影响污染物迁移和分布的因素 极化作用(polarity)和溶解度(solubility)：水分子属于极化分子，许多有机污染物属于非极性，产生排斥的憎水效应(hydrophobic effect)。 分配系数(partitioning coefficients)：化学物在不同相(phase)或介质(medium)中的浓度分配，当达到平衡时，两相间的浓度比值。代表性的系数为KOW(辛醇－水分配系数)，提供一个表征化学物憎水性强弱的指标。 蒸气压：平衡状态下，在固体或液体表面上某种物质蒸气所施加的压力。 不同环境分室(compartment)之间的分配：驱动力是所谓逃逸趋势，即逸度(fugacity)。污染物气－水界面的分配可用亨利常数H描述：H = Cg/Cw。逸度f = C/Z，C是化学物在某相中的浓度，Z是逸度容量常数。 分子稳定性和抵抗分子(recalcitrant molecules)：以持久性有机污染物POPs为代表(persistent organic pollutants)。

基本概念 吸附：污染物在两相公共边界(界面)上的积聚。通常使用两种吸附等温式描述吸附现象：Langmuir(理论推导)和Freundlich(经验)等温方程式： Freundlich吸附等温式：X/M = KC1/n，log(X/M) = logK + logC/n； Longmuir吸附等温式：X/M = abC/1+bC，C/(X/M) = 1/(ab) +C/a。 X：吸附量，M：吸附剂质量，K：待推导的常数，C：吸附达到平衡时溶质在溶液中的浓度，n：待推导的常数，a：最大吸附量，b：反映结合键强度的亲和力参数。 I 阶段：低浓度近似线性关系； II 阶段：增长放缓，非线性关系； III 阶段：接近饱和阶段 III Freundlich II Langmuir 吸附量 I 吸附质液相浓度

简化的生物积聚/富集概念模型 水 食物 损失 生物转化 生物体 生物积聚：污染物从水、空气、固体来源中积聚到生物体内或体表。 生物浓缩：一般限定为从水中浓缩。 可能的内部分室的再分配 吸收 可能的生物转化和去毒 排泄 稳态(steady state)：由各种过程及其所 需的能量导致机体浓度为常量； 平衡(equilibrium)：平衡浓度来源于不 需要能量维持的化学平衡过程。 区分稳态和平衡概念：源自生物积聚 的稳态浓度可远高于化学平衡所预测 的浓度 U E 暴露持续时间 浓度 U: Uptake, 吸收 E: Elimination, 除去

Ct = Cs(ku/ke)(1－e－ket) 一个随时间变化的简单生物积聚 积聚阶段 排除阶段 时间 浓度 Ct = C0e－kt Ct = Cs(ku/ke)(1－e－ket) CS：来源浓度； ku：吸收清除，在等密度来源中可表达为速率常数； ke：排除速率常数。

污染物吸收进入细胞的机理 离子通道 经通道扩散 离子泵 主动运输 (需能量) 门户离子通道 经双脂层扩散 易化扩散 载体分子 胞饮(内吞)作用 需能量

污染物被植物吸收的各种途径 运动速率和目 标点位取决于 有毒物的物理 化学属性和环 境条件，例如 温度、湿度、 紫外线暴露叶 边界层高度。

生物转运、转化和生物膜 环境化学物对机体作用的大小和部位，与其在体内的吸收、分布、代谢和排泄过程密切相关，研究转运和转化过程有助于了解化学污染物在体内的转归、生物学效应、和毒副作用机理。 生物转运 化学物的吸收、分布和排泄具有类似的机理，均是反复通过生物膜的过程，统称为生物转运。 生物转化 化学物在组织细胞中发生的结构和性质的变化过程。 生物膜 细胞膜(质膜，plasma membrane)和各种细胞器的膜结构统称。 生物膜具有流动性，主要由液晶态的脂质双分子层和蛋白质构成，脂质主要成份为磷脂。生物膜的功能主要通过蛋白质完成。 化学物通过通过生物膜的方式 (1) 被动转运：生物膜对物质的转运不起主动作用，如简单扩散，滤过作用等； (2) 特殊转运：生物膜对物质转运有主动作用，如易化/促进扩散，主动转运、吞噬作用和胞饮作用。

被动转运和特殊转运 (A) 被动转运 简单扩散(simple diffusion)：沿浓度梯度由高至低扩散。 主要影响因素包括：(1) 膜两侧浓度梯度(concentration gradient)；(2) 脂水分配系数(lipid water partitioning coefficient)。一般地，只有脂溶性和水溶性均高的物质才容易经过简单扩散方式透过生物膜(因生物膜为脂相，两侧为一般为水相，除需经过脂相，还需通过相依的水相)；(3) 化学物解离度和体液pH值：呈离子态的物质脂溶性低，非离子态脂溶性高，易通过生物膜，体液的pH可影响弱酸和弱碱的解离度和形态。 滤过作用：化学物质透过生物膜上的亲水孔道(双分子层中的蛋白质的亲水性氨基酸)的过程。 驱动力是膜两侧存在流体静压或渗透压。 (B) 对于非脂溶性、大分子量的物质，则需通过生物膜上特殊的转运系统完成。 主动转运 伴随能量消耗逆梯度由低向高转运通过生物膜。特点是：(1) 需要载体参与，一般为蛋白质，与目标物形成复合物；(2) 沿逆浓度梯度方向，需消耗代谢能量，代谢抑制剂可阻止此转运过程；(3) 载体对目标物有选择性，化学物必须具有一定的基本结构，否则无法转运；(4) 载体容量具有饱和性；(5) 性质相似又需要同一载体转运则发生竞争性抑制。

异化扩散、吞噬和胞饮 易化扩散(facilitated diffusion)：难溶于脂质的化学物利用载体由高至低移动的过程。某些易化扩散涉及跨膜的离子交换(exchange diffusion)。 特点：不消耗代谢能量，有一定的主动性和选择性。 机理：可能是载体特定地与化学物结合，分子内部发生构型变化而形成通过的通道。 吞噬和胞饮 吞噬作用(phagocytosis)：某些固态颗粒物与膜上某种蛋白质有特殊亲和力，可改变细胞膜的表面张力，引起外包或内凹，将异物包围进入细胞。 吞饮或胞饮(pinocytosis)：液滴异物也可通过上述方式进入细胞。 上述两者合称入胞作用(endocyrosis)或膜动转运(cytosis)。 扩散通常由Fick定律描述：dS/dt = -DAdC/dX dS/dt：通过污染物通过表面/界面的速率，D：扩散系数，A：发生扩散的表面面积，dC/dX：研究变量(这里指浓度)的通过边界的变化梯度。 吸附动力学反应级数通常包括：零级(dC/dt = kC0)和一级(dC/dt = kC)反应，其它还有在主动转运和易化转运中遇到的饱和动力学。其中，一级动力学吸收方程式应用最广泛。

排除或锁定(sequestration) 生物转运与去毒的一般机理 金属或类金属 有机化合物 生物甲基化或生物转化 生物矿化作用 阶段I代谢 阶段I代谢 与巯基组氨酸三甲基内盐 或其它配体结合 阶段II代谢 排除或锁定(sequestration) 化合物排除 生物转运可导致排除、去毒、锁定(屏蔽)、再分配或活化作用的加强 阶段I代谢一般指氧化反应；阶段II代谢一般指水解反应。

代谢转化方式 (I) I 相反应 (1) 氧化、还原和水解。 (2) 氧化反应包括： 微粒体氧化(微粒体混合功能氧化酶系催化，microsomal mixed function oxidize system，MFOS)： 脂肪族羟基化；芳香族羟基化；环氧化；N－脱烷基反应；O－和S－脱烷基反应；脱氨基反应；N－羟基化反应；烷基金属脱烷基反应；S－氧化反应；脱硫反应；氧化脱卤反应； 非微粒体氧化(非微粒体混合功能氧化酶系催化)： 醇脱氢酶；醛脱氢酶；胺氧化酶(单胺氧化酶，二胺氧化酶)；前列腺素生物合成的共氧化。 (3) 还原反应：包括微粒体酶作用还原和非微粒体酶还原。 羰基还原反应(醛类和酮类)； 含氮基团还原反应(硝基还原、偶氮还原、氮氧化物还原)； 含卤素基团还原； 无机化合物还原； (4) 水解反应：酯类水解、酰胺类水解、水解脱卤、环氧化物水化反应。

代谢转化方式 (II) II 相反应 毒物与其代谢产物与内源代谢产物(化合物或基团)经生物合成形成结合物。 (1) 与葡萄糖醛酸结合：最常见、最重要的一种结合反应，包括直接结合和间 接结合(先转化后结合)两种。 (2) 与硫酸酯结合 (3) 谷胱甘肽结合 (4) 乙酰化反应 (5) 氨基酸结合 (6) 甲基化反应：按甲基嵌入位置分为N、O、S甲基化。 (7) 磷结合反应

影响生物转化的因素 实质是对催化酶的功能和活力产生影响，使转化途径和速率发生变化。 物种差异和个体差异 物种差异指代谢酶的种类不同，即生物转化催化酶的有无；代谢酶的活力不同。 饮食营养状况 年龄、性别、激素、昼夜节律等生理因素差异 代谢饱和状态 毒物浓度或剂量影响毒物代谢状况和毒性作用。毒物进入体内的浓度增高，单位时间内代谢酶对毒物催化代谢的产物量随之增高，但毒物量达到一定浓度时，代谢所需基质可能被耗尽或参与代谢的酶能力不够，单位时间代谢产物不再随之升高，这种代谢途径被饱和的现象，称代谢饱和。 代谢酶的抑制和诱导 抑制分为特异性抑制(针对性和专门性)和竞争性抑制。 外源化学物致使某些酶的活性增强或含量增加。

化学物体内转化反应方式及排出方式 通过氧化、还原和水解后排出体外； 通过氧化、还原和水解，再进一步结合后排出体外； 直接通过各种结合作用后排出体外； 有部分与营养物结构相似的毒物可参与到营养物的代谢过程中。 经肾脏由尿液排出； 经消化道排出(肝胆排出)； 经呼吸道排出； 经其它途径排出。

毒性产生第一步：分布过程 有毒物 接触点位 （皮肤、呼吸道、消化道 叶孔、根、鳃等） 吸收 系统前排除 分布进入 分布脱离 传 布 重吸收 传 布 重吸收 排泄 中毒 解毒 最终毒物 靶分子 蛋白、核酸、脂质、 大分子复合物 靶点

毒性产生第二步：最终毒物与靶分子作用 反应种类 －非共价结合 －共价结合 －电子转移 －氢原子萃取 －酶反应 非极性反应的非共价结合一般可逆； 共价结合不可逆，能永久改变内源性分子结构，有 重要毒理意义； 靶分子 最终毒物 毒性结果 －功能紊乱 －结构破坏 －新抗原形成 靶位影响因素 －反应性 －可接触性 －关键反应

毒性产生第三步：细胞功能和稳态失调 细胞分裂失控：组织增生 细胞程序死亡：组织退化、畸生 蛋白质合成：过氧化酶体增生 基因表达失控 调节细 神经肌肉活动失控：震颤， 惊厥，痉挛，组织坏死， 麻痹，感觉异常 细胞活动失常 靶分子 功能 ATP合成 钙离子调节 蛋白质合成 微管功能 膜功能 细胞内稳态损伤 细胞受伤 和死亡 维持细 胞稳态 细胞整体功能受损 细胞外稳态损伤

Henderson-Hasselbach方程式 解离常数pKa与弱酸和弱碱pH的关系 污染物处于pH变化的水介质中，其吸收进入机体内在相当程度上受pH影响， 即在肠胃消化道内的酸碱反应 对于弱酸 HA  H+ + A－ Ka = (H+)(A－)/(HA) logKa = log[(H+)(A－)/(HA)] logKa = log(H+) + log[(A－)/(HA)] －log(H+) = －logKa + log[(A－)/(HA)] pH = pKa + log[(A－)/(HA)] 对于弱碱 HB+  H+ + B Ka = (H+)(B)/(HB+) logKa = log[(H+)(B)/(HB+)] logKa = log(H+) + log[(B+)/(HB+)] －log(H+) = －logKa + log[(B+)/(HB+)] pH = pKa + log[(B)/(HB+)]

毒性动力学 扩散：Fick定律 D = [(C0/Ci)S  A]/[MW1/2d] D： 扩散速率；C0/Ci：浓度梯度；MW：化学物分子量；S：膜中溶解度；A：膜表面积；d：膜的厚度。 分室模型 (1) 单室模型 (2) 两室模型 (3) 多室模型 分布容积(distribution volume) 对于单室模型： Vd = Dose/C0；C0是在时间为零时外推得到的毒物浓度 对于两室模型： Vd = Dose/(AUC)；从时间0至时间，曲线下面积(area under the curve, AUC)的表达式： AUC = A/ + B/ 载体控制转运 无论是不需能量的易化扩散还是需要能量支持的主动转运都出现饱和现象，表明有毒物是与膜中有限数目的载体蛋白进行可逆结合。饱和膜转运载体系统的动力学可以由类似酶基质动力学解释。

几个主要参数 消除速率常数：毒物从体内某一分室的消除经常按一级动力学方式进行，消除速率与毒物量的比例常数称为消除速率常数。 半减期：某一毒物在体内减少一半所需时间。消除速率常数和半减期是常用的两种衡量尺度。 表现分布容积：代表进入体内有毒物剂量或体内毒物量与血浆毒物浓度之间相互关系的比例常数。即某一毒物对血浆和机体所有组织亲和力相同(即浓度相同)时，使毒物达到血浆浓度所需的容积。表现分布容积并非机体真正的容积数值，而是一种比例因素。 消除率：单位时间内，毒物的消除量(消除速率)与当时毒物浓度之比。也可视为单位时间内从模型中消除毒物的体积。

单室模型 体内浓度 CB 外介浓度 CM 速率常数 k2 速率常数 k1 毒物浓度 毒物吸收速率 一级动力学 零级和一级 混和动力学 零级动力学 单个生物体对化学物积聚的动力学模型 质量平衡方程式：dCB/dt = k1CM－k2CB 时间 LogCP C0 斜率 = k2t/2.3 t1/2 = 0.693/k2

两室模型 ke k21 = (A+B)/(A+B) k12 = +－k21(－ke－km) ke+km = /k21 废弃 W (waste, excretion) 血浆 P 代谢 M (metabolism) km k12 k21 分布与排除 时间 LnC LnB LnA LnC0   分布 排除 组织 T dCP/dt = k21CT－k12CP－(ke+km)CP CP = Ae－t + Be－t A, B, 和是k12, k21和(ke+km)的复合常数 k10 1 LnC 2 k21 k12 1  2  时间

一室至三室开放模型 Ka Ke 一室模型 K12 K21 Ka 中央室 I 周边室 II Ke Ka K21 K12 K13 K31 II

吸收过程中不同机体分室内单一毒物剂量的相对变化 M+W P 毒性剂量比例 T 时间 P：血浆分室 T：组织分室 M+W：代谢和废物分室之和 速率常数的变化对曲线形状影响明显

零级和一级动力学特点 零级动力学特征 (1) 某些毒物剂量过大或机体消除能力有限，体内毒物以最大消除速率衰减，即恒量衰减，时量曲线用普通坐标为直线，斜率即为－Vmax； (2) 毒物血浆浓度半减衰期不是恒定值，而随毒物血浆浓度高低变化。当血浆浓度降低至最大消除能力以下时，转为一级动力学； (3) 多次给毒时增加剂量，可超比例升高毒物的稳定浓度和延长消除时间。 当毒物剂量超过一定水平，毒物消除能力饱和，毒物在体内的负荷急剧增加，将导致毒效应急剧加强。 一级动力学特征 (1) 进入体内毒物量较少，机体代谢或排泄能力未被饱和，体内毒物按恒比衰减，时量曲线用普通坐标时，为曲线。纵坐标改为对数时为直线，斜率为－K/2.303； (2) 毒物半减期恒定，不因血浆浓度高低而变化，也不受给毒途径影响，一次给毒物约经5个半减期，体内毒物量排泄96%以上。每个半减期给毒一次，则经5个半减期，血浆浓度基本达到稳态浓度； (3) 多次给毒，增加剂量能相应增加血液浓度，并使时量曲线从下面按比例增加，但不能缩短达到稳定的时间，必不能按比例延长毒物消除完毕的时间。血浆浓度提高一倍，毒作用维持时间延长一个半减期，增加四倍，毒作用维持时间延长两个半减期。

酶基质动力学 载体蛋白摩尔浓度，P0； 未被占据的载体摩尔浓度，P； 游离化学物基质摩尔浓度，S； 基质载体络合物摩尔浓度，PS。 基质化学物作用的解离常数Km(Michaelis常数)： Km = (P)(S)/(PS) = (P0－PS)(S)/(PS) PS = (P0)(S)/(Km+(S)) PS生成的速率常数v，v = k(PS) v = k(P0)(S)/(Km+(S)) 当载体达到饱和，v = k(P0)，达到最大值vmax，此时： v = vmax(S)/(Km+(S)) vmax，S，v均为实验测定，Km当载体被半饱和时载体浓度。 可以通过图解法推导得到。Km数值提供了载体对化学物(基质)亲和力的一种量度。

Michaelis-Menten图解饱和载体控制转运 (b) (c) S (PS) P0 for (a) & (b) P0 for (c) 1/2P0 for (a) & (b) 1/2P0 for (c) Km for (a) & (c) P0：对三个不同系统(a)、(b)、(c)，载体蛋白上活性结合点位总数； (a)和(b)具有相同的承载容量； (a)和(c)具有相同的基质亲和力，由描述基质的Michaelis常数Km确定： S：载体达到半饱和时的浓度； PS：载体－基质络合物。

Scatchard图示载体基质动力学 P0/Km P0 PS PS/S

有毒物抑制载体控制转运内源基质的方式 竞争方式 竞争方式导致Km相对正常基质发生数值变化，引发曲线从曲线a向曲线b逆转，而载体总数未变。 非竞争方式 另一方面，非竞争抑制方式由可用载体总数的降低表征。 尽管Km未受影响(如曲线c情形)，这种降低导致饱和曲线上部渐近线的数值降低(即较低的最大通量速率)。

排除过程的动力学模型 排除过程的分室模型(compartment)可分为： 基于速率常数(rate)的模型 进一步分为：一室、两室和其它多重分室模型。 基于清除体积(clearance volume)的模式 用于建立更为复杂的参数模型，例如基于生理药物动力学模型(physiologically-based pharmacokinetics, PBPK)。 逸度模式(fugacity model) 逸度f = 浓度C/逸度容量Z 有关专著：Mackay D. 1991, 《Multimedia Environmental Models: The Fugacity Approach》 Lewis Publisher, Chelsea, MI, 257p.

毒物进入生物体摄入、吸收和蓄积的可能曲线 生物半衰期 毒物物质单位 A：摄入量曲线 B：吸收量曲线 C：体内蓄积曲线

致毒引起的病变 (I) 致毒效应分类： 机体受污染毒害后对健康损害； 通过母体致胎儿先天性异常－畸变、功能不全等； 作用于遗传物质的损害－遗传病。 对机体的直接毒害作用称近期毒效应，对胚胎和基因损害称为远期毒效应。 致毒效应包括毒物分子与某些作用器官的特异部位即受体之间相互作用，产生一系列反应结果。 致毒引起的病变 组织细胞的病变 (1) 实质细胞变性：颗粒性变性，水样性变性，脂肪变性，玻璃样变性等； (2) 实质细胞坏死：坏死病理变化，坏死组织的表现，坏死组织的后果(吸收和修复，纤维化，溃疡)； (3) 萎缩 (4) 间质(结缔组织)病变：变性和硬化；

致毒引起的病变 (II) 血液循环的障碍 (1) 充血：器官或组织内血管扩张，血量过多； (2) 缺血； (3) 出血：血管壁完整性被破坏，凝血动能受障碍； (4) 血栓形成；聚集和凝固过程； (5) 栓塞：异物造成血管堵塞现象； (6) 梗死：血流受阻断，侧枝循环不能很快恢复，引起局部组织坏死。 炎症 原因有两类：感染或传染性炎症，由机械损伤、等理化因子引起的炎症，分为急性、慢性和亚急性。 肿瘤：实质部份由肿瘤细胞组成，间质部份由结缔组织和血管组成。

在分子水平、细胞水平、器官水平以及整体水平上出现多种响应 致毒效应的机理 (I) 在分子水平、细胞水平、器官水平以及整体水平上出现多种响应 对细胞的损伤 (1) 直接作用； (2) 细胞膜通透性变化； (3) 细胞内消化； (4) 细胞死亡； (5) 对一般功能的影响(麻醉作用，干扰神经传导，对DNA、RNA、蛋白质合成的干扰和抑制细胞生长，阻止氧的吸收、运输和利用，物理性积聚作用)。 对受体的作用 受体按功能分为神经介质，激素受体和药物受体。涉及的机制： (1) 腺苷酸(或鸟苷酸)环化酶； (2) 钙离子通道； (3) 配位体与基于生物膜上的受体相互作用； (4) 附设的受体部位供竞争性拮抗剂占领； (5) 存在活性和非活性两种形式的处于动态平衡的受体。

致毒效应的机理 (II) 自由基与脂质过氧化 具有奇数电子的分子，因化合物共价键发生均裂产生。具有顺磁性、化学反应性高，半衰期短。 四种情况：外源性化学物本身即为自由基；外源性化学物不需要酶参与而转化为自由基；外源性化学物经酶催化转化为自由基；外源性化学物也能形成自由基。 (1) 对生物大分子影响：攻击多不饱和脂肪酸，攻击蛋白质和酶，攻击核酸； (2) 对生物膜的影响：包括对微粒体的影响，对线粒体的影响，对溶酶体的影响； (3) 影响脂质过氧化和各种因素：肝微粒体混合功能氧化酶系统的活性程度，机体的抗氧化水平，机体抗氧化酶系统活性。 对酶作用的影响 (1) 与酶蛋白的金属离子或活性中心功能团作用； (2) 与辅酶作用； (3) 与酶激活剂作用； (4) 非竞争性抑制； (5) 竞争性抑制； (6) 体液中酶活性增高。

致毒效应的机理 (III) 结合作用 (1) 非共价键结合：改变酶活性，干扰内源性物质与血红蛋白的结合，嵌入DNA分子，对细胞直接作用； (2) 共价键结合 对免疫功能的干扰 (1) 使免疫功能受到抑制或产生免疫缺损； (2) 改变宿主体系的防御机制，降低抵抗力； (3) 产生变态反应；按过敏反应出现的快慢、抗体是否存在分为四型(速发型或过敏型，溶细胞型，免疫复合物型，迟发型)。 从分子机理分析毒作用，分为： (1) 毒物与靶分子的不可逆作用而引起毒作用(与生物大分子的共价结合，脂质过氧化作用，致死性合成及致死性渗入，酶的不可逆性抑制，涉及体内携带/转运系统的化学性损伤，引起过敏性变态反应物质的毒作用，其它如局部刺激作用)； (2) 毒物与靶分子的可逆作用而引起的毒作用； (3) 毒物物理蓄积引起的毒作用。

作业练习 描述植物吸收有毒物的途径； 弱酸和弱碱离子化程度与其pH值的关系，对肠胃消化道吸收有何影响； 解释：零级动力学、一级动力学、两室模型、Michaelis常数； 简单列举化学污染物进入生物膜的方式； 对比零级和一级反应的特征。