第五章　生物体内污染物质的运动过程及毒性 Transfer and Toxicity of Pollutants in Biology

教学内容 第一节 物质通过生物膜的方式 第二节 污染物质在机体内的转运 第三节 污染物质的生物富集、放大和积累 第四节 污染物质的生物转化 第一节　物质通过生物膜的方式 第二节　污染物质在机体内的转运 第三节 污染物质的生物富集、放大和积累 第四节　污染物质的生物转化 第五节 污染物质的毒性

教学要求 掌握污染物质的生物富集、放大和积累； 耗氧和有毒有机污染物质的微生物降解； 若干元素的微生物转化； 毒物的毒性、联合作用和致突变、致癌及抑制酶活性等作用； 了解有关重要辅酶的功能，有毒有机污染物质生物转化的类型。

第一节 物质通过生物膜的方式 一、生物膜的结构(Constitution of Biological Membrane) 生物膜：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。 磷脂双分子层：亲水的极性基团排列于内外两面，疏 水的烷链端伸向内侧。双分子层中央存在一个疏水区 , 生物膜是类脂层屏障。 蛋白质：有附着在双分子层表面的表在蛋白，深埋或贯穿双分子层的内在蛋白。 蛋白质的生理功能：转运膜内外物质的载体 , 起催化作用的酶 , 能量转换器。 膜孔：带极性，含水的微小孔道

二、物质通过生物膜的方式 1、膜孔滤过: 大多数物质通过生物膜的方式。 2、被动扩散 3、被动易化扩散 呈现特异性选择； 是正常的营养物质及其代谢产物通过生物膜的主要方式。 4、主动转运 5、胞吞和胞饮 具体以何种方式通过生物膜，主要取决于机体各组织生物膜的特性和物质的结构、理化性质。

直径小于膜孔的水溶性物质, 借助膜两侧静水压及渗透压经膜孔滤过。 1. 膜孔滤过 直径小于膜孔的水溶性物质, 借助膜两侧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侧向低浓度侧、即顺浓度梯度扩散通过有类脂层屏障的生物膜。扩散速率服从费克定律 : dQ/dt:物质膜扩散速率 , 即 dt 间隔时间内垂直向扩散通过膜的物质的量 ; Δx -膜厚度；Δc -膜两侧物质的浓度梯度 ;A- 扩散面积 ;D -扩散系数。 一般, 脂/水分配系数越大, 分子越小,或在体液pH条件下解离越少的物质, 扩散系数也越大。被动扩散不需耗能, 不需载体参与, 不会出现特异性选择、竞争性抑制及饱和现象。

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。这一转运称为被动易化扩散。它受到膜特异性载体及其数量的制约 , 因而呈现特异性选择 , 类似物质竞争性抑制和饱和现象。 4. 主动转运：在需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, 至高浓度侧解离出原物质。这一转运称为主动转运。所需代谢能量来自膜的三磷酸腺苷酶分解三磷酸腺(ATP) 苷成二磷酸腺苷 (ADP) 和磷酸时所释放的能量。这种转运还与膜的高度特异性载体及其数量有关 , 具有特异性选择, 类似物质竞争性抑制和饱和现象。

5. 胞吞和胞饮：少数物质与膜上某种蛋白质有特殊亲和力 , 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 , 而液态物质的这一转运称为胞饮。 影响物质通过生物膜方式的因素: 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。如脂溶性、水溶性、解离度、分子大小等。 被动易化扩散和主动转运 , 是正常的营养物质及其代谢物通过生物膜的主要方式，被动扩散方式通过生物膜也是重要方式

第二节 污染物质在机体内的转运 (Transport of Pollutant in Bodies) 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。 转运包括：吸收和分布。 消除包括：排泄和生物转化。

一、吸收 (Absorption) 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道、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。小肠液的酸性 (pH≈6.6) 明显低于胃液 (pH≈2), 有机弱碱在小肠和胃液中分别以未解离型和解离型占优势 , 因此有机弱碱在小肠中的吸收比在胃中的吸收快。

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 5μm. 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。

二、分布(Distribution) 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。污染物质的转运以被动扩散为主。 特点: A 脂溶性污染物质易于通过生物膜，组织血流速度是分布的限速因素。它们在血流丰富的组织 ( 如肺、肝、肾 ) 的分布迅速。 B 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。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。 -血脑屏障。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。

C 污染物质常与血液中的血浆蛋白质结合。这种结合呈可逆性 , 结合与解离处于动态平衡。只有未与蛋白结合的污染物质才能在体内组织进行分布。 D 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、肾细胞内有一类含疏基氨基酸的蛋白 , 易与锌、镉、 汞、铅等重金属结合成复合物 , 称为金属硫蛋白。因而肝、肾中这些污染物质的浓度远远超过其血液中浓度的数百倍。

三、排泄(Excretion) 排泄是污染物质及其代谢物质向机体外的转运过程。排泄器官以肾和肝胆为主。 1、肾排泄(Renal Excretion) ：通过肾随尿而排出。肾排泄的效率是肾小球滤过，近曲小管主动分泌（有机酸和有机碱）和远曲小管被动重吸收（肾小球滤过物）的综合结果。 2、肝胆系统的胆汁排泄(Biliary Excretion )：主要由消化道及其他途径吸收的污染物，经血液到达肝脏后，以原物或其代谢物并胆汁一起分泌至十二脂肠，经小肠至大肠内，再排出体外的过程。

四、蓄积 (Accumulation) 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（多数污染物）、脂肪组织（苯、多所联苯等）和骨骼（氟、钡、锶等）。 有些污染物蓄积部分与毒性作用部位不相同。如DDT在脂肪组织中蓄积，而毒性作用部位是神经系统，铅集中于骨骼，而毒性作用于造血系统、神经系统。蓄积部位可成为污染物质内在的二次接触源，可能引起机体慢性中毒。

Bioconcentration , Bioaccumulation and Biomagnificationof Pollutants 第三节 污染物质的生物富集、放大和积累 Bioconcentration , Bioaccumulation and Biomagnificationof Pollutants 一、生物富集(Bioconcentration)： 指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。 水生生物＞1、蚯蚓富集＜1、农作物＜1 生物浓缩系数(Bioconcentration Factor) 达稳态时　BCF=cb/ce 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。

影响生物浓缩系数的因素： 污染物质性质：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。如虹鳟对四氯联苯和四氯化碳的浓缩系数分别是12400和17.7。一般重金属、氯化碳氢化合物、稠环、杂环等有机化合物具有很高的生物浓缩系数。 KOC＝0.63KOW 生物特征：生物种类、大小、性别、器官、生物发育阶段。如金枪鱼和海绵对铜的浓缩系数分别是100和1400。 环境条件：温度、盐度、水硬度、氧含量和光照情况。翻车鱼对多氯联苯浓缩系数在水温5℃和15℃时分别为1000和10000

dcf/dt=kacw-kecf-kgcf 3、生物富集的动力学描述 水生生物对水中难降解性物质的富集速率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。 吸收速率：Ra＝Kacw 消除速率：Re＝－Kecf 稀释速率：Rg＝－Kgcg 动力学 ka、ke、kg——水生生物吸收、消除（排泄和生物体内分解）、生长的速率常数 cw、cf——水及生物体内瞬时物质浓度 dcf/dt=kacw-kecf-kgcf 水生生物富集速率微分方程

dcf/dt=kacw-kecf-kgcf 水生生物富集速率微分方程 dcf/dt=kacw-kecf-kgcf 当水生生物质量增长不明显时， kg可忽略；cw又通常可视为恒定，又设t=0时，cf(0)=0，则可解方程得： cf=kacw/ke·[1-exp(-ke)t] 当t→∞时， cf=kacw/ke 　　　BCF=ka/ke （达稳态，吸收、消化速率符合一级动学） BCF与Kow的关系 •复杂过程：动力学，热力学 •lgBCF= a lgKow+ b •适用于水生生物，对陆生植物及沉积物中的生物不适用。

二、生物放大 1、概念 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。 Kow>105~107才易发生 2、生物放大并不是在所有条件下都能发生。据文献报道，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。

三、生物积累 1、概念 指生物从周围环境（水、土壤、大气）和食物链蓄积某种元素或难降解物质，使其在有机体中的浓度超过周围环境中浓度的现象。 生物放大和生物富集是生物积累的一种情况。

2.生物积累模型

3、微分速率方程

当生物积累达到平衡时dci/dt=0,上式变换为： 从食物中积累污染物量 从水中积累污染物量 右式反应相应的生物富集和生物放大在生物积累达到平衡时贡献的大小。

这个比值不一大于1。如果沉积物中结合污染物的能力比生物结合污染物的能力要强很多时，比例就小于1。 生物体中的量 这个比值不一大于1。如果沉积物中结合污染物的能力比生物结合污染物的能力要强很多时，比例就小于1。 底泥中的量