重金属致毒的化学机理
重金属对微生物毒性效应研究
武汉工业学院毕业论文论文题目：重金属对微生物毒性效应研究姓名学号院系化学与环境工程学院专业环境工程指导教师2010年5月15日目录中文摘要 (Ⅰ)英文摘要 (Ⅱ)1.前言 (1)1.1 重金属对微生物毒性研究现状 (1)1.2 本实验研究的目的和意义 (3)2．大肠杆菌、荧光假单胞菌和枯草芽孢杆菌的简介 (4)2.1 大肠杆菌的简介 (4)2.2 荧光假单胞菌的简介 (4)2.3 枯草芽孢杆菌的简介 (5)3．汞，铬，镉，铅对大肠杆菌，荧光假单胞菌，枯草芽孢杆菌毒性的实验研究 (7)3.1 细菌在重金属污染下存活数量 (7)3.1.1 实验材料和仪器 (7)3.1.2 实验步骤 (7)3.1.3 结果与分析 (7)3.2 细菌在受到重金属污染后在细胞水平上的研究 (9)3.2.1实验材料和仪器 (9)3.2.2 实验步骤 (9)3.2.3 结果与分析 (10)3.3 单细胞凝胶实验 (12)3.3.1 实验材料和仪器 (12)3.3.2 实验步骤 (12)3.3.3 结果与分析 (13)4．微生物和重金属相互作用的应用范围及发展前景 (15)4.1 微生物和重金属相互作用的应用范围 (15)4.1.1 重金属污染的微生物学评价 (15)4.1.2 微生物在环境保护中的应用 (15)4.2 重金属和微生物相互作用的发展前景...................．16 谢辞 (17)参考文献 (18)摘要微生物不仅种类繁多，数量极大，分布广泛，而且具有繁殖迅速，个体微小，比表面积大，对环境适应能力强等特点，因而成为人类最宝贵、最具开发潜力的资源库之一。
作为分解者，微生物在地球生态系统的物质循环过程中起着“天然环境卫士”的作用。
众所周知，重金属不能被微生物降解并且对它们有毒害作用，本次实验是以四种常见的重金属离子+2H g、+6Cd、+2P b对大肠杆菌、荧光假单Cr、+2胞菌、枯草芽孢杆菌三种细菌生长过程的毒性研究。
重金属原理
重金属原理
重金属污染原理及其影响
重金属是指相对密度大于4.5g/cm³的金属元素，如汞、铅、铬、镉、砷等。
由于其化学性质稳定，不易降解，且对环境和人体健康造成严重影响，被广泛认为是一种有害物质。
重金属的污染主要来源于工业排放、废水及废气排放等。
重金属的原理主要包括生物积累、迁移和转化。
一般情况下，重金属进入生物体后会经过一系列的转化作用，从而导致其积累在生物体内，进一步诱发各种健康问题。
重金属在土壤中的迁移主要取决于土壤pH值、含水量以及土壤中的有机质含量
等因素。
当重金属进入水体后，由于其不易挥发及分解，会沉积在河底或湖泊底泥中，对水生生物造成威胁。
重金属污染对环境和人体健康的影响是十分严重的。
重金属可以通过空气、水和食物等途径进入人体内部，对脑部、心血管系统、肝脏、肾脏等器官造成损害，并且还可能引发各种慢性病，如癌症、免疫系统疾病等。
此外，重金属还对环境的生物多样性和生态系统稳定性产生不可逆转的破坏。
为了解决重金属污染问题，需采取科学有效的措施。
首先，要加强对重金属污染的监测和预警工作，及时发现和防范重金属污染的潜在风险。
其次，应加强对工业生产过程的管控，减少重金属排放。
此外，还需加强土壤和水体的修复工作，降低重金属的含量。
对于已经受到重金属污染的区域，应采取有效的修复方法，恢复其生态系统的功能。
综上所述，重金属污染具有严重的危害性，引起了广泛的关注。
只有通过加强监测、管控和修复等措施，才能有效预防和治理重金属污染，保护环境和人体健康。
《重金属的毒性》PPT课件
• 脂质过氧化学说:一些学者通过对大鼠游离肝细胞甲基汞 中毒的脂质过氧化研究,发现甲基汞的肝细胞失活和它的 脂质过氧化作用皆与其浓度和作用时间有关。
第三节、铅（lead, Pb）
• 铅还抑制红细胞膜上Na+-K+-ATP酶和抑制磷酸戊 糖旁路导致溶血。居住在工业区和重交通区的孩 子平均血铅量为218~679ug/L。血铅水平>100 ug/L 人口比例为64.9%~99.5% 。
2、铅对神经系统的影响
• 人体的中枢神经系统是生命活动的总管，它的 机能状态在铅中毒病程中起主导作用。
• 元素汞可顺利通过血脑屏障进入脑组织，在脑组织中 的元素汞被氧化转化为二价汞离子后，就很难逆向通 过血脑屏障返回血液；
• 因而形成汞离子在脑组织中的积累，这一性质对脑组 织损害起着重要作用。这也是慢性中毒首先表现为神 经系统症状的重要原因。
（二）无机汞化合物
• 无机汞化合物（如汞的硫化物、氯化物、氧化物 等）只有离子态汞才能被吸收（通过胃肠道和呼 吸道）。
• 铅可抑制肝脏混合功能氧化酶合成，导致肝脏 生物转化作用受损，降低肝脏解毒功能。
• 铅还可影响人类生殖功能，使精子畸变；母体 铅可经胎盘影响胎儿发育，致使胎儿发生畸形， 对人类的繁殖造成严重危害。
第四节、镉（Cadmium，Cd）
一、镉污染的来源
原料或催化剂用于生产塑料、颜料和试剂。由于镉 的抗腐蚀性及抗摩擦性强，也是生产不锈钢、电镀以 及雷达、电视荧光屏等的原料。镉在航空、航海上也 有广泛用途。这些是镉的来源。 在很多重要的合金中，都含有镉。它可增加铜的硬 度并增加其在高温时的强度。这种铜—镉合金被用于 冷却装置，如用作汽车的散热器片。这种金属也用作 某些焊料。最重要的用途是在碱性蓄电池中用作电极 部件。
环境化学简答题
1、试述酸雨的主要成分、成因及危害，写出有关化学反应式。
主要成分：酸雨中绝大部分是硫酸和硝酸，以硫酸为主成因：酸雨的形成涉及一系列复杂的物理、化学过程，包括污染物迁移过程、成云成雨过程以及在这些过程中发生的均相或非均相化学反应等；危害：1.使水体酸化，造成江河湖泊的生态环境紊乱；2.使森林大片死亡。
酸雨侵入树叶气孔，妨碍植物的呼吸；3.造成土壤矿物质元素流失，导致土壤贫瘠化，使农作物大面积减产；4.使土壤的有毒金属溶解出来，一方面影响植物生长，另一方面造成有毒金属迁移； 5.腐蚀建筑物、文物等。
有关方程式：SO2 和NOx 的排放是形成酸雨的主要起始物SO2 NOx S O 2 + [O ] → S O N O + [O ] → N O 3 SO 3 3 +H 2 O → H 2 2 SO 4 2 2N O 2 +H 2 O → H N O +H N O2、写出光化学烟雾的链反应机制链引发自由基传递终止。
（附图）3、为什么排放到大气中的CFCs 能破坏臭氧层，写出有关化学反应式。
CFCs 在对流层中存在，是破外臭氧层的主要原因，CFCs 不溶水，稳定性高，被热空气带到平流层，CFCs 在平流层受强烈紫外线照射而分解产生氯，氯会与臭氧反应，生成氧化氯自由基(ClO)：Cl+O3→ClO+O2 ClO+O→Cl+O2 即O3+O3→3O2 由此可见，氯在分解臭氧的反应中作为催化剂以促使较臭氧反应成氧，而氯在反应中循环出现，因此少量的氯在重新分配的过程中，就能造成大量的臭氧分解。
4、汽车尾气最主要的成份都有哪些？分析各成份具有的潜在危害。
成份：CO、CHx、NOx、SO2、烟尘微粒(重金属化合物、铅化合物、黑烟及油雾)、臭气(甲醛等)。
最主要的危害：形成光化学烟雾。
CO：导致组织缺氧，引起头痛等；NOx：进入肺泡形成亚硝酸和硝酸，造成肺气肿。
亚硝酸盐造成高铁血红蛋白，引起组织缺氧。
CHx：多环芳烃、苯并芘等致癌物。
环境中重金属的毒性
影响皮肤吸收的因素
脂溶性强的金属化合物易通过皮肤，透过毛细 血管进入血液的扩散速度取决于水溶性，脂/ 水分配系数接近1的化合物最易被皮肤吸收； 未电离的分子比离子态易吸收； 皮肤角质层的厚度、接触面积、完整性等 皮肤接触有机溶剂时金属元素也易通过
周围环境温度在20~25℃，每升高10 ℃，皮肤 穿透性增加1~2倍；湿度上升，穿透力也随之 增大。
（三）分布
不同器官对不同金属的选择性明显不同； 元素的分布主要取决于器官的血流量， 血流供应越丰富，元素分布越多；随后 元素发生再分布，主要受与器官亲和力 大小的影响。 金属元素的分布与金属的浸入途径、溶 解度、化学形式、代谢特点、毒性性质 及器官特点等有关。
例： 经过肺吸入的水蒸气，主要随血流分布 在脑组织，引起脑损伤； 水溶性的汞离子，很难通过血脑屏障， 进入脑组织很少； 脂溶性较强的烷基汞，可通过血脑屏障 进入脑组织。
（4）肠道微生物与肠道粘膜竞争金属元 素：
有的微生物分泌特殊的螯合剂与铁形成易被微 生物吸收的铁螯合剂（铁色素），使粘膜细胞 难以吸收利用。
（5）年龄的影响：
婴幼儿对环境种金属污染较敏感，乳儿期肠粘 膜未成熟，胞饮作用大于成人，因而对Pb、 Cd、Fe、Co等的吸收率高。
（6）膳食成分
第二篇
不同环境因素的毒性
第七章
一、概述
主要环境污染物的毒理学
第一节 重金属的毒理学
金属：元素周期表中 从硼（B）砹（At） 连接线 左侧除氢之外 所有元素的总称。
一、重金属
比重>4.0: 60种元素 比重>5.0: 45种元素 环境科学中所研究的重金属，主要是指汞、 铜、镉、铅、锌、铬等元素，还有银、锡、 钴、镍、硒等。砷、硒的毒性和某些性质 与重金属相似，归入重金属。
重金属对水生生物的毒理作用
重金属对水生生物的毒理作用摘要：随着社会的不断地发展，人类片面追求经济效益，致使我们生存的环境日益恶化。
尤其是近年来，环境污染问题成了全世界各国家最关注的问题。
工业生产排放的“三废”物质、农业中杀虫剂、农药的大量使用、城市生活的废弃物等等，使我们的水环境受到各种有机污染物、无机污染物、重金属离子和放射性物质的污染，致使水生生物生存受到威胁。
其中重金属作为一类主要的污染物对水生生物的毒害作用，也日益受到人们的关注。
不为水生生物所必需如汞、镉、铅等不具备任何生理功能相反影响生物生长，以及如铜、锌、镍等在高离子浓度下，具有明显毒性。
水体中的过量重金属除直接对水生生物造成毒害外，还能经由生物体富集和食物链传递，通过海产品进入人体并造成危害。
世界八公害里的日本水俣病、痛痛病都是由重金属所引起的群体性疾病。
关键词：重金属，水污染，疾病随着工、农业的日益发展，人类赖以生存的环境受到越来越严重的干扰和破坏，各种环境污染问题凸显。
尤其是工、农业废水的排放，造成水体环境中重金属污染日趋严重；此外，大气尘粒的沉降和雨水对地面的冲刷，都使重金属进入江河湖泊中造成水体污染，毒害到水生生物乃至对人类的健康造成极大威胁。
相应水域的重金属污染日趋严重，水生生物的生存环境面临极大隐患。
水生生物对重金属的富集和累积作用，超过它们的承受能力，从而给它们的繁殖、发育、生长、生理机能等方面带来毒性危害；同时还造成它们遗传基因发生变异和突变，面临生存、物种多样性、免疫抵抗力等方面的挑战，也会对水产养殖业造成很大损失；重金属在水生生物的富集和积累并通过食物链最终传递给人，给人们身体健康带来危害。
因此，研究重金属对水生生物的毒害作用已刻不容缓，研究重金属对水生生物的毒性作用有很大的理论价值和经济意义。
1 重金属的来源、形态和理化特征1.1 重金属的来源所谓重金属，就是指密度大于5g/Cm3的金属，对于生物体而言，有些对于它们是必须的，如铜、铁、锌、镁、锰等，有些是非必须的，如镉、汞、铬、铅、镉等。
7-1章-重金属污染生态毒理
（6）电化法 Ribeiro和Villumsen等研究了应用电动力学方法去 除土壤中As的方法。研究表明，电流能打破金属-土 壤键，当电压固定时，去除效果与通电时间成正比。
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2、生物调控
（1）植物调控技术
利用一些植物来促进重金属转变为可挥发的形态，
进而挥发出土壤和植物的表面，以达到去除As污染
远程传输及沉 降
径流 土壤圈 水体中的污泥
水圈
铅在土壤—大气—水界面的循环
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二、毒作用机理与生态毒性效应
（一）毒作用机理
铅不是植物生长发育的必需元素，它进入植物体内
的过程主要是通过非代谢性的被动吸收。铅一旦进
100
客土10cm
客土13cm
15
20
221
456
13.0
10.6
9.8
5.9
22
客土工程措施优点：
治理效果彻底稳定，使用于大多数污染土壤的
治理。
缺点：
工程措施投资大，易引起土壤肥力下降，更适
用于小面积重度污染区的修复。
23
（2）增施固化剂 Durtre采用水泥和（或）石灰固化稳定法，对As污
高。环境中的铅可在大气、土壤、水体界面间不
断地转移。
34
（一）大气铅暴露途径
大气铅有天然暴露来源和人为暴露来源两类。
天然暴露来源主要有岩石风化、土壤侵蚀、火山喷
气、森林火灾的烟雾和海洋气溶胶。
人为暴露来源主要有冶金厂、化工厂、农药厂、电
池厂以及煤、油、城市垃圾的燃烧。
进入生态系统的铅量主要是来自汽车废气。
As浓度（mg/kg） 0 25 50 100 200-1000
【卫生学 职业环境与健康】第二节 生产性毒物(重金属和有机溶剂)
卫生部：2013年全国报告新发职业病26393例
• 急性职业中毒事故284起，中毒637例，死亡25例。引 起中毒起数和人数最多的化学物质是CO，共发生80起 303人中毒。
• 慢性职业中毒904例，以有色金属、轻工(农副食品加 工、电子、制鞋等行业)、冶金、机械和化工行业居 多。引起中毒的化学物质主要是苯、砷及其化合物和 铅及其化合物(不含四乙基铅)，分别为285例、232例 和231例。
• 诊断：按照我国《职业性慢性铅中毒诊断 标准》（GBZ37-2002）进行
• 治疗：驱铅治疗，首选药物是依地酸二钠 钙及二巯基丁二酸钠等金属络合剂；对症 治疗
（六）预防
1、以无毒或低毒物代替铅。 2、降低车间空气中铅浓度。 ① 加强工艺改革，减少手工操作：使生产过程机 械化、自动化、密闭化。 ② 加强通风。 ③ 控制熔铅温度，减少铅蒸气逸出。 3、加强个人防护： 4、建立定期检查制度： 5、医学监护：就业前体检和定期对工人进行体检。
（三）毒理
1.吸收
汞蒸气具有高度弥散性和脂
呼吸道 溶性，易通过肺泡壁吸收
血
（70%-80%）
汞
消化道:主要见于汞化合物，多由生活因素引起
皮肤:金属汞少量，有机汞可吸收
非氧化态的汞蒸气易通过血-脑脊液屏障及胎盘，因此金属汞 对中枢神经系统及胎儿的毒性远较无机汞化合物强，进入脑 组织的汞不易排出，生物半减期较长
的下方 易燃易爆（爆炸极限1.4%〜8%)
2.接触机会 苯的生产过程； 作为有机化学合成中常用的原料； 作为溶剂、萃取剂和稀释剂； 用作燃料。
3.毒理
1）（少量）
分布 代谢
骨髓、脑组织
血液 原形态（50%) 氧化（40%） 肝脏
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进入有机体的重金属元素,在与生物大分子 的配位结合中,以各种方式破坏或干扰了有 机体的正常生理活动。下面的例子具体说
明这一问题。
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化学结构原理在金属致毒机理中的应
用 Pb(Ⅱ)对Ca(Ⅱ)的抗拮作用
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Pb(Ⅱ)对Ca(Ⅱ)的抗拮作用
生物体内的硬组织(骨胳、牙齿等)称为生物矿物。由钙参 与的生物矿化是生物体内进行的重要无机化学反应。生 物体从环境中摄取的Ca2+,大部分被转化成难溶盐。难溶 盐的生成与溶解构成了钙化与脱钙的可逆过程:
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图3[3]示出的金属离子半径变化趋势曲线表明,过渡金属离 子中,半径的变化并不大。Cd2+,Hg2+,Pb2+的离子半径就与 Ca2+接近。不仅如此,一些重金属同具有生命功能的过渡金 属和钙元素相比,其络合物稳定常数 logK及溶度积Ksp的值也很接近
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这样,在有机体对阳离子的吸收中,一些重金属离 子便可能通过电荷相同,电子构型相似,离子半径 相近的必需金属离子的吸收途径进入有机体内。
出两类元素在化学结构上的区别。如图1[1]所示,大多数 必需元素居于周期表前部,除I,Mo外,全部在前面34种元素 之中。有害元素则几乎都位于周期表后部,除Be外,它们都 在第5和第6周期的后段,属于重金属元素
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3
生物分子配体的结构特点
生物配体分子的原子及基团之间的相互作 用,较之一般无机或有机分子,在性质与程度 上都更为丰富而多变,呈现出一种多级作用 的特色
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相对静止的基本结构使大分子在反应中有
一定的模式与选择性,动态的构象变化则可 以调节分子的反应能力。这种刚柔相济、
动静结合的结构特点,既赋予金属-生物大分 子配合物完成特定生理作用的能力,也带来 有害金属改变正常生理结构,导致生物体中 毒的可能性
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金属致毒机理在分子水平上的3种类型
对于一些能迅速形成金属有机化合物的重金属,例 如汞的烷基化合物一甲基汞、二甲基汞等,由于对 细胞膜的亲合性,比二价离子更容易通过细胞膜, 有机体对这类化合物的选择性就更低。另外,生物 大分子众多配位点中的“软碱”(如S2-,-SH等),与 属于“软酸”及“中界酸”的Hg2+,Cd2+,Pb2+之 间的亲合作用,也是这些重金属元素进入有机体的 重要渠道
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取代金属的配键构型对锌酶活性的 影响
作为生物体必需的微量元素,锌参与了各种酶的组 成或作为酶的激活剂。锌与生物分子配位结合时, 配位键的空间构型常取四面体型,这种指样结构被 称为锌指结构。它在锌元素的生理功能中起着特 殊的结构上的作用
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4
生物大分子内和生物大分子间的各种相互作用有:
• 生物大分子内和生物大分子间的各种相互作用有:
①高强度、定向性的共价相互作用;
②分子内荷正电与荷负电部位的静电作用;
③具有方向性的氢键作用;
④非键原子间的色散作用;
⑤疏水键作用。
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大分子中疏水的侧链将尽量避免与水分子
接触而形成疏水区。疏水区周围的水分子
摄入的有害金属阻碍生物大分子的重要功 能;
有害金属取代生物大分子中的必需金属,使 其丧失生物活性;
有害金属改变生物大分子活性部位的构象, 从而改变其生物活性
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从重金属致毒的角度看,由于生物大分子可 以有多个不同的配位点,同一金属在不同条 件下可与不同配位点结合;当某一配位点在 空间及电子构型上对几种金属离子都相宜
作用的基础上,生物大分子配体具有刚性与 柔性相结合的特点。刚性指成键原子间固
有的键长与键角并不轻易变形,只有微小的 相对振动。柔性指局部区域非化学键作用
的变化,它将导致构象改变
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7
图2[2]为Cd(Ⅱ )-金属硫蛋白的簇状结构。金属Cd(Ⅱ)周围结构是 相对刚性的,其他无规则连接部分则是
柔性的
• Ca2++CO2-3 钙化脱钙
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与Ca2+电荷相同,半径相近的Pb2+有机体在吸收 时并无很高的选择性,而Pb2+较大的半径使得它 与PO3-4的匹配比其他阳离子更好(半径比效应)。
它们形成的难溶磷酸盐导致了基本生物阴离子水 平降低,从而使有机体钙化与脱钙的可逆平衡失控 ,硬组织的生理性强度便会受到影响
重金属致毒的化 学机理
主讲人：连晓辉 材料化学1班
START
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1
1 金属毒性与金属-生物分子配体的特 殊结构
目录
2 化学结构原理在金属致毒机理中的应 用
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2
目前人体内发现的60余种元素中,27种有确凿证据表明它 们参与了生物化学过程,称之为生命元素。另有一类危害 人体健康的便是毒性元素。它们在周期表中的位置反映
便排列有序而使能量升高。当分子内或分
子间的2个疏水部位靠近时,一部分有序排 列的水分子被挤出,又成为无序状态,体系的 熵值便会增加,自由能下降,从而使两疏水部 位的“结合”稳定化。这种结合就称为疏
水键
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共价键决定大分子的一级结构,其他相互作 用则构成大分子的次级键。在发生构象变
化或分子变形时,这些次级键易断裂破坏,使 分子运动中存在较多自由度。在这种多级
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这个过程需要触突膜两侧离子浓度维持不均衡状
态(形成一种化学电势),这是由腺苷三磷酸(ATP)裂 变的能量维持的。该裂变通过ATP酶实现。作为 生物体内多种酶活化剂的钙调蛋白CaM也是ATP 酶的活化剂。但通过Ca2+吸收途径进入体内的 Pb2+,却强烈抑制ATP酶的活化,而破坏触突膜两侧 正常电势,导致神经系统的铅中毒
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作为调节细胞多种生理活动的Ca元素,在神经功能中发挥 着重要作用,例如携带感觉信息的神经传质分子(如乙酰胆 碱、3-羟酪胺、去肾上腺素等)在神经触突中的运动(图4)。 神经触突是神经长链中充满水状液体的间隔。作为一种
化学开关,在神经传质分子通过触突图4 神经触突传递感 觉信息示意图
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时,它们可以同时争夺这一配位点;多配位能 力还使大分子配体易形成螯合物及大环配
合物,重金属元素的致毒性经常与这种“配 位笼”在电子结构与空间构型上的选择性
联系在一起。
ห้องสมุดไป่ตู้
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生物分子的吸收选择性与金属离子 结构
生物配体分子在吸收金属阳离子时,赖以识 别和选择的基本因素,有离子的电荷与大小, 以及由离子电子结构决定的对配位原子的 亲合性