第五章 生物体内污染物质的运动过程及毒性

第四节 污染物质的生物转化

物质在生物作用下经受的化学转化，称为生物转化或代谢。

一、生物转化中的酶（Enzyme） （大多数生物转化是在酶的参与和控制下进行的） 1、几个概念 a、酶(enzyme)：一种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。 b、底物（或基质）(substrate)：在酶催化下发生转化的物质。 c、酶促反应(enzymatic reaction)：底物在酶催化下发生的转化反应。

2、酶催化作用的特点 因为是活细胞产生的

3、酶的分类（2000多种）

二、若干重要辅酶的功能 黄素代替碱基 核苷酸（是核酸的基本组成单位，有1个磷酸，1个含氮碱基，1个5碳糖）

2、NAD＋和NADP＋ ( 分别称为辅酶Ⅰ辅酶Ⅱ) 某些氧化还原酶的辅酶，在酶促反应中具有传递氢的作用

3、辅酶Q（又称泛醌） 是某些氧化还原酶的辅酶，在酶促反应中具有传递氢的作用。 对苯酚

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b1、c1、c、a、a3等几种。它们的酶蛋白部分不同，但辅酶都是铁卟啉。 铁卟啉：由四个吡咯环通过四个甲炔基相连形成的一个环形，2价铁例子位于环中心。2价铁离子可形成6个配位键，其中四个与吡咯环上的氮原子结合

5、辅酶A（简写为CoASH） 是泛酸的衍生物，是一种转移酶的辅酶，所含的巯基与酰基形成硫酯，而在酶促反应中起着传递酰基的功能。反应式如下：

三、生物氧化中的氢传递过程 生物氧化指有机质在机体细胞内的氧化，并伴随能量的释放。一般多为去氢氧化。所脱落的氢（H++e）以原子或电子的形式，由相应的氧化还原酶按一定顺序传递至受氢体。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，其受体称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；若为非分子氧的化合物则是无氧氧化。

1、有氧氧化中以分子氧为直接受氢体的递氢过程

2、有氧氧化中分子氧为间接受体的递氢过程

生物去氢氧化中各反应的电极电位 从电位低到电位高移动

3、无氧氧化中有机底物转化中间产物受氢体的递氢过程

4.无氧氧化中某些无机含氧化合物做受氢体的递氢过程

四、耗氧有机污染物质的微生物降解 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，该过程称为有机物质的生物降解，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，矿化（mineralization）；否则为不彻底降解。

1、糖类的微生物降解(糖类Cx(H2O)y)

C、丙酮酸的转化：有氧条件 丙酮酸通过酶促反应转化成乙酰辅酶A。乙酰辅酶A与草酰乙酸反应转化成柠檬酸。柠檬酸通过一系列转化最后生成草酰乙酸，接着进行新一轮的转化。这种生物转化的途径称为TCA循环。

C、丙酮酸的转化：无氧条件

2、脂肪的生物降解

C、脂肪酸的转化 有氧时，饱和脂肪酸经过酶促β-氧化途径变成酯酰辅酶A和乙酰辅酶A。乙酰辅酶A进入TCA循环，而酯酰辅酶A又经β－氧化途径进行转化。

3、蛋白质的微生物降解 A、蛋白质水解成氨基酸B、氨基酸脱氨脱羧成脂肪酸

4、甲烷发酵 在无氧氧化条件下，糖类、脂肪和蛋白质降解成简单的 有机酸、醇等。这些有机化合物在产氢菌和产乙酸菌作 用下，可转化为乙酸、甲酸、氢气和二氧化碳，进而经 产甲烷菌作用产生甲烷。这一总过程称为甲烷发酵。在 甲烷发酵中糖类的降解率和降解速率最高，脂肪次之， 蛋白质最低。

甲烷发酵需要满足产酸菌、产氢菌、产乙酸菌和产甲烷菌等各种菌种所需的生活条件，它只能在适宜环境条件下进行。产甲烷菌是专一厌氧菌，因此甲烷发酵必须处于无氧条件下。 甲烷菌生长要求： 弱碱性环境；一般pH为7－8；适宜碳氮比为30左右。

五、有毒有机污染物质生物转化类型 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出体外；另一方面也会改变有机毒物的毒性，多数是毒性减小，少数毒性反而增大。

1、氧化反应类型 （1）混合功能氧化酶加氧氧化 混合功能氧化酶又称单加氧酶，功能是利用细胞内的分子氧，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。在该过程中，细胞色素P450酶起着关键作用。活性部位是铁卟啉的Fe，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，能催化很多底物 碳双键环氧化

碳羟基化 qiang

氧脱烃 Ting烃：碳氢化合物

硫脱烃、硫－氧化及脱硫

氮脱烃、氮－氧化及脱氮

（2）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体的酶类。脱氢酶能使相应的底物脱氢氧化。 醇氧化成醛 醇氧化成酮 醛氧化成羧酸

（3）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。氧化酶能使相应的底物氧化。

2、还原反应类型 （1）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。 （2）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。

（3）偶氮还原酶还原：偶氮还原酶能使偶氮化合物还原，生成相应的胺。（增毒反应） （4）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 （1）羧酸酯酶使酯水解 （2）磷脂酯酶使磷脂水解

（3）酰胺酶使酰胺水解

4、若干重要结合反应类型 （1）葡萄糖醛酸结合：在葡萄糖醛酸转移酶的作用下，在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、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。

该结合反应在生物中很常见，也很重要。由于葡萄糖醛酸具有羧基（pKa=3 该结合反应在生物中很常见，也很重要。由于葡萄糖醛酸具有羧基（pKa=3.2）及多个羟基，所以结合物呈现高度的水溶性，而有利于自体内排出。葡萄糖苷酸结合物的生成，可避免许多有机毒物对RNA、DNA等生物大分子的损伤，而起到解毒作用。 但也有少数结合物的毒性比原有机物质更强。如与2－巯基噻唑相比，其葡萄糖苷酸结合物的致癌性更强。

（2）硫酸结合 在硫酸基转移酶的催化下，可将3’－磷酸－5’－磷硫酸腺 苷中硫酸基转移到酚或醇的羟基上，形成硫酸酯结合物。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，形成巯基尿酸结合物。 巯基：有机化合物中含硫和氢的基

六、有毒有机污染物质的微生物降解 1、烃类 碳原子数>1的正烷烃：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β-氧化进入TCA循环，最终降解成二氧化碳和水。 化学式字母错显示在下行

烯烃：①烯烃的饱和末端氧化、再经与正烷烃相同的途径成为不饱和脂肪酸；②或者是烯的不饱和末端双键环氧化成为环氧化合物，再经开环形成二醇至饱和脂肪酸。然后，脂肪酸通过β-氧化进入TCA循环，降解成二氧化碳及水。

苯的微生物降解 脂环烃——由碳原子相互连接成环，性质与开链烃相似的环状碳氢化合物。 >脂环烃

2.农药 苯氧乙酸是一大类除草剂。其中2，4－D乙酯微生物降解的基本途径如下：

对硫磷的可能降解途径 氧化（Ⅰ）：表现为硫代磷酸酯的脱硫氧化； 水解（Ⅱ），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（III），包括硝基变为氨基，对硝基苯酚变为氨基苯酚。

DDT 的降解

七、氮和硫的微生物转化 1、氮的微生物转化 氮的形态，转化过程：同化、氨化、硝化、反硝化及固氮。 同化：绿色植物和微生物吸收硝态氮和氨态氮，组成机体中蛋白质、核酸等含氮有机物质的过程。 氨化：生物残体中的有机氮化物，经微生物分解成氨态氮的过程。

硝化：氨在有氧条件下通过微生物作用，氧化成硝酸盐的过程。 参与的微生物为自养型细菌，但是要求在有机质存在条件下活动。

硝化菌对环境条件呈现高度敏感性：严格要求高水平的氧；需要中性及微碱性条件，当pH=9. 5以上时硝化细菌受到抑制，而在pH＝6 硝化意义：植物摄取氮的最为普遍形态是硝酸盐。水稻等植物可利用氨态氮，然而这一氮形态对其它植物是有毒的。当肥料以铵盐或氨形态施入土壤时，上述微生物将他们转变成一般植物可利用的硝态氮。

反硝化：硝酸盐在通气不良条件下，通过微生物作用而还原的过程。有三种情形： Ⅰ.包括真菌和放线菌在内的多种微生物，能将硝酸盐还原为亚硝酸。 Ⅱ.兼性厌氧假单胞菌属、色杆菌属等能使硝酸盐还原成氮气或一氧化二氮。 Ⅲ.梭状芽孢杆菌等常将硝酸盐还原成亚硝酸盐和氨，直接发生同化作用。

厌氧条件，环境氧分压越低，反硝化越强；有丰富的有机质作为碳源和能源。 反硝化意义：过程中形成的氮气、一氧化二氮等气态无机氮的情况是造成土壤氮素损失、土肥力下降的重要原因之一。但在污水处理工程中却常增设反硝化装置，使气态无机氮逸出，以防止出水硝酸盐含量高而在排入水体后引起水体富营养化。

固氮：通过微生物的作用把分子氮转化为氨的过程。此时，氮不释放到环境中，而是继续在机体内进行转化，合成氨基酸，组成自身蛋白质等。固氮必须在固氮酶催化下进行，其总反应方程式表示为： 固氮作用的微生物：根瘤菌•厌气的梭状芽孢杆菌属•蓝细菌 过量的无机氮经反硝化经地表或地下水进入水体，造成不少水体富营养化和硝酸盐污染；地表高水平硝酸盐经反硝化产生的过剩氧化二氮，使一些环境科学家担心其上升到同温层，可能会引起大气臭氧层的耗损。

2、硫的微生物转化

八、重金属元素的微生物转化 1、汞 元素汞；无机汞；有机汞 甲基汞——水俣病 元素汞；无机汞；有机汞 甲基汞——水俣病 甲基化作用：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，称汞的甲基化。 利用机体内的甲基钴氨蛋氨酸转移酶，辅酶为甲基钴氨素（含钴的一种咕啉衍生物）。

汞的生物去甲基化 汞的迁移转化 ①汞能够以0价存在于气、水、土中，因为其具有很高的电离势 ②汞及其化合物均易挥发：有机汞> 无机汞，甲基汞和苯基汞挥发性最大；无机汞以HgI最大，HgS最小。

乙烷

2.砷

砷的毒性 砷的微生物甲基化基本途径；发生条件 砷的微生物去甲基化

3.硒 最适宜的浓度范围很窄。 微生物参与硒的转化有以下几个情况： a.有机硒转化为无机硒 b.硒化合物甲基化 c.还原成单质硒 d.单质硒的氧化

铁细菌是自养菌，如氧化亚铁硫杆菌。铁细菌作用致使管道阻塞；使酸性矿水形成。酸性矿水的形成：黄铁矿在铁细菌作用下，发生以下反应： 4.铁 铁细菌是自养菌，如氧化亚铁硫杆菌。铁细菌作用致使管道阻塞；使酸性矿水形成。酸性矿水的形成：黄铁矿在铁细菌作用下，发生以下反应： 以上反应联合构成一个由铁细菌发挥重大作用的溶解黄铁矿的 循环过程，生成大量硫酸，加剧了矿水的酸化，有时能使pH 值下降至0.5。

九、污染物质的生物转化速率 1、酶促反应的速率 （1）米氏方程

（2）影响酶促反应速率的因素 pH的影响：各种酶的最适pH一般在5-8范围内 温度影响：随着温度上升，酶反应速率明显增加，直至最高点，以后随着酶的热致变性速率随之增大，使酶反应速率显著减小。酶反映速率达到最高点的温度，称为酶的最适温度。在最适温度前每提高10℃，酶反应速率增加1-2倍；各种酶的最适温度常在35-50℃区间。

抑制剂 抑制剂：能减小或消除酶活性，而使酶的反应速率变慢或停止的物质。 不可逆抑制剂：以比较牢固的共价键同酶结合，不能用渗 析、超滤等物理方法来恢复酶活性的抑制剂。 可逆抑制剂：同酶的结合处于可逆平衡状态，可用渗析法 除去而恢复酶活性的物质，包括竞争性抑制和非竞争性抑制。

2、微生物反应的速率 (1)微生物反应速率方程 −dc/dt=−kcn

（2）有机物质化学结构的影响