環(huán)境污染物在生態(tài)環(huán)境中的遷移與轉(zhuǎn)化 主要內(nèi)容 環(huán)境污染物在生態(tài)環(huán)境中的遷移與轉(zhuǎn)化 環(huán)境污染物與毒物 第一節(jié)環(huán)境污染物與毒物 1 1概念 1 2毒害過程和毒作用時相 1 3 1 4影響毒作用的主要因素 主要環(huán)境污染物及其毒理學效應 1 1概念 1 污染物 進入環(huán)境后使環(huán)境的正常組成和性質(zhì)發(fā)生變化 直接或間接有害于生物生長 發(fā)育和繁殖的物質(zhì) 2 環(huán)境污染物 由于人類的活動進入環(huán)境 使環(huán)境正常組成和性質(zhì)發(fā)生改變 直接或間接有害于生物和人類的物質(zhì) 3 毒物 對機體產(chǎn)生有害作用 毒作用 的化學物質(zhì) 環(huán)境污染物屬于毒物 具有相對性4 外來化合物 在所研究的生物體內(nèi) 正常情況下不產(chǎn)生的化合物 包括環(huán)境污染物 5 環(huán)境毒物 有毒化學物質(zhì)通過各種途徑排放至大氣 水源和土壤等人類環(huán)境中 通常稱為環(huán)境毒物 毒物的分類 按用途及分布范圍分 工業(yè)毒物 環(huán)境污染物 食品中有害成分 農(nóng)業(yè)化合物 嗜好品 化妝品 其他日用品 生物毒素 醫(yī)用藥物 軍事毒物 放射性同位素等按毒物作用于機體的主要部位 神經(jīng)系統(tǒng)毒物 造血系統(tǒng) 心血管系統(tǒng) 呼吸系統(tǒng) 肝 腎 眼和皮膚的毒物等按作用性質(zhì)分 刺激性 腐蝕性 窒息性 致敏 致癌 致突變 致畸毒物等 1 2毒害過程和毒作用時相 1 毒害過程時間尺度 瞬時生態(tài)毒害長期生態(tài)毒害空間尺度 微觀過程宏觀過程2 毒作用時相 毒物 毒物的劑型與劑量 吸收 分布 代謝 排泄 靶器官中生物學作用 效應 暴露相 毒物動力學相 效相 靶器官 毒物直接產(chǎn)生毒效應作用的器官 按照不同的層次 分為靶器官 靶細胞 靶分子 效應器官 通過病理 生理機理 由另一個器官表現(xiàn)出來 例如 有機磷農(nóng)藥作用于神經(jīng)系統(tǒng) 會抑制膽堿酯酶活性 造成膽堿能神經(jīng)突觸處乙酰膽堿積累 結(jié)果表現(xiàn)為瞳孔縮小 流涎 肌束顫動等 因此 有機磷農(nóng)藥的靶器官是神經(jīng)系統(tǒng) 而效應器官則是瞳孔 唾液腺和橫紋肌等 蓄積器官 毒物在體內(nèi)的蓄積部位 污染物在蓄積器官內(nèi)的濃度高于其他器官 但對蓄積器官并不一定顯示毒作用 如DDT等有機氯農(nóng)藥的靶器官雖是中樞神經(jīng)系統(tǒng)和肝臟 但這類農(nóng)藥主要蓄積在脂肪組織中 1 重金屬的環(huán)境毒理學效應汞鎘2 大氣污染物的環(huán)境毒理學效應3 農(nóng)藥的環(huán)境毒理學作用有機氯農(nóng)藥有機磷農(nóng)藥有機氮農(nóng)藥擬除蟲菊脂類農(nóng)藥 1 3主要環(huán)境污染物及其環(huán)境毒理學效應 環(huán)境中的汞 汞循環(huán) mercurycycle 火山活動 化石燃燒 降水 揮發(fā) 揮發(fā) 沉積物 農(nóng)田風化和淋溶作用 農(nóng)藥噴灑 徑流 CH3 2Hg Hg2 CH3Hg 魚 水生植物 水鳥 工廠汞的廢物 捕魚 由河水帶走 中性pH 酸性pH 汞的環(huán)境毒理作用 汞及其化合物可通過呼吸道 消化道及皮膚等途徑進入機體 可分布于各個器官 以腎臟含量最高 腎 肝 血液 腦 末梢神經(jīng)汞化合物的通透性差異很大 金屬汞 被消化道吸收的數(shù)量很少 通過食物和飲水一般不會中毒 金屬氣態(tài)汞侵入呼吸道可被肺泡完全吸收 經(jīng)血液運至全身 無機汞中的氯化汞為劇毒 有機汞中苯基汞分解快 毒性小 甲基汞和乙基汞毒性最大 甲基汞蓄積量達到30mg 70kg 出現(xiàn)感覺障礙 達到100mg時為中毒閾值 大氣污染物的環(huán)境毒理學效應 分為氣態(tài)污染物和顆粒污染物 按化學形態(tài)分為含硫化合物 含氮化合物 碳氫化合物 鹵素化合物 顆粒物質(zhì)和放射性物質(zhì)7類 來源于工業(yè)生產(chǎn) 生活爐灶 采暖鍋爐 交通運輸 火山爆發(fā) 森林火災等 SO2為無色而具有辛辣刺激性的氣體 與二氧化氮 碳氫化合物共存時 經(jīng)7小時轉(zhuǎn)化為SO3 形成酸霧 易與呼吸道表面的水相作用 吸水形成亞硫酸或硫酸 短時間內(nèi)解除低濃度 上呼吸道極易受刺激 腐蝕損害 短期接觸高濃度的 可引起機型支氣管炎 呼吸困難 以致死亡 對微生物具有致突變作用 引起植物 動物細胞染色體畸變的發(fā)生 農(nóng)藥的環(huán)境毒理學作用 有機氯農(nóng)藥化學性質(zhì)穩(wěn)定 不溶于水 溶于多種有機溶劑 遇光和高溫均不易分解 可在自然界長期殘留 在土壤中消失95 需要數(shù)年至數(shù)十年 揮發(fā)性低 吸入中毒的機會較少 主要經(jīng)消化道進入機體 蓄積在脂肪組織以及脂質(zhì)含量較高的組織器官 如腎周圍組織等大劑量的進入機體可引起中樞神經(jīng)及某些實質(zhì)臟器特別是肝 腎的嚴重損害 易蓄積 有機氯農(nóng)藥在土壤中的殘留量 DDT狄式劑林丹氯丹七氯一年后8875605545 農(nóng)藥的環(huán)境毒理學作用 有機磷農(nóng)藥呈油狀液體或晶體固體 具大蒜臭味 揮發(fā)性強 難溶于水 可溶于有機溶劑 對光 熱河氧穩(wěn)定 遇堿迅速分解 經(jīng)消化道 呼吸道和皮膚吸收進入機體 大多數(shù)化合物經(jīng)皮膚吸收快且完全 分布各個器官 以肝 腎及肺含量最高 一般可通過血腦屏障 代謝較快 沒有明顯蓄積作用 毒作用在于對膽堿酯酶活力的抑制 使其失去分解乙酰膽堿的能力 造成乙酰膽堿在體內(nèi)積聚 引起神經(jīng)功能紊亂 農(nóng)藥的環(huán)境毒理學作用 有機氮農(nóng)藥對人 畜毒性屬于中等程度至低毒范疇 在土壤中滯留時間短 半衰期僅1 4周 擬除蟲菊脂類農(nóng)藥黃色粘稠狀液體或無色晶體 揮發(fā)度低 不溶于水 溶于多種有機溶劑 遇堿分解 代謝快 蓄積程度低 屬神經(jīng)毒劑 抑制神經(jīng)細胞離子通道 降低神經(jīng)肌肉膜的電興奮電位 1 4影響毒作用的主要因素 1 環(huán)境因素物理環(huán)境因素a 溫度 高溫促進毒物吸收 攝入量增加 毒性增加 b 濕度 促進毒物經(jīng)皮膚吸收 濕度增高 吸收增強 也可加速毒物水解 毒物也可在高濕條件下改變狀態(tài) 如SO2轉(zhuǎn)化為SO3 c 氣壓 高壓使?jié)舛仍龃?氣壓降低 氧分壓降低 CO毒性加大d 時間變化 生物體功能隨季節(jié)和晝夜節(jié)律產(chǎn)生規(guī)律性變動 環(huán)境污染物的作用方式a 獨立作用 b 相加作用c 協(xié)同作用 四氯化碳和乙醇 對肝臟毒性增加d 頡頏作用 Ag CuCu ZnHg SeSe對Hg的頡頏作用 2 化學毒物的理化性狀 物理性狀與生物學效應a 溶解度溶解度越大 體內(nèi)吸收率越高 毒性越大As2O3氧化鉛 金屬鉛 硫化鉛 在血清中的溶解度 b 揮發(fā)度揮發(fā)度越大 空氣中的濃度越大 呼吸道中毒的危險性越大 c 分散度分散度愈大 顆粒越小 化學活性越大 易進入呼吸道 如PM10 毒物的化學結(jié)構(gòu)與毒性結(jié)構(gòu)不同 毒性不同 苯具有麻醉作用 抑制造血功能 苯環(huán)上的氫被甲基取代 形成甲苯或二甲苯 對造血技能的作用不明顯 苯環(huán)上的氫被氨基或硝基取代 形成高鐵血紅蛋白 對肝臟具有毒性作用 苯環(huán)上的氫被鹵素取代 對肝臟產(chǎn)生毒性 3 個體因素 種屬 品系和個體差異由于有機體的結(jié)構(gòu)和功能方面存在不同程度的差異 大多數(shù)毒物對人和動物的敏感性差異不大于10倍 年齡和發(fā)育年輕機體對中樞神經(jīng)劑敏感性較差 對中樞神經(jīng)抑制劑較敏感 年老機體代謝慢 對需經(jīng)生物轉(zhuǎn)化后才具有毒性的化學物質(zhì)不敏感 性別與激素雌性動物較雄性動物敏感 個別化合物對雄性動物毒性較高 遺傳因素先天性代謝缺陷或生理變異可導致對某些化合物效應的敏感性 健康狀況與營養(yǎng)營養(yǎng)狀況不良 使毒物在體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)化減慢 出現(xiàn)異常毒性表現(xiàn) 少數(shù)化合物缺乏蛋白質(zhì)環(huán)境下毒性降低 4 元素的生物半衰期 元素自進入生物體內(nèi)到排出體外的時間 第二節(jié)環(huán)境污染物在生態(tài)環(huán)境中的遷移與轉(zhuǎn)化 2 1污染物在動物體內(nèi)的吸收分布和排泄 2 2植物對污染物的吸收 遷移及影響 2 1污染物在動物體內(nèi)的吸收分布和排泄 一 污染物通過動物細胞膜的方式吞噬作用 固態(tài)污染物與細胞膜上某種蛋白質(zhì)具有親和力 改變膜的表面張力 引起細胞膜外包或內(nèi)凹 將固態(tài)物質(zhì)包圍進細胞 胞飲作用 如吞噬的是液態(tài)物質(zhì) 稱為胞飲 二 動物機體對污染物質(zhì)的吸收 吸收途徑主要有 呼吸道 消化道 皮膚 一 經(jīng)呼吸道吸收部分污染物能穿過肺泡 直徑小于5nm部分污染物能在肺部長期停留 使肺部致敏纖維化或致癌 如苯并芘 石棉 鈹?shù)炔糠治廴疚镞\至支氣管 刺激氣管壁產(chǎn)生反應性咳嗽而排出或被咽入消化管 肺泡總面積55m2 是皮膚的40倍 細胞膜對脂溶性 非脂溶性分子及離子都具有高度的通透性 吸入量達到一定程度會進入血液引起中毒 這是與消化道吸收的不同之處 NO2很少停留在上呼吸道 而是從下呼吸道侵入肺深部 低流量經(jīng)鼻吸入時 SO2攝入率 氣管上部 幾乎為100 臭氧為72 高流量經(jīng)口吸入時 二者的攝取率均大幅下降 臭氧的攝取率更低 說明吸入臭氧可能損傷支氣管末梢 汞化合物揮發(fā)性很高 金屬汞很難被呼吸道粘膜吸附 阻攔 易達肺部 動物的肺泡吸收率達50 100 人體可達75 85 肺泡對汞化合物有極高的吸收率 呼吸道吸收情況主要取決于被吸收化合物的血液 氣體分配系數(shù)K 氣體在血液中的濃度與在肺泡氣中濃度之比 K越大 氣體越易被吸收 二硫化碳k 5苯k 6 85乙醚k 15甲醇K 1500水溶性高的化合物在上呼吸道被粘膜吸附 水溶性低的化合物多進入呼吸道深部被吸收 二 消化道吸收消化道是動物吸收污染物的主要途徑 腸道粘膜是吸收污染物的主要部位之一 整個消化管對污染物都有吸收能力 但主要部位是在胃和小腸 小腸粘膜上的微絨毛 可增加吸收面積600倍 腸道吸收量因污染物化學形態(tài)不同而不同 甲基汞和乙基汞吸收量遠高于離子態(tài)汞 有機汞 脂溶性 的吸收率達95 以上 無機汞中的離子態(tài)汞吸收率在20 以下 二價汞不易被腸壁吸收 主要與氨基酸形成絡合物排出體外 鎘在呼吸道的吸收率為10 14 消化道為5 10 腸道吸收可因某種物質(zhì)的存在而加強或減弱 若存在足夠半胱氨酸會促進腸道粘膜上的氨基酸的主動運輸 半胱氨酸和甲基汞結(jié)合能增加腸道對甲基汞的吸收 乙醇對肺泡吸收汞有抑制作用 金屬汞轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機離子態(tài)汞要經(jīng)過氧化酶的作用 乙醇能阻礙氧化酶的氧化 三 皮膚及其他途徑吸收第一階段 通過表皮 表皮的角質(zhì)層是最重要的屏障 第二階段 通過真皮 四氯化碳可通過皮膚吸收引起肝損害 有機磷農(nóng)藥可經(jīng)皮膚吸收 污染物吸收后隨血液和淋巴的流動分散到全身各組織器官的過程叫分布 不同化合物在體內(nèi)的分布不一樣 易透過生物膜 即可分布全身 反之 則分布受限 有機污染物多呈均勻分布 無機污染物多呈不均勻分布 一價陽離子 鉀 鈉 鋰 銫 均勻分布 二 四價陽離子 鈣 鋇 鈹 鐳等 分布在骨骼中 鎘 釕多集中于腎臟 無機離子態(tài)汞在腎內(nèi)積累的最多 其次是肝 脾 甲狀腺 金屬汞易通過血腦屏障到達腦中樞 外來化合物在體內(nèi)的貯存往往不具活性 貯存部分與游離部分呈動態(tài)平衡 當游離態(tài)部分逐漸消除時 貯存的化學物可逐漸被釋放進入人體循環(huán) 如DDT 饑餓 三 動物機體對污染物質(zhì)的分布 四 污染物在動物體內(nèi)的排出 動物主要以糞便和尿的形式直接將污染物排出 糞便中排出的汞大部分為無機汞 尿中的汞6 25 為無機汞 或通過膽汁 乳汁 呼氣 毛發(fā)等將污染物排出 腎臟是最重要的高功效排泄器官 經(jīng)腎臟排泄的數(shù)量超過各種途徑排泄的總和 五 污染物在生物體內(nèi)的轉(zhuǎn)化 生物代謝轉(zhuǎn)化 污染物的生物轉(zhuǎn)化是指進入體內(nèi)的外來化合物 在體內(nèi)酶催化下發(fā)生一些列代謝變化的過程 轉(zhuǎn)化成的衍生物稱為代謝物 肝臟代謝最為活躍 其次為腎和肺等 生物活化作用 生物增毒作用 經(jīng)過生物代謝轉(zhuǎn)化 原無毒或毒性小的化合物 能夠被轉(zhuǎn)化成有毒或毒性大的產(chǎn)物 生物滅活作用 生物解毒作用 有毒的化學物經(jīng)代謝轉(zhuǎn)化變成無毒或低毒的產(chǎn)物 生物轉(zhuǎn)化過程是將親脂性毒物轉(zhuǎn)化成極性較強的親水性物質(zhì) 以降低其通過細胞膜的能力 加速排出 有些毒物經(jīng)生物轉(zhuǎn)化 在體內(nèi)生成新的毒性更強的化合物 稱為致死性合成 如對硫磷和樂果氧化成對氧磷和氧樂果 污染物的生物轉(zhuǎn)化過程主要包括四種反應 即氧化 還原 水解和結(jié)合反應 前三個為第一階段或第一相反應 結(jié)合反應為第二階段 或稱第二相反應 降解反應微粒體混合功能氧化反應微粒體外的氧化反應還原反應 被還原酶催化還原 水解作用 脂類 酰胺類和含有脂式鍵的磷酸鹽取代物易水解 毒性降低 結(jié)合反應 2 2植物對污染物的吸收 遷移及影響 一 植物對污染物的吸收 一 植物對氣態(tài)污染物的粘附和吸收 植物粘附污染物的數(shù)量主要決定于植物表面積的大小和粗糙度等 分泌油脂 粘液的樹種 云杉 側(cè)柏 油松 馬尾松等 葉表面積大 葉面粗糙的植物 楊梅 榆 木槿 草莓等 葉面硬挺 不易抖動 女貞 大葉黃楊加拿大楊 葉面光滑 葉片下傾 葉柄細長 易抖動 滯塵能力弱 幾種針 闊葉樹種截獲粉塵的數(shù)量 橡樹7 15 白樺10 59 楊12 80 刺槐17 58 松2 32 落葉松4 05 云杉5 42 氣孔是葉片吸收污染物的主要部位 如氟化物 SO2 氣孔張開和關(guān)閉的機能癱瘓 臭氧 破壞葉片的柵欄組織 二 植物對水溶態(tài)污染物的吸收 植物吸收污染物的主要器官是根 葉片也能吸收 1 水溶態(tài)污染物到達植物根 或葉 表面到達根表面 主要有兩個途徑 質(zhì)體流途徑 即污染物隨蒸騰拉力 在植物吸收水分時與水一起到達植物根部 擴散途徑 即通過擴散到達根表面 重金屬擴散一般遵循Fick的第二法則 平均擴散距離 D擴散系數(shù) cm2 s T是時間 s 3 10 10cm2 s3 10 8cm2 s100天內(nèi)移動的平均距離 0 72mm7 2mm只有靠近根部的重金屬才能通過擴散作用到達根表面 污染物主要通過質(zhì)體流途徑到達根表面 到達根表面的污染物能否被植物吸收決定于土壤特性 污染物的種類和數(shù)量 植物特性和蒸騰拉力等 植物葉片對農(nóng)藥的吸收主要有兩種途徑 氣孔吸收角質(zhì)層吸收農(nóng)藥在植物葉面的附著性能是影響藥效的重要因素 表面活性劑能顯著降低水溶液的表面張力 可極大改善藥液的附著性 草甘膦在蠶豆葉片上的氣孔吸收 2 水溶態(tài)污染物進入細胞的過程 植物的細胞壁是污染物進入植物細胞的第一道屏障 其中的果膠質(zhì)成分為結(jié)合污染物提供了大量的交換地點 植物最初對污染物的迅速吸收主要靠細胞內(nèi)自由空間非代謝性擴散運動 當外界污染物濃度相當大時 也有部分污染物透過細胞壁 穿過質(zhì)膜進入細胞質(zhì) 污染物進入細胞的過程主要有 細胞壁的吸附 非共質(zhì)體沉積和透過質(zhì)膜的細胞內(nèi)積累 黃瓜 菠菜細胞各組分Cd的含量及分配表 黃瓜 菠菜細胞各組分Pb的含量及分配表 F1細胞壁及未破碎殘渣 F2細胞核為主的成分 F3線粒體成分 F4核蛋白成分 F5可溶性組分 污染物通過植物細胞膜進入細胞的過程主要有兩種方式 一種是被動的擴散 物質(zhì)順著本身的濃度梯度或細胞膜的電化學勢流動 一種是物質(zhì)的主動傳遞過程 需要能量 細胞膜透過機制可歸納為以下幾個方面 1 流動輸送主要指水溶性的化學物質(zhì)和難脂溶性的微粒子 直徑8 4nm以上不能通過 2 脂質(zhì)層受控擴散主要指脂溶性化合物 3 媒介輸送與能動載體輸送促使媒介輸送的能量為濃度比 擴散 稱被動輸送 促使能動載體輸送的能量來自生物化學作用 稱主動輸送 二 污染物在植物體內(nèi)的遷移與代謝轉(zhuǎn)化 1 污染物在植物體內(nèi)的遷移從根表面吸收的污染物能橫穿根的中部 被送入導管 進入導管后隨蒸騰拉力向地上部移動 無機離子達到內(nèi)皮層可能有兩種通路 一是為非