.org/wiki/Pharmacology

http://en.wikipedia.org/wiki/Absorption_%28pharmacokinetics%29

http://en.wikipedia.org/wiki/Distribution_%28pharmacology%29


生物膜脂质双分子层结构


(1) 膜孔过滤

扩散系数；扩散面积；膜两侧物质浓度梯度；膜厚度；

D

A

C

xx

CDA

dt

dQ

2. 物质通过生物膜的方式

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。

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

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。

(3) 被动易化扩散

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。



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。

(4) 主动转运 (Active Transport; Passive Transport) ：


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。

(5) 胞吞和胞饮

二、污染物质在生物体内的转运

吸收分布排泄生物转化

污染物质在生物体内的运动过程

转运

消除

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。

1. 吸收


口腔食管胃肠

消化道被动扩散

被动扩散污染物质的脂溶性

血液流速

pH 与酸碱性

呼吸道是吸收大气污染物的主要途径

被动扩散滤过吞噬

皮肤：一般分子量低于 300 ，液态或溶解态脂溶性强的物质。


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

2. 分布

关键：脂溶性大小


3. 排泄

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。

4. 蓄积

肾、肝脏 (胆汁 ) 、肺、胃肠其它：汗液和唾液、毛发和指甲、随同乳汁

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

一、生物富集

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)b

e

CBCF

C=

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

Bioconcentration

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

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。

影响生物富集因子的因素：

动力学：

一、生物富集

一、生物富集

吸收速率：

消除速率：

稀释速率： fgg

fee

Waa

CkR

CkR

CkR

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；

一、生物富集

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：

fgfeWaf CkCkCk

dt

dC

feWaf CkCk

dt

dC

])exp(1[

])exp(1[

ee

Waf

gege

Waf

tkk

CkC

tkkkk

CkC

如果富集过程中生物量增长不明显，则 kg 可以忽略不计，得

一、生物富集

e

a

W

f

ge

a

W

f

k

k

C

CBCF

kk

k

C

CBCF

随时间的增长而增大，W

f

C

C

当时，生物富集因子为：t

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 pesticide DDT, that occurs in a food

chain as a consequence of:

Food chain energetics ； Low (or nonexistent) rate of

excretion/degradation of the substance.

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.

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。

igieiiiiiiwaii CkkCWCk

dt

dC)(11,1,

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。

三、生物积累

igieiiiiiiwaii CkkCWCk

dt

dC)(11,1,

三、生物积累

0dtdCi当 t ∞时，

11,1,

W )()(

igiei

iiii

giei

aii C

kk

WC

kk

kC

iwii CCC

giei

iiii

i

i

kk

W

C

C

1,1,

1

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。

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。

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

一、生物转化中的酶

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。

污染物质在环境中的三大转化类型

生物转化化学转化光化学转化

生物转化

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.


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。

根据催化作用的场所

胞外酶

胞内酶

生物转化中的酶

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；

特点


单成分酶

双成分酶

根据催化反应类型

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。

氧化还原酶；转移酶；水解酶；裂解酶；异构酶；合成酶；

按酶的成分酶蛋白

辅基或辅酶

二、若干重要辅酶的功能

黄素单核苷酸 (FMN)

核酸核苷酸磷酸

核苷戊糖

碱基

1. FMN 和FAD

NNH

N

CH2 CH CH CH

OHOHOH

CH2 O P O

OH

OH

O

OCH3

CH3

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。

N

N

NH

NH3C

H3C

R

O

O

+2H+

-2H+

NH

N

NH

HNH3C

H3C

R

O

O

黄素腺嘌呤二核苷酸 (FAD)

N

N

NH

NCH2 CH CH CH

OHOHOHCH2 O P

OH

O

OCH3

CH3

O P

O

OH

O CH2 CH2 CHCH

OHOH

C

H

O

N

N

NH2

NH

N

O


腺嘌呤

NADP+(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷根 )

2. NAD+和 NADP+

NAD+(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 )

HO

C

C

C

OOHC

OHOH

O

NH2

O P

HH

HH

H

C

C

OH

H

O

P

O O

C

C

C

OHHH

HH

H

C

C

O

H

O

N

N

N

N

NH2

N

O

PO

OH

HO

C

C

C

OOHC

OH

O

NH2

O P

HH

HH

H

C

C

OH

H

O

PO O

C

C

C

OHHH

HH

H

C

C

OH

H

O

N

N

N

N

NH2

N

O


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。

3. 辅酶Q


O

O

H3CO

H3CO CH2

C CH2

CH3

H

n

HC

OH

OH

H3CO

H3CO CH2

C CH2

CH3

H

n

HC

+2H

-2H

CoQ(氧化型CoQ)

6-10CoQH2(还原型CoQ)

n

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。

cytnFe3+ cytnFe2++e

-e

4. 细胞色素酶系的辅酶

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 .



FeN N

N

N

CH

CH

CH2 CH3

HC

HC

H3C

HCCH3

H2CH2CC

O

-O

CH2

C

O-

O

CH3

CH CH2

H2C

OH

H3C CH

C

CH3

CH2 3H

血红素血红素 A

FeN N

N

N

CH

CH

CH2 CH3

HC

HC

H3C

HCCH3

H2CH2CC

O

-O

CH2

C

O-O

CH3

CH CH2

CH2

辅酶 A 是泛酸的一个衍生物，简写为 CoASH ，结构是：5. 辅酶A


CoASH + CH3CO+ CH3CO-SCoA + H+

N

N

N

N

C

C

C

C

H2C

H

H

H

H

OHO

PO

OHOH

O P

O

OHO P O CH2

OH

O

C CH3H3C

C OHH

C

NH

O

CH2

H2C CHN

O H2C

H2C SH

辅酶 A(CoASH)

腺核苷 3‘- 磷酸

焦磷酸泛酸氨基乙硫醇

三、生物氧化过程的氢传递过程

O P O

O

OH

P

OH

OHO

OH P OH

OH

O腺苷 + + 能量

H2O腺苷 +O P O

OH

O

P O

OH

O

P OH

OH

O

式中：符号“

” 高能磷酸键腺苷部分结构如下：

C C C C C

NH

H H H H H

O

OHOHN

NN

NH2

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。

有氧氧化与无氧氧化


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。

SH2ÓÐ»úµ×Îï

S±»Ñõ»¯µÄÓÐ»úµ×Îï

Ñõ»¯Ã¸

1/2 O2

O2- H2O

2e

2Cu2+

2Cu+

2H+

1. 有氧氧化中以分子氧为直接受氢体的传递氢过程


NAD+

FMN

FMNH2CoQ

CoQH2

SH2ÓÐ»úµ×Îï

S±»Ñõ»¯µÄÓÐ»úµ×Îï

NADH+

+ H+

ÍÑÇâÃ¸

2H+

2H

2H

ÍÑÇâÃ¸ Ï¸ °ûÉ«ËØÃ Ï̧µ

2Fe3+

2Fe2+ 1/2 O2

O2-

2eH2O

2e

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。

2. 有氧氧化中分子氧为间接受氢体的递氢过程


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。

ÆÏÌÑÌÇÏµÁÐÃ¸´Ù·´ Ó¦

CH3CHO CH3CH2OH

NADH+H+ NAD+

ÒÒ́¼ÍÑÇâÃ¸

2H

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


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：

10[H]+2NO3- + 2H+ N2 + 6 H2O

¼æÐÔÑáÑõ

·´ Ïõ »¯¾ú

4. 无氧氧化中某些无机含氧化合物作受氢体的递氢过程


四、有毒有机污染物生物转化

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。

1. 有毒有机污染物生物转化类型


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。

2. 氧化反应类型

(1) 微粒体混合功能氧化酶(MFO)


P450对底物催化氧化

S－ O

S(底物 )

P450

P450

P450

P450

P450

(Fe 2+ )

(Fe 2+ )

O2

O2

SS

S

2H+ H2O

(Fe 3+ )

(Fe 3+ )

(Fe 3+ )

O

e

e

s

NADPH+H+

（氧化型底物）


① 碳双键环氧化

重排

R1CH CHR2 R1CH CHR2

O

+ O O

OH


② 碳羟基化

CH2(CH2)nCH3 CH2(CH2)nCH2OH+ O

Cl Cl+ O OH

CH3(CH2)nCH3 + O CH3(CH2)nCH2OH


③ 氧脱烃

④ 硫脱烃、硫 -氧化及脱硫

R O CH3 + O ROH + HCHO

O CH2R+ O

OH

+ RCHO

R S CH3 + O R SH + HCHO

N

N N

N

S CH3

+ O N

N N

N

SH

+ HCHO

6-甲硫基嘌呤 6-硫基嘌呤


⑤ 氮脱烃、氮 -氧化及脱氮

R2 S R2 + O R1 S R2

O

OR1 S R2

O

O

P

SC2H5O

C2H5OO NO2 + O P

OC2H5O

C2H5OO NO2

对硫磷对氧磷

RNH CH3 + O RNH2 + HCHO


CH H

HN C CH3

O CH H

N C CH3

O

OH+ O

N

R1

R2

CH2R3 + O NH

R1

R2

R3CHO+

NR2

R1N+

R2

R1

O-+ O

四、有毒有机污染物生物转化HN NR

+ O R

OH

CH NH2 + 2O

R1

R2

C N +H2O

R1

R2 OH

CH

NH2

R1

R2

C O

R1

R2

+ O + NH3

+ ORCH2NH2 RCHO + NH3


脱氢酶是伴随有氢原子或电子转移，以非分子氧为受体的酶。醇氧化成醛；醇氧化成酮；醛氧化成羧酸；

氧化酶是伴随氢或电子转移，以分子氧为直接受氢体的酶类。

RCH2NH2 + H2O RCHO + NH3 + 2H

(2) 脱氢酶脱氢氧化

(3) 氧化酶氧化


(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

3. 还原反应类型

C O + 2HR1

R2

CH OHR1

R2

NO2 NO HN OH NH2

-H2O2H 2H2H

N N N N

H H

NH2

+

NH2

2H 2H


还原脱氯酶能使含氯化合物脱氯，或脱 HCl 而被还原。

(4) 还原脱氯酶还原

C

H

CCl Cl

Cl

ClCl C

H

CCl H

Cl

ClCl

C

CCl

ClCl

Cl



4. 水解反应类型

(1) 羧酸脂酶使脂肪脂水解

RCOOR' + H2O RCOOH + R'OH

(2) 芳香脂酶使芳香族脂水解

NH2

CO O CH2CH2N(C2H5)2

+ H2O

NH2

CO OH

+ HOCH2CH2N(C2H5)2


(3) 磷酸酯酶使磷酸酯水解

P

OC2H5O

C2H5OO NO2 + H2O P

OC2H5O

C2H5OOH

OH

NO2

+

(4) 酰胺酶使酰胺水解

HN

OC2H5

C CH3

O

+ H2O

NH2

OC2H5

+ CH3COOH


(1) 葡萄糖醛酸结合在葡萄糖醛酸转移酶作用下，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。

5. 若干重要结合反应类型

OHClO

COOH

O POH

OH

OH

OHO

OPO

OHO CH2

O

HO

OH

N

N

O+

OCOOH

O

HO

OH

OH

Cl+

POH

OO

PO

OHO CH2

O

OH

OH

N

N

O

HO

N

C

OH

O CH3

+ UDPGAO

COOHO

OH

OH

OH

N

CO CH3

+ UDPH2

UDPGA尿嘧啶核苷二磷酸葡萄糖醛酸

对氯苯酚葡萄糖苷酸 UDP-尿嘧啶核苷二磷酸

OH

N-羟基乙酸氨基芴 N-羟基乙酰氨基芴葡萄糖苷酸


(2) 硫酸结合

在硫酸基转移酶的催化下，可将 3'- 磷酸 -5'- 磷硫酸酰苷中硫酸基转移到酚或醇的羟基上，形成硫酸酯结合物。 NO2

O S

O

O

OH

+ P O

OH

HO

OH2C

O

O

P

OHO OH

N

N

N

N

NH2

OH

OH

NO2

P O

OH

O

OH2C

O

O

P

OHO OH

N

N

N

N

NH2

OH

SHO

O

O

+

PAPS—3’– 磷酸— 5’—磷硫酸腺苷

PAP—3’– 磷酸— 5’—磷硫酸腺苷对硝基苯基硫酸酯


在相应的转移酶催化下，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(氟除外 ) 化合物、环氧化物、强酸酯、芳香烃、烯等亲电化合物的碳原子上，形成巯基尿酸结合物。

亲电化合物如果与细胞蛋白或核酸上的亲核基团结合，常引起细胞坏死、肿瘤、血液功能紊乱和过敏现象，谷胱甘肽的结合，有力地解除了对机体有害的亲电化合物的毒性。

(3) 谷胱甘肽结合


谷胱甘肽结合反应

五、有毒有机污染物的微生物降解

生成醇、醛及脂肪酸，最终降解成二氧化碳和水。

1. 烃类

碳原子数大于 1 的正烷烃

烷烃末端氧化

次末端氧

化

双端氧化

最常见

烯的饱和末端氧化

烯的不饱和末端双键环氧化

环氧化合物

二醇

饱和脂肪酸

开环


图 5-11 烷烃末端氧化降解过程

CH3(CH2)nCH2CH3 CH3(CH2)nCH2CH2OH

CH3(CH2)nCH2CHO

CH3(CH2)nCH2CH(OH)2

CH3(CH2)nCH2COOH

H2ONADP+

NADPH+H+

O2

NAD+ NADH+H+

H2O

NAD+ NADH+H+

CO2 + H2O

加氢酶

脱氢酶

水化酶

脱氢酶

脂肪酸β -氧化 TCA循环


图 5-12 烯烃微生物降解途径

CH3(CH2)nCH=CH2

HOCH2(CH2)nCH=CH2

CH3(CH2)nCH - CH2

O

HOOC(CH2)nCH=CH2

CH3(CH2)nCH-CH2

OH OH

CH3(CH2)nCH2COOH

CO2 + H2O脂肪酸β -氧化 TCA循环

O

O

H2O 4H

2HH2O

系列酶促反应

水化酶

加氧酶

加氧酶


第一，降解前期，带侧链芳香烃往往先从侧链开始分解，并在但加氧酶的作用下使芳环羟化形成双醇中间产物。

第二，形成的双酚化合物在高度专一性的双加氧酶作用下，环的二个碳原子各加一个氧原子，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，最后降解成 CO2,H2O 。

苯及其衍生物的微生物降解过程


图 5-13 苯的微生物降解途径

CO2 + H2O

TCA循环

H

H

O

OH

OHCOOH

COOHCOOH

OC O

COOH

OCOOH

COOH

OC O

HOOC(CH2)2COOHCH3COSCoA +

儿萘酚 Ë³-Ë³Õ³¿µËá 粘康酸内酯

β -酮己二酸烯醇内酯 β -酮己二酸

乙酰辅酶A 琥珀酸

OH2O 2H

O2

H2OCoASH

β -氧化


OH

COOH

OH

OH

COOH

OH

OH

OH

OH

COOH

萘

菲

蒽

水杨酸儿萘酚

降解同上例苯


2. 农药

图 5-14 微生物降解 2,4-D乙酯基本途径

H2C C O

O

CH2CH3

O

Cl

Cl

H2C C O

O

OH

O

Cl

Cl

HO CH2CH3

Cl

Cl

OH

OH

Cl

OH

COOHCOOH

Cl

++ H2O

水解酶

酶

酶

脱氯酶双加氧酶CO2、H2O、Cl-

CO2、H2O

+3/2O2 -2CO2 -H2O

五、有毒有机污染物的微生物降解P OH

OH

HO

S

H3PO4

C2H5O POHO

S

NO2

C2H5O P

S

OH C2H5O P

OH

O

OH

O NO2

(C2H5O)2 P

S

OH (C2H5O)2 P

O

OH

(C2H5O)2 P

S

O NO2(C2H5O)2 P

O

O NH2(C2H5O)2 P

SHO NO2

O NH2(C2H5O)2 P

O

HO NH2

C2H5OH

(C2H5O)2 P

S

OH (C2H5O)2 P

O

OH C2H5OH

C2H5O P

OH

O

OH

C2H5OH

H3PO4

Ⅰ ：氧化

Ⅱ

Ⅱ ：水解ⅡⅢ：还原

Ⅰ

Ⅲ

Ⅱ

Ⅱ

Ⅱ

Ⅱ

Ⅱ

Ⅰ

Ⅰ

ⅠⅡ

Ⅱ

Ⅱ Ⅱ

Ⅲ

Ⅲ

Ⅱ

Ⅱ

Ⅱ

Ⅱ

Ⅱ

Ⅱ

Ⅰ


图 5-16 微生物降解 DDT 的简要途径

Cl C

C

OH

Cl

Cl ClCl

Cl C

C

HCl

Cl ClCl

Cl C

C

Cl

Cl Cl

Cl C

C

HCl

Cl ClH

Cl C

C

OH

Cl

Cl ClH

Cl C

C

Cl

H Cl

Cl C

C

HCl

H ClH

Cl C

C

Cl

H H

Cl C

C

HCl

H HH

Cl C

C

HCl

H HOH

Cl C

C

HCl

OHO

（三氯杀螨醇）（DDT） (DDE)

(DDMU)(DDD)(FW-152)

(DDMS)

(DDNS)(DDOH)

(DDA)

(DDNU)

Ⅱ

Ⅰ (b)Ⅱ

Ⅰ (b)

Ⅰ (a)

Ⅰ (a)

Ⅰ (b)

O

O

Ⅰ (a):还原脱氯酶脱氯

Ⅰ (b):还原脱氯酶氯化氢

Ⅱ :氧化酶

六、部分污染物的微生物转化

1. 氮的微生物转化

氮在环境中主要有三种形态

分子氮蛋白质、核酸等有机氮化合物

铵盐、硝酸盐等无机氮

氮在环境中的转化过程：同化、氨化、硝化、反硝化、固氮等。

同化：绿色植物和微生物吸收硝态氮和铵态氮，组成机体中的蛋白质、核酸等含氮有机物的过程。

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。


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称为反硝化。

硝化：氨在有氧条件下，氧化成硝酸盐的过程成为硝化。

2H+ + 2NO2- + ÄÜÁ¿

2NO2- + O2 2NO3

- + ÄÜÁ¿

2NH3+3O2


包括细菌、真菌、放线菌在内的多种微生物，能将硝酸盐还原为亚硝酸盐。

兼性厌氧假单胞菌属、色杆菌属等能使硝酸盐还原成氮气。

HNO3 + 2H HNO2 + H2O

2HNO3

4H

-2H2O2HNO2

4H

-2H2O2HNO

4H

-2H2ON2 ÒÝÖÁ́ó Æø

-H2ON2O

2H -H2O

ÒÝÖÁ́ó Æø

梭状芽孢杆菌等常将硝酸盐还原成亚硝酸盐和氨

HNO32H

-H2OHNO2

2H

-H2OHNO

H2ONH(OH)2

2H

-H2ONH2OH

2H

-H2ONH3


固氮：通过微生物作用把分子氮转化为氨的过程，此时，氨不释放到环境中，而是继续在机体内转化，合成氨基酸，组成蛋白质等。

3{CH2O} + 2N2 + 3H2O + 4H+ 3CO2 + 4NH4+

2. 硫的微生物转化

环境中硫的存在形式

单质硫无机硫化合物

有机硫化合物：含硫的氨基酸、磺氨酸等。

硫化氢和单质硫在微生物作用下进行氧化，最后生成硫酸的过程成为硫化。


在好氧微生物作用下，降解产物是硫酸；在厌氧条件下，产物是硫化氢。

硫酸盐和亚硫酸盐在微生物作用下还原，最后生成硫化氢的过程称为反硫化。

含硫有机物降解


3. 汞的微生物转化

汞在环境中的存在形态有三种

金属汞无机汞化合物有机汞化合物

毒性大小：有机汞 >金属汞 >无机汞化合物，其中烷基汞是已知毒性最大的汞化合物。

水俣病、甲基汞（脂溶性大，化学性质稳定，容易被生物吸收，能够被生物放大。）

微生物参与汞形态转化主要有：甲基化作用和还原作用。


汞的生物甲基化：在好氧或厌氧条件下，水体底质中某些微生物使二价无机汞盐转变为甲基汞和二甲基汞的过程。

微生物、酶 (甲基钴氨氮氨酸转移酶 ) 、辅酶 (甲基钴胺素、甲基维生素 B12) 。

甲基钴氨素简式

Co3+

Bz

二甲基苯并咪唑


汞的生物甲基化途径

Hg2+或 CH3Hg+ CH3Hg+或 (CH3)2Hg

Co3+

OHH

Bz

Co3+

Bz

CH3-

Bz

FADH2

FAD

H2O

2H+N5-CH3-THF

(N5-甲基四氢叶酸）

THF

四氢叶酸


汞的生物去甲基化：在水体底质中还存在一类抗汞微生物，能使甲基汞或无机汞化合物变成金属汞，这是微生物以还原作用转化汞的途径。

CH3HgCl + 2H Hg + CH4 + HCl

(CH3)2Hg + 2H Hg + 2CH4

HgCl2 + 2H Hg + 2HCl

内容

第五节毒物、毒性

一、剂量 -反应关系与剂量 -效应关系

二、毒物的联合作用三、毒作用的生物化学机制


进入生物机体后能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的病理损害，甚至危及生命的物质。

1. 毒物 toxicant

毒物与非毒物之间并不存在绝对界限。

外来化合物、外源性物质 (Xenobiotics) 。Anthropogenic ( 人为的、与人类起源有关的 )

化学结构、理化性质；毒物所处的基体因素；机体暴露于毒物的情况；生物因素；环境条件；

毒性 (toxicity)影响因素

计量指标 : 用测量值表示毒性强度的差别。如有机磷农药抑制胆碱酯酶的程度，用胆碱酯酶的活性表示。

计数指标 : 这类毒性效应只有 " 有或无 " 的差别，没有性质和强度的差别。计数指标主要用于群体，所得到的测定值是非连续性的，通常以一个群体中某效应的出现率表示，常用于生态毒理研究及生态风险评价之中。

2. 毒性指标


指外源化合物的剂量与出现某种效应的个体在群体中所占比例的关系。

剂量 - 反应关系 :

剂量 - 效应关系

外源化合物的剂量与在个体中引起某种效应 (计量指标 )

的强度改变的关系。


① 直线关系，在这种关系中，剂量改变与效应强度或反应率成正比，这种关系是少见的 (线 a) 。

② 对数曲线关系，是一条先锐后钝的曲线，当将剂量换算成对数剂量时，可转换成直线 (线 c) 。

③ S状曲线，当群体中的全部个体，对某一化合物的敏感性变异，呈对称正态频数分布时，剂量与反应率关系成 S状曲线 (线 b) 。如果将效应强度或发生率用概率单位表示，剂量用对数来表示， S 形曲线亦变成直线。

剂量 - 反应 ( 效应 ) 曲线：


半数有效量：半数有效量是指实验生物有 50% 出现阳性结果时所需的毒物的剂量。

如果用水体或空气中有机污染物的浓度表示剂量，则相应的毒性指标便为半

数致死浓度 (LC50) 。半数

效应浓度 (EC50) 。

为什么通常以半数有效量表示毒性大小？


毒物兴奋效应

0

20

40

60

80

100

0 0.05 0.1

浓度Concentration (mg/L)

繁殖总个数

Th

e n

um

ber

of

neo

na

tes

per

fem

ale

0

2

4

6

8

10

12

14

0 0.05 0.1

浓度Concentration (mg/L)平均每代繁殖个体数

Bro

od s

ize

1-氨基蒽醌的非典型剂量 -效应 (反应 )关系


0

10

20

30

40

50

60

70

0 0.1 0.2


繁殖总个数

Th

e n

um

ber

of

neo

na

tes

per

fem

ale

0

2

4

6

8

10

0 0.05 0.1 0.15 0.2

浓度Concentration (mg/L)平均每代繁殖个数

Bro

od s

ize

1,8- 二羟基蒽醌对大型蚤繁殖的影响


宏观：种群水平上，污染物的生态毒理

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 0.05 0.1 0.15 0.2


内禀增长率

(r)

Intr

insi

c ra

te o

f nat

ural

incr

ease

1-aAQ

1,8-dihAQ

1,8- 二羟基蒽醌和 1-氨基蒽醌对内禀增长率影响






3. 毒性计算

No. 1 2 3 4 5

浓度： 10, 20 40 80 120 mg/L

死亡率： 0 1% 50% 90% 100% 化合物甲

死亡率： 0 0 0 0 80% 化合物乙

死亡率： 10% 46% 72% 100% 100% 化合物丙

对照 (Control)

空白 (Blank)


将死亡率或其它效应以概率单位表示，剂量以对数表示，转化剂量与反应间的 S 形曲线为直线，然后用最小二乘法拟合该直线，求出概率单位为 5 时相对应的浓

度值，便是半数致死浓度 (LC50)

或半数效应浓度 (EC50) 。在此方

法中，死亡率为 0 % 和 100 %

的数据不计算在内。

(1) 概率单位法

logLC50 的 95% 可信限为： ± 1.96 Sm

21

)2(2 NSm b

b: 是当死亡率以概率单位表示时，死亡率与浓度对数之间拟合直线的斜率， N 为实验动物总数。


实验要求：① 每个实验组动物数相同。② 各组间剂量按等比级数设置。③ 最大剂量的死亡率最好为 100% 或与之相近，最小剂量的死亡率最好为 0%

或与之相近。

21

)(n

pqiSm

(2) 寇氏法

logLC50 = Xm - i(∑p - 0.5)

logLC50 的 95% 可信限为：

± 1.96Sm

p: 为一个组的死亡率， q: 相对存活率， n: 各组实验生物数。

Xm:最大剂量的对数， i:相邻组剂

量比值的对数，∑ p 为各组死亡率的总和。


估计 LC50或 EC50 的方法还有图解法，极大似然估计

法等，图解法由于太简单而给出的估计值不精确，极大似然估计法则在数学计算上太复杂，不便于操作。

(3) Trimmed Spearman-Karber 法

类似于寇氏法，但该法允许选择一个整理参数 (α) ，以便对死亡率数据进行整理。


二、毒物的联合作用

1. 联合作用类型独立作用

协同作用 (含相加作用和加强作用 )

拮抗作用相加作用

简单相似作用、复杂相似作用、独立作用、依赖作用、

2. 联合作用评价方法 ( 毒性单位、加河指数、相似指数 )

MOA：Mechanism of Action, Mode of Action

3. 联合作用的定量预测 (CA, IA, TSP…)

毒性作用方式：描述负面生物效应的生理和行为迹象的集合；毒性作用机制：关键的生物化学过程或者是潜在于已知作用

方式之下的外源性物质与生物间的相互作用；

三、毒作用的生物化学机制

1. 酶活性抑制 (激活 )

4. 干扰细胞能量产生

某些有机化合物与酶的共价结合；某些重金属离子与含巯基的酶的强烈结合；某些金属取代金属酶中的不同金属；

2. 细胞膜损伤

3. 自由基与脂质过氧化

5. 与生物大分子共价结合

三、毒作用的生物化学机制基因突变染色体突变

基因突变是指 DNA 碱基对排列顺序发生改变。包括碱基对的转换、颠换、插入和缺失四种类型。

6. 致突变作用：指生物细胞内 DNA 改变。

转换是同型碱基之间的置换；

颠换是异型碱基之间的置换；颠换和转换统称为碱型置换。

插入和缺失分别是 DNA 碱基对顺序种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，这两种突变统称为移码突变。

如果上述改变只限于基因范围，就是基因突变；若涉及到整个染色体，就是染色体畸变。染色体畸变属于细胞水平的变化，基因突变属于分子水平上的变化。


7. 致癌作用

物理致癌物生物性致癌物确证致癌物

可疑致癌物潜在致癌物

遗传毒性致癌物

非遗传毒性致癌物其它致癌物

直接致癌物间接致癌物

促癌物助致癌物

癌就是体细胞不受控制的疯长。

人类癌症80-85% 与化学致癌物

有关。

化学致癌物


全国环保模范城市、卫生城市；

联合国环境保护 500佳城市；

最适合人居城市；

环境质量改善： SO2, NOx, COD, BOD, ……;


2003 年恶性肿瘤发病率与 1986 年比上升了 75% ，发病率最高的是肺癌，其次为胃癌、肝癌；

上升幅度最大的是膀胱癌 (191.06%) ，其次为肠癌 (127%) 、乳腺癌(124%) 、胰腺癌（ 59%）、肺癌 (58%) 、肝癌(19%);

近 30 年来，国内癌症的发病率和死亡率都呈明显上升的趋势。在城镇居民中，癌症已经成为死因的首位。

目前，我国癌症的发病率每年递增 2.5% ，死亡率每年递增 1.8% ；农村的上升速度明显高于城市。

20世纪 70~80 年代，胃癌、食管癌、肝癌、肺癌和宫颈癌，目前：肺癌、肝癌、胃癌、食管癌和结 /直肠癌。其中，男性的前三位为肺癌、肝癌和胃癌，女性的前三位为乳腺癌、肺癌和肝癌。

全国

大连


持久性有机污染物 (POPs) ；持久性有毒物质 (PTS) ；环境内分泌干扰物 (EDCs);

……

心理、心态；

物理因素

生物因素

化学因素 (80-85%)

致癌因素


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、化学

因素、生物因素，母体营养缺乏或内分泌障碍都可引起先天性畸形，称为致畸作用。

8. 致畸作用

N

O

O

N

O

O

H

20世纪 60 年代，欧美、日本，妊娠镇静，导致 104 名畸形胎儿。甲基汞。

反应停


1. 物质通过生物膜的方式主要有哪几种？如何定义？分别有何特点？

2. 解释 ADME 的内容。

3. 何为剂量 -反应关系和剂量 -效应关系？

4. 影响毒物毒性的因素有哪些？哪些指标可以量化毒物毒性大小？

5. 什么是生物富集、生物放大和生物积累？它们的区别和联系？影响生物富集因子的因素有哪些？生物富集因子和正辛醇 / 水分配系数之间有什么关系？如何推导生物积累的动力学。

6. 论述：有毒有机污染物在生物体内能发生哪些变化 (MFO 酶系、 I相反应 II相反应 )

课后思考 + 作业

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