污染物在生物体内的迁移与生物效应

第五章 生物体内污染物质的运动过程及毒性知识点：污染物在生物体内的转运；生物转化教 学 内 容主要介绍污染物质与生物机体之间的相互作用，包括生物机对污染物质的吸收、分布、转化、排泄等过程和污染物质对机体毒性两方面的内容。

重点：污染物沿食物链的浓缩与累积放大过程及影响因素。

难点：耗氧和有毒有机污染物质的微生物降解。

教 学 要 求1、了解酶的分类及若干重要辅酶的功能。

2、掌握污染物质在机体内的生物富集、生物放大和生物积累。

3、掌握耗氧和有毒有机污染物质的微生物降解。

4、掌握米氏方程及影响酶促反应速率的因素，了解微生物反应速率方程及影响微生物反应速率的因素。

5、掌握毒物的协同作用、相加作用、独立作用和拮抗作用，了解环境和生物体中的部分“三致”毒物。

第一节 物质通过生物膜的方式一、生物膜的结构生物膜是由磷脂双分子层和蛋白质镶嵌组成的，厚度约为75-100A 的流动变动复杂体。

在磷脂双分子层中，亲水的极性基团排列于内外两表面，疏水的烷链端伸向内侧，所以，在双分子层中央存在一个疏水区，生物膜是类脂层屏障。

膜上镶嵌的蛋白质的亲水端也都露在双分子层的外表面。

这些蛋白质各具一定的生理功能，或是转运膜内外物质的载体，或是起催化作用的酶，或是能量转换器等。

在生物膜中还间以带极性、常含有水的微笑孔道，称为膜孔。

二、物质通过生物膜的方式物质通过生物膜的方式根据机制分为以下五类：1、膜孔滤过细胞膜上具有充满水分的小孔，水及水中的小分子物质或离子，可借助膜两侧静水压及渗透压透过细胞膜称作膜孔滤过。

毒物滤过膜孔的速度主要取决于膜孔的大小。

2、被动扩散脂溶性物质从高浓度侧经细胞膜向低浓度侧的转运过程为被动扩散。

多数外源性毒物常以这种方式通过细胞膜。

扩散速率服从费克定律：xc DA dt dQ ∆∆-= 式中：dtdQ ——单位时间垂向扩散通过膜的物质的量。

c ∆——膜两侧物质的浓度变化量。

x ∆——膜厚度。

D ——扩散系数。

A ——扩散面积。

Q ——为扩散量。

扩散系数取决于通过物质的分子结构、脂溶性及带电情况和膜的性质。

一般脂/水分配系数越大，分子越小，或在体液PH 条件下离解越少的物质，扩散系数越大，而且容易扩散通过生物膜。

被动扩散不需要消耗能量，不需要载体参与，因而不会出现特异性选择，竞争性抑制的饱和现象。

3、被动易化扩散某些物质借助膜上一些特异性蛋白载体的帮助，由高浓度处经细胞膜向低浓度处扩散的转运为被动易化扩散。

扩散速率与膜上载体的数量有关。

存在特异性选择、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，一些分子量较大的水溶性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。

这一转运为主动转运。

所需能量来自于膜的三磷酸腺苷酶分解三磷酸腺苷（ATP ）成二磷酸腺苷（ADP ）和酸磷时所释放的能量。

这种转运与膜的高度特异性载体及其数量有关。

存在特异性选择、竞争性抑制和饱和现象。

例：KP P K →++ +++→+K ADP PP ATP KP5、胞饮和胞吞某些固态物质与细胞膜上某种蛋白质有特殊亲和力，当其与细胞膜接触后，可改变这部分膜的表面张力，引起细胞膜的外包或内陷，将固态物质包围进入细胞，这种方式称胞吞，如为液态物质，称为胞饮。

对于由网状内皮系统清除肺泡里的微粒和血液中的某些毒物具有重要意义。

总之，外来物质以何种方式通过细胞膜，主要取决于：①细胞膜的结构②毒物本身的化学结构和理化性质。

易化扩散和主动转运是正常营养物质及其代谢产物通过细胞膜的主要方式。

除与正常营养物质及其代谢产物类似的毒物外，大多数物质是以被动扩散方式通过细胞膜。

膜孔滤过不是主要方式。

第二节污染物质在机体内的转运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。

其中转运包括吸收、分布和排泄。

消除包括排泄和生物转化。

一、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。

吸收主要途径是消化道、呼吸道和皮肤。

1. 消化道消化道是吸收污染物最主要途径。

吸收主要部位在小肠，其次是胃。

影响吸收的因素：污染物脂溶性：脂溶性越强，被小肠吸收越快。

pH：小肠液pH≈6.6、胃液pH≈2，有机弱碱在小肠中吸收比胃中快；虽然有机酸在胃中比在小肠中利于吸收，但小肠吸收面积大且血流速快，因此还是小肠中吸收快。

血流速度：对于脂溶性污染物，血流速度快，机体对污染物吸收速度大；一些极性污染物，脂溶性小，扩散为限速因素，对血流速度不敏感。

2. 呼吸道呼吸道是吸收大气污染物的主要途径。

主要吸收部位是肺泡。

气体污染物可直接进入肺部而转入血液。

>2.5um粒径颗粒部分会留在鼻咽部，易通过人体活动排出。

呼吸0.5~2.5um粒径颗粒部分可进入支气管，粘于粘液层并排出。

<0.5um粒径颗粒部分可深入肺部，部分被溶出进入体液。

3. 皮肤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，在滤过真皮中的毛细血管壁膜而进入血液。

具有水溶性兼脂溶性的低分子污染物（分子量＜300）如酚、苯胺等较易通过皮肤进入机体。

此外，人体可通过出汗排污，但是次要途径。

二、分布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。

在污染物质的分布过程中，污染物质的转运以被动扩散为主。

脂溶性物质容易通过生物膜，此时，组织血流速度是分布的限速因素。

具有膜屏障的组织。

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血脑屏障，此时，污染物经膜的通透性是限速因素。

污染物质由母体转运至胎儿体内，必须通过由数层生物膜组成的胎盘，称为胎盘屏障，也同样受经膜通透性限制。

污染物常与血浆蛋白的结合。

污染物常与血液中的血浆蛋白质结合，该结合呈可逆性。

三、排泄排泄是污染物质及其代谢物质向机体外的转运过程。

排泄器官有肾、肝胆、肠、肺、外分泌等，而以肾和肝胆为主。

1、肾排泄1、肾排泄：污染物通过肾随尿而排出的过程。

①肾小球毛细血管壁有许多的膜孔，大部分污染物质都能从肾小球滤过。

②肾的近曲小管，具有机酸及有机碱的主动转运系统通过这两个转运，使污染物进入肾管腔从尿液中排出。

③肾的远曲小管：对滤过肾小球溶液中的污染物质可以被动扩散进入重吸收，使之在不同程度上又返回血液。

肾小管液的PH对重吸收也有影响，呈酸性时，有机酸解离少易被重吸收，而有机酸碱解离多难被重吸收，呈碱性时，恰好与前相反。

总之，肾排泄污染物质的效率是肾小球滤过，近曲小管主动分泌和远曲小管被动重吸收的综合效果。

是污染物的一个主要排泄途径。

2、肝胆系统的胆汁排泄胆汁排泄是指主要由消化管及其他途径吸收的污染物质，经血液到达肝脏后，以原物或其代谢物和胆汁一起分泌至十二指肠，经小肠至大肠内，再排出体外的过程。

污染物在肝脏的分泌主要是主动转运，被动扩散较少。

排泄物中，少数是原形物质，多数是代谢产物，所以胆汁排泄是原形污染物排出体外的一个次要途径，是代谢产物的主要排除途径。

一般分子量在300以上、水溶性大的化合物，胆汁排泄良好。

四、蓄积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、脂肪组织和骨酪。

污染物质常与血浆蛋白结合而蓄积。

蓄积部位中的污染物质，常同血浆中游离型污染物质保持相对稳定的平衡。

毒物吸收、分布、排泄、蓄积图解第三节污染物质的生物富集、放大和积累一、生物富集生物富集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，使其在机体内的浓度超过周围环境中浓度的现象。

生物富集用生物浓缩系数(BCF)表示，即BCF=c b/c e (5—2)式中：BCF—生物浓缩系数c b—某种元素或难降解物质在机体中的浓度c e——某种元素或难降解物质在机体周围环境中的浓度，生物浓缩系数大小主要受污染物性质、生物特性和环境条件3方面因素的影响。

（1）物质性质方面主要影响因素是降解性，脂溶性和水溶性。

一般而言，降解性小，脂溶性较高，水溶性低的物质，BCF 高，反之，则低。

（2）在生物特征方面的影响因素有生物种类，在大小，性别，器官，生物发育阶段等（3）在环境条件方面的影响因素包括温度，盐度，水硬度，PH 值，氧含量和光照状况等。

从动力学观点来看，水生生物对水中难降解物质的富集速率，是生物对其吸收速率、消除速率以及由生物机体质量增长引起的物质稀释速率的代数和。

吸收速率(R a )、消除速率(R e )以及稀释速率(R g )的表示式为：R a =k a c w (5—3)R e =-k e c f (5—4)R g =-k g c f (5—5)式中：k a 、k e 、k g ——分别代表水生生物吸收、消除、生长的速率常数；c w 、c f ——分别代表水及生物体的瞬时物质浓度。

于是，水生生物富集速率微分方程为：f g f e w a fc k c k c k dt dc --= (5—6)如果富集过程中生物质量增长不明显，则k g 忽路不计，则上式简化成f e w a fc k c k dt dc -= (5—7)通常水体足够大，水中的物质浓度(c w )可以视为稳定。

又设t=0时，c f (0)＝0。

在此条件下求解(5—6)式、(5—7)式，得水生生物富集速率方程为：[]t k k k k c k c e g g e w a f )exp(1---+= (5—8) []t k k c k c e ew a f )exp(1--= (5—9) 从(5—8)式、(5—9)式看出，水生生物浓缩系数(c f /c w )随时间延续而增大，先期增大比后期迅速，当→∞时，生物浓缩系数依次为g e a wfk k k c c BCF +== (5—10) e a w fk k c c BCF == (5—11) 说明了在一定条件下生物浓缩系数有一阀值，此时，水生生物富集达到动态平衡。

生物浓缩系数指生物富集到达平衡时的BCF 值，并可由试验获得。

在控制条件下的实验中，可用平衡方法测定水生生物体内及水中的物质浓度，也可用动力学方法测定k a 、k e 和k g ，然后用(5—10)式或(5—11)式算得BCF 值。

水生生物对水中有较高脂溶性和较低水溶性物质的富集，以被动扩散通过生物膜的难降解有机物质，可简化为分配作用。

即这些有机物质在辛醇-水两相分配系数的对数(lgk 0w )与其在水生生物体中浓缩系数的对数(1gBCF)之间有良好的线性正相关关系，其通式为 IgBCF=a lgk 0w +b (5—12)式中的回归系数a 、b 与有机质的水生生物的种类及水体条件有关。