污染物在生物體內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化

關(guān)于污染物在生物體內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化第1頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三①生物污染和生物污染的主要途徑②環(huán)境污染物在生物體內(nèi)的分布③污染物質(zhì)的生物富集、放大和積累④微生物對環(huán)境污染物的降解轉(zhuǎn)化作用⑤環(huán)境污染物對人體健康的影響本章內(nèi)容介紹第2頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三重點掌握①污染物質(zhì)的生物富集、放大和積累②微生物對環(huán)境污染物的降解轉(zhuǎn)化作用③環(huán)境污染物對人體健康的影響第3頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三第一節(jié)生物污染和生物污染的主要途徑一、生物污染有兩種含義，一種是指對人和生物有害的微生物、寄生蟲等病原體和變應(yīng)原等污染水體、大氣、土壤和食品，影響生物產(chǎn)量和質(zhì)量，危害人類健康。另一種是指大氣、水環(huán)境以及土壤環(huán)境中各種各樣的污染物質(zhì)，包括施入土壤中的農(nóng)藥等，通過生物的表面附著、根部吸收、葉片氣孔的吸收以及表皮的滲透等方式進入生物機體內(nèi)，并通過食物鏈最終影響人體健康的現(xiàn)象。二、植物受污染的主要途徑

1.表面附著表面附著是指污染物以物理方式黏附在植物表面的現(xiàn)象。表面附著量的大小與植物的表面積大小、表面形狀、表面性質(zhì)等有關(guān)。植物葉片越粗糙，比表面積越大，越能吸附大量污染物。一些植物葉片分泌一些油脂性物質(zhì)，增加了對顆粒態(tài)污染物的吸附作用。例如云杉、油松、馬尾松能分泌油脂性物質(zhì)，楊梅、草莓等葉片粗糙，比表面積大。生物的污染生物受到污染云杉油松第4頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2.植物吸收植物對大氣、水體和土壤中污染物的吸收方式可分為主動吸收和被動吸收兩種。

主動吸收即代謝吸收，是指植物細胞利用其特有的代謝作用所產(chǎn)生的能量而進行的吸收作用。細胞通過這種吸收能把濃度差逆向的外界物質(zhì)引入細胞內(nèi)。植物通過根系從土壤或水體中吸收營養(yǎng)物質(zhì)和水分的同時亦吸收污染物，其吸收量的大小與污染物的性質(zhì)及含量、土壤性質(zhì)和植物品種等因素有關(guān)。主動吸收可使污染物在植物體內(nèi)濃縮。

被動吸收即物理吸收，這種吸收依靠外液與原生質(zhì)的濃度差，通過溶質(zhì)擴散作用實現(xiàn)吸收過程，其吸收量的大小與污染物的性質(zhì)及其含量大小，植物與污染物接觸時間的長短等有關(guān)。第5頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三三、動物受污染的主要途徑環(huán)境中的污染物主要通過呼吸道、消化道和皮膚吸收等途徑進入動物體內(nèi)，并通過食物鏈得到濃縮富集，最終進入人體。1.動物吸收動物在呼吸空氣的同時將毫無選擇的吸收來自空氣中的氣態(tài)污染物及懸浮顆粒物，在飲水和攝取食物的同時，也將攝入其中的污染物，脂溶性污染物還能通過皮膚的吸收作用進入動物機體。例如，某些氣態(tài)毒物如氰化氫、砷化氫等都可經(jīng)皮膚吸收。①呼吸道吸收的污染物，通過肺泡直接進入動物體內(nèi)大循環(huán)。成年人每天吸入10～12m3的空氣，而空氣中正隱藏著各種各樣的污染物質(zhì)。呼吸道是吸收大氣污染物質(zhì)的主要途徑，人的呼吸道主要包括鼻、咽、喉、氣管、支氣管及肺等部位。第6頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三

主要的吸收部位是肺泡。肺泡的膜很薄，數(shù)量眾多，表面布滿壁膜極薄、結(jié)構(gòu)疏松的毛細血管。呼吸道吸收的污染物只可以直接進入血液系統(tǒng)并轉(zhuǎn)移至淋巴系統(tǒng)或其他器官，而不經(jīng)肝臟的解毒作用，從而產(chǎn)生的毒性更大。②消化道吸收的污染物通過小腸吸收，經(jīng)肝臟在進入大循環(huán)。食物和飲水主要是通過消化道進入人體的。從口腔攝入的食物和飲水中的污染物質(zhì)，主要是被動擴散被消化管吸收，主動轉(zhuǎn)運很少。消化管包括口腔、咽喉、食管、胃、小腸、大腸等部位，主要的吸收部位是小腸，其次是胃。進入小腸的污染物質(zhì)大多數(shù)以被動擴散方式通過小腸黏膜再轉(zhuǎn)入血液，因而污染物質(zhì)的脂溶性越強、在小腸內(nèi)濃度越高，被小腸吸收越快。小腸的吸收總面積約200m2，胃的約為1m2，小腸的吸收功能遠大于胃。第7頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三③經(jīng)皮膚吸收的污染物可直接進入血液循環(huán)人體皮膚的表面積平均約為1.8m2,同時還有近10萬個毛細孔和近10萬根頭發(fā)與頭皮相通，這些都是污染物質(zhì)進入人體的通道。相對而言，人體皮膚對污染物質(zhì)的吸收能力較弱，常以被動擴散的方式相繼通過皮膚的表皮及真皮，再濾過真皮中的毛細血管壁膜進入到血液中。一般，相對分子質(zhì)量低于300,處于液態(tài)或溶解態(tài)，呈非極性的脂溶性污染物質(zhì)，最容易被皮膚吸收，如酚、醇等。

④由呼吸道吸收并沉積在呼吸道表面上的有害物質(zhì)，可咽到消化道，再被吸收進入機體。第8頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2.食物鏈作用生物（包括微生物）能通過食物鏈傳遞和富集污染物。水體中的污染物通過生物、微生物的代謝作用進入生物、微生物體內(nèi)得到濃縮，其濃縮作用可使污染物在生物體內(nèi)的含量比在水體中的濃度大得多。水體環(huán)境中，浮游生物是食物鏈的基礎(chǔ)。污染物在食物鏈的每次傳遞中濃度就得到一次濃縮，甚至可以達到產(chǎn)生中毒作用的程度。人處于食物鏈的末端，人若長期食用了污染水體中的魚類，則可能由于污染物在體內(nèi)長期富集濃縮，引起慢性中毒。環(huán)境污染物不僅可以通過水生生物食物鏈富集，也可以通過陸生生物鏈富集。如農(nóng)藥、大氣污染物，可通過植物的葉片、根系進入植物體內(nèi)得到富集，而含有污染物的農(nóng)作物、牧草、飼料等經(jīng)過牛、羊、豬、雞等動物進一步富集，最后通過糧食、蔬菜、水果、肉、蛋、奶等食物進入人體中濃縮，危害人體健康。第9頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三第二節(jié)環(huán)境污染物在生物體內(nèi)的分布一、污染物在植物體內(nèi)的分布許多污染物質(zhì)都是通過植物的土壤進入生態(tài)系統(tǒng)的。植物對污染物質(zhì)的吸收被認為是污染物在食物鏈中的積累并危害陸生動物的第一步。污染物質(zhì)進入到植物體的途徑：

①通過根系的吸收并通過蒸騰作用輸送到植物體的各部分；

②通過植物葉片的氣孔從周圍空氣中吸收蒸汽化的污染物質(zhì)，并輸送到植物體的各個部分；

③植物表皮通過滲透作用吸收有機污染物的蒸汽。各種途徑吸收的污染物總和減去植物代謝過程中消耗或損失的是污染物質(zhì)在生物體內(nèi)的積累。第10頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三①根部吸收污染物主要是通過根部吸收進入植物體內(nèi)，根部對污染物質(zhì)的吸收有兩種方式：主動吸收和被動吸收。主動吸收需要消耗一定量的能量，而被動吸收主要是通過擴散、吸收和質(zhì)量流動，不需要消耗能量。根部吸收主要是物理吸附而不是生物化學行為。根部的吸收過程在最初一個小時之內(nèi)最快，占48小時過程的50%～70%，且在吸收過程中污染物質(zhì)在根部很快達到平衡而濃度不隨時間增加而變化。②植物葉片的氣孔吸收空氣中的蒸汽態(tài)污染物質(zhì)葉子表面有很多氣孔，氣孔可以隨環(huán)境條件的變化而有時張開有時關(guān)閉，氣孔是二氧化碳、氧氣和其他氣體的進出口，也是蒸騰作用的出口。③降落在植物表面的污染物可通過滲透作用進入植物體內(nèi)這種吸收作用很少，但某些污染物，比根部吸收更重要。只有植物表面直接接觸的污染物質(zhì)才能通過滲透作用進入植物體內(nèi)第11頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三

植物從大氣中吸收污染物后，污染物在植物體內(nèi)的殘留量常以葉部分布最多。植物從土壤和水體中吸收污染物，其殘留量一般的分布規(guī)律為：根＞莖＞葉＞穗＞殼＞種子。表5-2水稻各部位14C-六六六殘留量及殘留比表5-1成熟期水稻各部位中的含鎘量第12頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三二、污染物在動物體內(nèi)的分布污染物質(zhì)在動物體內(nèi)的分別過程主要包括吸收、分布和排泄。1.吸收

吸收是污染物質(zhì)從機體外,通過各種途徑通透體膜進入血液的過程。吸收途徑主要是機體的消化管、呼吸道和皮膚。消化管的主要吸收部位在小腸，其次是胃。進入小腸的污染物質(zhì)大多以被動擴散通過腸粘膜再轉(zhuǎn)入血液。影響消化管吸收的因素：（1）污染物質(zhì)的脂溶性：脂溶性越強及在小腸內(nèi)濃度越高,被小腸吸收也越快。（2）血液流速：污染物質(zhì)的脂溶性強，血流速度越大,則膜兩側(cè)污染物質(zhì)的濃度梯度越大,機體對污染物質(zhì)的吸收速率也越大。極性污染物質(zhì),因其脂溶性小,在被小腸吸收時經(jīng)膜擴散成了限速因素,而對血流影響不敏感。（3）離解度：未解離型易于擴散通過膜。第13頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三

呼吸道是吸收大氣污染物的主要途徑。其主要吸收部位是肺泡。氣態(tài)和液態(tài)氣溶膠污染物質(zhì)

,可以被動擴散和濾過方式,分別迅速通過肺泡和毛細血管膜進入血液。固態(tài)氣溶膠和粉塵污染物質(zhì)吸進呼吸道后

,可在氣管、支氣管及肺泡表面沉積。到達肺泡的固態(tài)顆粒很小,粒徑小于5μm。其中,易溶微粒在溶于肺泡表面體液后,按上述過程被吸收,而難溶微粒往往在吞噬作用下被吸收。皮膚吸收是不少污染物質(zhì)進入機體的途徑。皮膚接觸的污染物質(zhì),常以被動擴散相繼通過皮膚的表皮及真皮,再濾過真皮中毛細血管壁膜進入血液。一般,分子量低于300，處于液態(tài)或溶解態(tài),呈非極性的脂溶性污染物質(zhì),最容易被皮膚吸收,如酚、尼古丁、馬錢子堿等。血腦屏障：中樞神經(jīng)系統(tǒng)的毛細血管壁內(nèi)皮細胞互相緊密相連、幾乎無空隙，是阻止已進入人體的有毒污染物深入到中樞神經(jīng)系統(tǒng)的屏障。當污染物質(zhì)由血液進入腦部時,必須穿過這一毛細管壁內(nèi)皮的屏障，此時,污染物質(zhì)的經(jīng)膜通透性成為其轉(zhuǎn)運的限速因素。高脂溶性低解離度的污染物質(zhì)經(jīng)膜通透性好,容易通過血腦屏障,由血液進入腦部,如甲基汞化合物。第14頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2.排泄排泄是污染物質(zhì)及其代謝物質(zhì)向機體外的轉(zhuǎn)運過程。排泄器官有腎、肝膽、腸、肺、外分泌腺等，而以腎和肝膽為主。腎排泄是污染物質(zhì)通過腎隨尿而排出的過程。膽汁排泄是指主要由消化管及其他途徑吸收的污染物質(zhì)，經(jīng)血液到達肝臟后，以原物或其代謝物和膽汁一起分泌至十二指腸，經(jīng)小腸至大腸內(nèi)，再排出體外的過程。*值得注意的是有些物質(zhì)由膽汁排泄，在腸道運行中又重新被吸收，該現(xiàn)象稱為腸肝循環(huán)。3.分布分布是指污染物質(zhì)被吸收后或其代謝轉(zhuǎn)化物質(zhì)形成后，由血液轉(zhuǎn)送至機體各組織;與組織成分結(jié)合；從組織返回血液以及再反復(fù)等過程。第15頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三按照污染物性質(zhì)和進入動物組織的類型不同，大體有以下五種分布規(guī)律：（1）能溶解于體液的物質(zhì)，如鈉、鉀、鋰、氟、氯、溴等離子，在體內(nèi)分布比較均勻。（2）鑭、銻、釷等三價和四價陽離子，水解后生成膠體，主要蓄積于肝或其他網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)。（3）與骨骼親和性較強的物質(zhì)，如鉛、鈣、鋇、鍶、鐳、鈹?shù)榷r陽離子在骨骼中含量較高。（4）對某一種器官具有特殊親和性的物質(zhì)，則在該種器官中蓄積較多。如碘對甲狀腺，汞、鈾對腎臟有特殊親和性。（5）脂溶性物質(zhì)，如有機氯化合物（六六六、DDT等），易蓄積于動物體內(nèi)的脂肪中。第16頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三一些金屬、類金屬在動物及人體內(nèi)的主要分布部位

一種污染物對某一種器官有特殊親和作用，但同時也分布于其他器官；同一種元素可能因其價態(tài)或存在形態(tài)不同而在體內(nèi)蓄積的部位也有所不同。如水溶性汞離子很少進入腦組織，但烷基汞呈脂溶性，能通過腦屏障進入腦組織。第17頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三第18頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三4.生物蓄積機體長期接觸某污染物質(zhì)，若吸收超過排泄及其代謝轉(zhuǎn)化，則會出現(xiàn)該污染物質(zhì)在體內(nèi)逐增的現(xiàn)象，稱為生物蓄積。蓄積量是吸收、分布、代謝轉(zhuǎn)化和排泄各量的代數(shù)和。機體的主要蓄積部位是血漿蛋白、脂肪組織和骨酪。污染物質(zhì)常與血漿蛋白結(jié)合而蓄積。蓄積部位與毒性作用部位：相同--如百草枯在肺及一氧化碳在紅細胞中血紅蛋白的集中。不相一致--如DDT在脂肪組織中蓄積,而毒性作用部位是神經(jīng)系統(tǒng)及其他臟器;鉛集中于骨髓,而毒性作用部位在造血系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)及胃腸道等。蓄積部位中的污染物質(zhì),常同血漿中游離型污染物質(zhì)保持相對穩(wěn)定的平衡。在污染物質(zhì)蓄積和毒性作用的部位不相一致時,蓄積部位可成為污染物質(zhì)內(nèi)在的二次接觸源,有可能引起機體慢性中毒。第19頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三第三節(jié)污染物質(zhì)的生物富集、放大和積累

各種物質(zhì)進入生物體內(nèi)，即參加生物的代謝過程，其中生命必需的物質(zhì)，部分參與了生物體的構(gòu)成，多余的必需物質(zhì)和非生命所需的物質(zhì)中，易分解的經(jīng)代謝作用很快排出體外，會長期殘留在生物體內(nèi)，隨著攝入量的增大，在生物體內(nèi)的濃度也會逐漸增大。一、生物富集

生物富集是指生物機體或處于同一營養(yǎng)級上的許多生物種群，通過非吞食方式，從周圍環(huán)境(水、土壤、大氣)蓄積某種元素或難降解的物質(zhì)，使其在機體內(nèi)濃度超過周圍環(huán)境中濃度的現(xiàn)象。生物富集用生物濃縮系數(shù)表示，即：

BCF=Cb/Ce

式中：BCF：生物濃縮系數(shù)

Cb：某種元素或難降解物質(zhì)在機體中的濃度;

Ce：某種元素或難降解物質(zhì)在機體周圍環(huán)境中的濃度。第20頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三生物濃縮系數(shù)(BioconcentrationFactor)

：金槍魚和海綿對銅的濃縮系數(shù),分別是100和1400。一般,降解性小、脂溶性高、水溶性低的物質(zhì),生物濃縮系數(shù)高

一般，重金屬元素和許多氯化碳氫化物、稠環(huán)、雜環(huán)等有機化合物具有很高的生物濃縮系數(shù)。第21頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三二、生物放大是指在同一食物鏈上的高營養(yǎng)級生物，通過吞食低營養(yǎng)級生物蓄積某種元素或難降解物質(zhì)，使其在機體內(nèi)的濃度隨營養(yǎng)級數(shù)提高而增大的現(xiàn)象。生物放大的程度也用生物濃縮系數(shù)表示。生物放大的結(jié)果是食物鏈上高營養(yǎng)級生物體體內(nèi)這種物質(zhì)的濃度顯著超過環(huán)境中的濃度，如不存在食物鏈的關(guān)系就不能稱之為生物放大，而只能是生物富集或生物積累。

生物放大并不是在所有條件下都能發(fā)生。有些物質(zhì)只能沿著生物鏈傳遞，不能沿食物鏈放大；有些既不能沿食物鏈傳遞，也不能沿食物鏈放大。影響生物放大的因素很多，如食物鏈往往都十分復(fù)雜,相互交織成網(wǎng)狀,同一種生物在發(fā)育的不同階段或相同階段,有可能隸屬于不同的營養(yǎng)級而具有多種食物來源,這就擾亂了生物放大。不同生物或同一生物在不同的條件下,對物質(zhì)的吸收、消除等均有可能不同,也會影響生物放大狀況。有機化合物在生物體的積累不是通過食物鏈遷移產(chǎn)生的生物放大，而是生物脂肪對有機化合物的溶解作用。第22頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三三、生物積累生物積累是生物從周圍環(huán)境(水、土壤、大氣)和食物鏈蓄積某種元素或難降解物質(zhì)，使其在機體中的濃度超過周圍環(huán)境中濃度的現(xiàn)象。生物積累也用生物濃縮系數(shù)（BCF）表示。以水生生物對某物質(zhì)的生物積累而論，其微分速率方程可以表示為：式中：cw－生物生存水中某物質(zhì)濃度；

ci－食物鏈i級生物中該物質(zhì)濃度；

ci－1－食物鏈i－1級生物中該物質(zhì)濃度；

Wi,i－I－i級生物對i－1級生物的攝食量

αi,i-1

－i級生物對i－1級生物中該物質(zhì)的同化率；

Kai

－i級生物對該物質(zhì)的吸收速率常數(shù)；

Kei－i級生物體中該物質(zhì)消除速率常數(shù)；

Kgi－i級生物的生長速率常數(shù)。第23頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三當生物積累達到平衡時，dci/dt=0時：式中右端二項依次以Cwi

和Cφi表示,則此式改寫成:從水中攝得的濃度-生物富集的貢獻從食物鏈傳遞得到的濃度-生物放大的貢獻

從上式可以看出，生物積累的物質(zhì)濃度中，兩相進行比較，可以看出生物富集和生物放大對生物積累的貢獻。生物放大和生物富集都是生物積累的一種方式第24頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三表5-1生物富集、放大和積累對照第25頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三第四節(jié)微生物對環(huán)境污染物的降解轉(zhuǎn)化作用

物質(zhì)在生物作用下經(jīng)受的化學變化，稱為生物轉(zhuǎn)化或代謝。通過生物，特別是微生物的轉(zhuǎn)化，污染物質(zhì)的毒性也隨之改變。一、微生物的生理特征微生物可以催化氧化或降解有機污染物或轉(zhuǎn)化重金屬元素存在形態(tài)，這是環(huán)境中有機污染物轉(zhuǎn)化的重要過程，同時微生物在重金屬的遷移轉(zhuǎn)化過程中也有很重要的作用。微生物是生物催化劑，能使許多化學反應(yīng)過程在環(huán)境中發(fā)生，同時生物有機體的降解又為其他生物生長提供必要的營養(yǎng)，以補償和維持生物活性的營養(yǎng)庫。1.微生物的種類環(huán)境中的微生物可以分為三類：細菌、真菌和藻類。細菌和真菌可認為是還原劑類，能使化合物分解為更簡單的形式，從而維持它們自身的生長和代謝過程所需的能量。第26頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三細菌可分為自養(yǎng)細菌和異養(yǎng)細菌?；拘螒B(tài)有桿狀、球狀和螺旋狀三種，屬于原核微生物。單個細菌的細胞很小，只能在顯微鏡下看到，大多數(shù)細菌的大小在0.5～3.0μm范圍。球形菌弧形菌螺形菌桿形菌

真菌是類似植物但缺乏葉綠素的非光合生物，通常是絲狀結(jié)構(gòu)，它對高濃度的金屬離子的耐受能力很強，真菌對環(huán)境最終的作用是分解植物的纖維素。單細胞真菌多細胞真菌大型真菌第27頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三藻類是一大類低等植物的統(tǒng)稱。①藻類屬于真核生物，是一種低等植物，種類很多，有單細胞的，也有多細胞的。②植物體無根、莖、葉的分化，有的有鞭毛，能動。③光合色素：分為三大類，葉綠素(a,b,c,d)；類胡蘿卜素；藻膽素(藻藍素，藻紅素)。④多數(shù)生活在水中，淡水種類多，海洋種類少，但數(shù)量多。藻類營養(yǎng)一般是無機物，即自養(yǎng)型，其細胞內(nèi)含有葉綠素及其他輔助色素，能進行光合作用。在有光照的時候，利用光能吸收二氧化碳合成細胞物質(zhì)，同時釋放出氧氣；在夜間無陽光時，則通過呼吸作用，取得能量，吸收氧氣，同時放出二氧化碳。這一特征在穩(wěn)定塘廢水處理方法中體現(xiàn)，白天塘內(nèi)氧氣充足，微生物利用氧氣進行好氧分解有機物；夜間藻類呼吸氧氣，使DO下降。第28頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三硅藻紅藻褐藻第29頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三

細菌接種到定量的液體培養(yǎng)基中，定時取樣測定細胞數(shù)量。以培養(yǎng)時間為橫座標以菌數(shù)為縱座標作圖得到的一條反映細菌在整個培養(yǎng)期間菌數(shù)變化規(guī)律的曲線。2.微生物的生長規(guī)律微生物的生長規(guī)律可以用生長曲線表現(xiàn)出來。第30頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三

根據(jù)微生物的生長速率常數(shù)（growthrateconstant），即每小時的分裂次數(shù)（R）的不同，一般可把典型生長曲線粗分為延滯期、指數(shù)期、穩(wěn)定期和衰亡期等4個時期。延滯期指數(shù)期穩(wěn)定期衰亡期第31頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三延滯期指數(shù)期穩(wěn)定期衰亡期5-7第32頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三

又稱停滯期、調(diào)整期和適應(yīng)期。指少量單細胞微生物接種到新鮮培養(yǎng)基后，在開始培養(yǎng)的一段時間內(nèi)細胞數(shù)目不立即增加，或增加很少，生長速度接近于零的一段時期——代謝系統(tǒng)是正在適應(yīng)新環(huán)境。（一）延滯期（Lagphase）延滯期第33頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三分裂遲緩、代謝活躍①

生長速率常數(shù)為零；②

細胞形態(tài)變大或增長，許多桿菌可長成絲狀，Eg.巨大芽孢桿菌（Bacillusmegaterium）在延滯期末，細胞的平均長度比剛接種時長6倍；一般來說處于遲緩期的細菌細胞體積最大?、?/p>

細胞內(nèi)RNA尤其是rRNA含量增高；④

合成代謝十分活躍，核糖體、酶類和ATP合成加速，易產(chǎn)生各種誘導(dǎo)酶；⑤

對外界不良條件如NaCl溶液濃度、溫度和抗生素等理化因素反應(yīng)敏感。（1）延滯期的特點細胞處于活躍生長中，只是分裂遲緩。在此階段后期，少數(shù)細胞開始分裂，曲線略有上升。第34頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三

微生物接種到一個新的環(huán)境，暫時缺乏分解和催化有關(guān)底物的酶，或是缺乏充足的中間代謝產(chǎn)物等。為產(chǎn)生誘導(dǎo)酶或合成中間代謝產(chǎn)物，就需要一段適應(yīng)期。調(diào)整代謝（2）延滯期出現(xiàn)的原因第35頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三（二）對數(shù)生長期（Logarithmicphase）

又稱指數(shù)生長期（Exponentialphase）。指在生長曲線中，緊接著延滯期的一段細胞數(shù)以幾何級數(shù)增長的時期。指數(shù)期第36頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三對數(shù)生長期的特點①

生長速率常數(shù)R最大，因而細胞每分裂一次所需的時間——代時（generationtime，G，又稱世代時間或增代時間）或原生質(zhì)增加一倍所需的倍增時間（doublingtime）最短；②

細胞進行平衡生長（balancedgrowth），菌體各部分的成分十分均勻；③

酶系活躍，代謝旺盛；第37頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三（三）穩(wěn)定期（stationaryphase）

又稱恒定期或最高生長期。其特點是生長速率常數(shù)R等于0，即處于新繁殖的細胞數(shù)與衰亡的細胞數(shù)相等，或正生長與負生長相等的動態(tài)平衡之中。穩(wěn)定期第38頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三

這時的菌體產(chǎn)量達到了最高點，而且菌體產(chǎn)量與營養(yǎng)物質(zhì)的消耗間呈現(xiàn)出一定的比例關(guān)系，這一關(guān)系就是生長產(chǎn)量常數(shù)Y（或稱生長得率，growthyield）。

x–x0

x–x0Y=——————=——————C0–CC0

x——穩(wěn)定期時的細胞干重（g／ml培養(yǎng)液），x0——剛接種時的細胞干重，C0——限制性營養(yǎng)物的最初濃度（g／ml），C——穩(wěn)定期時限制性營養(yǎng)物的濃度（由于計算Y時必須用限制性營養(yǎng)物，所以C應(yīng)等于0）。第39頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三（四）衰亡期（declinephase或deathphase）

在衰亡期中，個體死亡的速度超過新生的速度，整個群體呈現(xiàn)負生長狀態(tài)（R為負值）。衰亡期第40頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三

細胞形態(tài)發(fā)生多形化，例如會發(fā)生膨大或不規(guī)則的退化形態(tài)；有的微生物因蛋白水解酶活力的增強而發(fā)生自溶（autolysis）；有的微生物在這一期合成或釋放對人類有益的抗生素等次生代謝產(chǎn)物；在芽孢桿菌中，芽孢釋放等。產(chǎn)生衰亡期的原因外界環(huán)境對繼續(xù)生長越來越不利，營養(yǎng)物質(zhì)耗盡和有毒代謝產(chǎn)物的大量積累等，從而引起細胞內(nèi)的分解代謝大大超過合成代謝，繼而導(dǎo)致菌體死亡。

該時期死亡的細菌以對數(shù)方式增加，但在衰亡期的后期，由于部分細菌產(chǎn)生抗性也會使細菌死亡的速率降低，仍有部分活菌存在。第41頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三

可延長穩(wěn)定生長期，以獲得更多的菌體物質(zhì)或積累更多的代謝產(chǎn)物，對環(huán)境中的污染物降解速度快，降解能力強。生產(chǎn)上的措施補充營養(yǎng)物質(zhì)（補料）取走代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)pH調(diào)節(jié)溫度對好氧菌增加通氣、攪拌或振蕩第42頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三二、生物酶的基礎(chǔ)知識

酶的定義：酶是一類由細胞制造和分泌的、以蛋白質(zhì)為主要成分的、具有催化活性的生物催化劑.

在酶催化下發(fā)生轉(zhuǎn)化的物質(zhì)稱為底物或基質(zhì)。底物所發(fā)生的轉(zhuǎn)化稱為酶促反應(yīng)。酶催化反應(yīng)的基本過程：該過程可逆1.酶的催化作用特點（1）催化專一性高。一種酶只能對一種底物或一類底物起催化作用,而促進一定的反應(yīng),生成一定的代謝產(chǎn)物。如蛋白酶只能催化蛋白質(zhì)水解,而不能催化淀粉水解。脲酶僅能催化尿素水解:第43頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三（2）酶催化效率高。一般,酶催化反應(yīng)的速率比化學催化劑高107-1013倍。（3）酶具有多樣性。酶的多樣性是由酶的專一性決定的，因為在生物體內(nèi)存在各種各樣的化學反應(yīng)，而每一種酶只能催化一種或一類化學反應(yīng)。（4）酶催化需要溫和的外界條件。如常溫、常壓、接近中性的酸堿度等。酶的本質(zhì)為蛋白質(zhì),比化學催化劑更容易受到外界條件的影響，而變質(zhì)失去催化效能。

輔酶的成分是金屬離子、含金屬的有機化合物或小分子的復(fù)雜有機化合物。同一輔酶可以結(jié)合不同的酶蛋白,構(gòu)成許多種雙成分酶,可對不同底物進行相同反應(yīng)。

輔酶起傳遞電子、原子或某些化學基團的作用。第44頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2.酶的分類

根據(jù)起催化作用的場所,酶分為胞外酶和胞內(nèi)酶兩大類。這兩類都在細胞中產(chǎn)生,但是胞外酶能通過細胞膜,在細胞外對底物起催化作用,通常是催化底物水解;而胞內(nèi)酶不能通過細胞膜,僅能在細胞內(nèi)發(fā)揮各種催化作用。

酶根據(jù)催化反應(yīng)類型,分成:氧化還原酶(催化氧化還原反應(yīng))、轉(zhuǎn)移酶(催化化學基團轉(zhuǎn)移反應(yīng))、水解酶(催化水解反應(yīng))、裂解酶(催化底物分子某些鍵非水解性斷裂反應(yīng))、異構(gòu)酶(催化異構(gòu)反應(yīng))、合成酶(與高能磷酸化合物分解相耦聯(lián),催化兩種底物結(jié)合的反應(yīng))。酶按照成分,分為單成分酶和雙成分酶兩大類。單成分酶只含有蛋白質(zhì),如脲酶、蛋白酶。雙成分酶除含蛋白質(zhì)外,還含有非蛋白質(zhì)部分,前者稱酶蛋白,后者稱輔基或輔酶。輔基同酶蛋白的結(jié)合比較牢固,不易分離。輔酶與酶蛋白結(jié)合松弛,易于分離。起決定催化專一性和催化高效率的功能雙成分酶的特點：在雙成分酶催化反應(yīng)時,一般是輔酶起著傳遞電子、原子或某些化學基團的功能,酶蛋白起著決定催化專一性和催化高效率的功能。因此,只有雙成分酶的整體才具有酶的催化活性。如果環(huán)境因素破壞了輔酶，也會影響酶的正常功能。第45頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三三、微生物對有機污染物的降解作用1.耗氧污染物的微生物降解耗氧有機污染物質(zhì)(Oxygen-ConsumingOrganicPollutant):是生物殘體、排放廢水和廢棄物中的糖類、脂肪和蛋白質(zhì)等較易生物降解的有機物質(zhì)。生物降解(Biodegradation)：有機物質(zhì)通過生物氧化以及其他的生物轉(zhuǎn)化，可以變成更小、更簡單的分子過程。（1）糖類的微生物降解糖類通式為Cx(H20)y,分成單糖、二糖和多糖三類。單糖：戍糖-C5H10O5,如木糖及阿拉伯糖；己糖-C6H12O6,

如葡萄糖、半乳糖、甘露糖及果糖。二糖：C12H22O11,主要有蔗糖、乳糖和麥芽糖。多糖：己糖自身或其與另一單糖的高度縮合產(chǎn)物,葡萄糖和木糖是最常見的縮合單體。多糖如淀粉、纖維素和半纖維素。糖類是生物活動的能量供應(yīng)物質(zhì)，細菌可以利用它作為能量的來源。如果有機物質(zhì)降解成二氧化碳、水等簡單無機化合物,則為徹底降解;否則,為不徹底降解第46頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三1）多糖水解成單糖2）單糖酵解成丙酮酸3）丙酮酸的轉(zhuǎn)化糖類的降解過程：①多糖水解成單糖:多糖在胞外水解酶催化下水解成二糖和單糖,而后才能被微生物攝取進入細胞內(nèi)。二糖在細胞內(nèi)經(jīng)胞內(nèi)水解酶催化,繼續(xù)水解成為單糖。多糖水解成的單糖產(chǎn)物以葡萄糖為主。②單糖酵解成丙酮酸:細胞內(nèi)單糖可經(jīng)過相應(yīng)的一系列酶促反應(yīng)形成丙酮酸，這一過程稱為單糖酵解。葡萄糖酵解的總反應(yīng)C6H12O6+2NAD+2CH3COCOOH+2NADH+2H+第47頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三第48頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三③丙酮酸的轉(zhuǎn)化:在有氧氧化條件下,丙酮酸通過酶促反應(yīng)轉(zhuǎn)化成乙酰輔酶A，最終氧化成二氧化碳和水。乙酰輔酶A丙酮酸草酰乙酸檸檬酸草酰乙酸丙酮酸

乙酰輔酶ACoASH檸檬酸草酰乙酸再進行新一輪的轉(zhuǎn)化。這種生物轉(zhuǎn)化的循環(huán)途徑稱為三羧酸循環(huán)或檸檬酸循環(huán),簡稱TCA循環(huán)。第49頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三小結(jié)：糖類通過微生物作用,在有氧氧化下能被完全氧化為二氧化碳和水,降解徹底;在無氧氧化下通常是氧化不完全,生成簡單有機酸、醇及二氧化碳等,降解不能徹底。后一過程因有大量簡單有機酸生成,體系pH下降,所以歸屬于酸性發(fā)酵。發(fā)酵的具體產(chǎn)物決定于產(chǎn)酸菌種類和外界條件。

無氧氧化條件下丙酮酸的氧化：通過酶促反應(yīng),以其本身作受氫體而被還原為乳酸,或以其轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn)物作受氫體,發(fā)生不完全氧化生成低級的有機酸、醇及二氧化碳等。第50頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三①脂肪水解成脂肪酸和甘油②甘油的轉(zhuǎn)化丙酮酸丙酮酸的轉(zhuǎn)化③脂肪酸的轉(zhuǎn)化有氧氧化無氧氧化?-氧化TCA循環(huán)（2）脂肪和油類的微生物降解第51頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三脂肪是由脂肪酸和甘油合成的酯，多來自動物，常溫下呈固態(tài)，油多來自植物，常溫下呈液態(tài)。脂肪和油類比糖類難降解。降解脂肪的基本途徑如下:①脂肪水解成脂肪酸和甘油:脂肪在胞外水解酶催化下水解為脂肪酸及甘油。生成的脂肪酸鏈大多為12-20個碳原子,其中以偶碳原子數(shù)的飽和酸為主,還有含雙鍵的不飽和酸。脂肪酸及甘油能被微生物攝入細胞內(nèi)繼續(xù)轉(zhuǎn)化。②甘油的轉(zhuǎn)化：甘油在有氧或無氧氧化條件下，均能被相應(yīng)的一系列酶促反應(yīng)轉(zhuǎn)變成丙酮酸：丙酮酸的進一步轉(zhuǎn)化前面已介紹第52頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三③脂肪酸的轉(zhuǎn)化有氧氧化條件下，飽和脂肪酸通常經(jīng)過酶促β-氧化途徑

變成脂酰輔酶A和乙酰輔酶A。乙酰輔酶A進入三羧酸循環(huán)，乙?；D(zhuǎn)化為二氧化碳和水，并將輔酶A復(fù)原。而脂酰輔酶A又經(jīng)β-氧化途徑進行轉(zhuǎn)化。脂肪水解成的含雙鍵不飽和脂肪酸，也經(jīng)過類似氧化途徑，最終產(chǎn)物與飽和脂肪酸相同。

無氧氧化條件：脂肪酸通過酶促反應(yīng)往往以其轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn)物作受氫體而被不完全氧化，形成低級的有機酸、醇和二氧化碳等。第53頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三①蛋白質(zhì)水解成氨基酸②氨基酸脫氨成脂肪酸③脂肪酸的轉(zhuǎn)化（3）蛋白質(zhì)的微生物降解蛋白質(zhì)是一類由а-氨基酸通過肽鍵聯(lián)結(jié)成的大分子化合物。蛋白質(zhì)中有20多種а-氨基酸。由一個氨基酸的羧基與另一個氨基酸的氨基脫水形成的酰胺鍵就是肽鍵。降解的途徑①蛋白質(zhì)水解成氨基酸：蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量較大，不能直接進入細胞，蛋白質(zhì)會由胞外水解酶催化水解，經(jīng)多肽至二肽或氨基酸而被微生物攝入細胞內(nèi)。二肽在細胞內(nèi)可繼續(xù)水解形成氨基酸。第54頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三②氨基酸脫氨脫羧成脂肪酸：氨基酸在細胞內(nèi)的轉(zhuǎn)化以脫氨脫羧形成脂肪酸為主。α-氨基酸脫氨脫羧的情況：③脂肪酸繼續(xù)轉(zhuǎn)化第55頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三

小結(jié)：蛋白質(zhì)通過微生物作用，在有氧氧化下可被徹底降解成為二氧化碳、水和氨(或銨離子)，而在無氧氧化下通常是酸性發(fā)酵，生成簡單有機酸、醇和二氧化碳等，降解不徹底。蛋白質(zhì)中含有硫時，在有氧氧化下還可形成硫酸，在無氧氧化下還有硫化氫產(chǎn)生。（4）甲烷發(fā)酵或沼氣發(fā)酵：在一定條件糖類、脂肪和蛋白質(zhì)在產(chǎn)氫菌和產(chǎn)乙酸菌作用下，可被轉(zhuǎn)化為乙酸、甲酸、氫氣和二氧化碳，進而經(jīng)產(chǎn)甲烷菌作用產(chǎn)生甲烷。復(fù)雜有機物質(zhì)降解的這一總過程，稱為甲烷發(fā)酵或沼氣發(fā)酵。降解率和降解速率：糖類>脂肪>蛋白質(zhì)產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生甲烷的主要途徑

：CH3COOH→CH4+CO2

CO2+4H2→CH4+2H2O甲烷發(fā)酵條件：1.產(chǎn)甲烷菌是專一性厭氧菌，必須處于無氧條件下；2.弱堿性環(huán)境，適宜pH范圍為7-8；3.發(fā)酵有機物質(zhì)的適宜碳氮比為30左右。4.其它重要條件：有溫度、菌種分布、發(fā)酵有機物質(zhì)的濃度等。第56頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2.有毒有機物的生物轉(zhuǎn)化類型有毒有機污染物主要是指具有生物毒性的有機污染物質(zhì)，它們不僅對生物和人類具有明顯的毒性，能引起急、慢性中毒，有些有毒物質(zhì)還能導(dǎo)致癌癥、畸胎和細胞遺傳基因突變，即“三致”作用。主要包括：（l）酚類化合物；（2）有機農(nóng)藥；（3）其他有機有毒物質(zhì)，如多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴、芳香族氨基化合物及各種人工合成的高分子化合物（如塑料、合成橡膠、人造纖維等）生物轉(zhuǎn)化的結(jié)果：一方面往往使有機毒物水溶性和極性增加易于排除體外；另一方面也會改變有機毒物的毒性，多數(shù)使毒性減小，少數(shù)毒性反而增大。有機毒物的生物轉(zhuǎn)化途徑：氧化、還原、水解和結(jié)合反應(yīng)四種。第57頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三有機毒物生物轉(zhuǎn)化的第一階段反應(yīng)通過氧化、還原、水解反應(yīng)將活潑的極性基團引入親脂的有機毒物分子中，使之不僅具有比原毒物較高的水溶性及極性，而且還能與機體內(nèi)某些內(nèi)源性物質(zhì)進行結(jié)合反應(yīng)，形成水溶性更高的結(jié)合物，而容易排出體外。第二階段反應(yīng)：第一階段反應(yīng)的產(chǎn)物或具有適宜功能基團的原毒物所進行的結(jié)合反應(yīng)。（1）氧化反應(yīng)類型①混合功能氧化酶加氧氧化：混合功能氧化酶又稱單加氧酶?；旌瞎δ苎趸傅墓δ苁抢眉毎麅?nèi)分子氧，將其中的一個氧原子與有機底物結(jié)合，使之氧化，而使另一個氧原子與氫原子結(jié)合形成水?；旌瞎δ苎趸傅某煞种患毎豍450酶起著關(guān)鍵作用。P450酶的活性部位是鐵卟啉的鐵原子，它在二與三價態(tài)間進行變換。第58頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三混合功能氧化酶的專一性較差，能催化許多有機毒物氧化，包括：碳雙鍵環(huán)氧化，碳羥基化，氧脫烴，硫脫烴、硫-氧化及脫硫，氮脫烴、氮-氧化及脫氮②脫氫酶脫氫氧化：脫氫酶是伴隨有氫原子或電子轉(zhuǎn)移，以非分子氧化合物為受氫體的酶類。脫氫酶能使相應(yīng)的底物脫氫氧化。例如：醇氧化成醛RCH2OH→RCHO+2H醇氧化成酮R1CHOHR2→R1COR2+2H醛氧化成羧酸RCHO+H20→RCOOH+2H③氧化酶氧化:氧化酶是伴隨有氫原子或電子轉(zhuǎn)移，以分子氧為直接受氫體的酶類。氧化酶使相應(yīng)底物氧化。例如:

RCH2NH2+H2O→RCHO+NH3+2H第59頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2.

（2）還原反應(yīng)類型①可逆脫氫酶加氫還原：可逆脫氫酶是指起逆向作用的脫氫酶類，能使相應(yīng)的底物加氫還原成醇。②硝基還原酶還原：硝基還原酶能使硝基化合物還原，生成相應(yīng)的胺。③偶氮還原酶還原：偶氮還原酶能使偶氮化合物還原成相應(yīng)的胺

。④還原脫氯酶還原：還原脫氯酶能使含氯化合物脫氯(用氫置換氯)或脫氯化氫而被還原。（3）水解反應(yīng)類型①羧酸酯酶使脂肪族酯水解

RCOOR?+H20→RCOOH+R?OH②芳香酯酶使芳香族酯水解③磷酯酶使磷酸酯水解④酰胺酶使酰胺水解

第60頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三（4）若干重要結(jié)合反應(yīng)類型①葡萄糖醛酸結(jié)合：在葡萄糖醛酸基轉(zhuǎn)移酶的作用下，生物體內(nèi)尿嘧啶核苷二磷酸葡萄糖醛酸中，葡萄糖醛酸基可轉(zhuǎn)移至含羥基的化合物上，形成O-葡萄糖苷酸結(jié)合物。所涉及的羥基化合物有醇酚、烯醇、羥酰胺、羥胺等。芳香及脂肪酸中羧基上的羥基，也可與葡萄糖醛酸結(jié)合成O-葡萄糖苷酸。伯胺、酰胺、磺胺等中的氮原子和大部分含巰基化合物中硫原子，也能與葡萄糖醛酸分別形成N-、S-葡萄糖苷酸結(jié)合物。②硫酸結(jié)合：在硫酸基轉(zhuǎn)移酶的催化下，可將3?-磷酸-5?-磷硫酸腺苷中硫酸基轉(zhuǎn)移到酚或醇的羥基上，形成硫酸酯結(jié)合物。一般，形成硫酸酯后的結(jié)合物極性增加，而容易排出體外，實際上起到解毒作用。但是有些N–羥基芳胺或N–羥基芳酰胺與硫酸結(jié)合后毒性增加。這一結(jié)合不如葡萄糖醛酸結(jié)合重要。第61頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三(3)谷胱甘肽結(jié)合：在相應(yīng)轉(zhuǎn)移酶催化下谷胱甘肽中的半胱氨酸及乙酰輔酶A的乙?；瑢⒁訬-乙酰半胱氨酸基形式加到有機鹵化物(氟除外)、環(huán)氧化合物、強酸酯、芳香烴、烯等親電化合物的碳原子上，形成疏基尿酸結(jié)合物。谷脫甘肽的結(jié)合，有力地解除了對機體有害親電化合物的毒性。3.有毒有機污染物質(zhì)的微生物降解（1）烴類的微生物降解在環(huán)境中烴類微生物降解以有氧氧化條件占絕對優(yōu)勢。①烷烴的微生物降解碳原子數(shù)大于1的正烷烴,其降解途徑有三種:通過烷烴的末端氧化；或次末端氧化；或雙端氧化，逐步生成醇、醛及脂肪酸，而后經(jīng)?-氧化進入三羧酸循環(huán),最終降解成二氧化碳和水。甲烷的降解途徑一般認為是：CH4→CH3OH→HCHO→CO2+H2O第62頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三許多微生物都能降解碳原子數(shù)大于1的正烷烴。能降解甲烷的專一性微生物：如好氧型的甲基孢囊菌、甲基單胞菌、甲基球菌、甲基桿菌等。

末端氧化的降解過程如下圖所示烷烴醇醛酸CO2+H2O第63頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三②烯烴的微生物降解烯烴的微生物降解途徑主要是烯的飽和末端氧化，再經(jīng)與正烷烴(C>1)相同的途徑成為不飽和脂肪酸；烯的不飽和末端雙鍵環(huán)氧化成環(huán)氧化合物，再經(jīng)開環(huán)形成二醇乃至脂肪酸；脂肪酸經(jīng)β—氧化進入三羧酸循環(huán)，最終降解成二氧化碳和水。第64頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三③苯的微生物降解途徑第一：降解前期，帶側(cè)鏈的芳香烴往往先從側(cè)鏈開始分解，并在單加氧酶的作用下使芳香環(huán)羥基化形成雙酚中間產(chǎn)物。第二：形成的雙酚化合物在高度專一性的雙加氧酶(將2個氧原子加到底物的加氧酶)作用下，環(huán)的2個碳原子上各加1個氧原子，使環(huán)鍵在鄰酚位或間酚位分裂，形成相應(yīng)的有機酸。第三：得到的有機酸逐步轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A、琥珀酸等，從而進入三羧酸循環(huán)，最后降解為二氧化碳和水。烴類化合物微生物降解難易程度比較1、只要條件合適，數(shù)十個碳原子以內(nèi)的烴類化合物均可被微生物降解。2、烯烴最易降解，烷烴次之，芳烴較難，多環(huán)芳烴更難，脂環(huán)烴最為困難。3、在烷烴中，正構(gòu)烷烴比異構(gòu)烷烴容易降解，直鏈烷烴比支鏈烷烴容易降解。4、在芳香類中，苯的降解要比烷基苯類及多環(huán)化合物困難。第65頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三第66頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三（2）農(nóng)藥的生物降解進入環(huán)境中的農(nóng)藥，首先對環(huán)境中的微生物有抑制作用，與此同時，環(huán)境中微生物也會利用有機農(nóng)藥為能源進行降解作用，使各種有機農(nóng)藥徹底分解為二氧化碳而最后消失。環(huán)境中微生物的種類繁多，各種農(nóng)藥在不同條件下，分解形式多種多樣，主要有氧化、還原、水解、脫鹵及脫烴等作用。①除草劑苯氧乙酸類除草劑中的2,4-D乙酯微生物降解的基本途徑如下圖，其他此類農(nóng)藥的微生物降解與其類同。能降解這類農(nóng)藥的微生物有球形節(jié)桿菌、聚生孢噬纖維菌、綠色產(chǎn)色鏈霉菌、黑曲霉等。第67頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三第68頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三②有機磷農(nóng)藥對硫磷的可能降解途徑如下圖。包括的酶促反應(yīng)類型有:氧化(Ⅰ),表現(xiàn)為硫代磷酸酯的脫硫氧化,如對硫磷轉(zhuǎn)化為對氧磷;水解(Ⅱ),即相應(yīng)酯鍵斷裂形成對硝基苯酚、乙基硫酮磷酸酯酸、乙基磷酸酯酸、磷酸以及乙醇;還原(Ⅲ),包括硝基變?yōu)榘被?對硝基苯酚變?yōu)榘被椒?。其?微生物以脂酶水解方式的降解最為常見。另外,降解過程的中間產(chǎn)物-對氧磷的毒性反而比母體對硫磷大。③DDT農(nóng)藥的微生物降解

DDT降解的主要途徑：DDT由于分子中特定位置上的氯原子而難于降解。在微生物還原脫氯酶作用下,脫氯和脫氯化氫。第69頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三降解產(chǎn)物：DDE及DDD是其最通常的降解產(chǎn)物。DDE極其穩(wěn)定。DDD還可形成一系列脫氯型化合物,如DDNS、DDNU等；DDT和DDD羥基化,分別形成三氯殺螨醇和FW-152。至少已有20種DDT不完全降解產(chǎn)物被分離出來。

降解速度：DDT在厭氧條件下降解較快?？山到釪DT的微生物：互生毛霉、鐮孢霉、木霉、產(chǎn)氣氣桿菌等。

小結(jié)：一般來說,有機氯農(nóng)藥較有機氮和有機磷農(nóng)藥要難降解得多。四、微生物對重金屬元素的轉(zhuǎn)化作用環(huán)境中金屬離子長期存在的結(jié)果，使自然界中形成了一些特殊微生物，它們對有毒金屬離子具有抗性，可以使金屬元素發(fā)生轉(zhuǎn)化作用。汞、鉛、錫、硒、砷等金屬或類金屬離子都能夠在微生物的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)化。第70頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三汞在環(huán)境中的存在形式有金屬汞、無機汞化合物和有機汞化合物三種。毒性：有機汞<金屬汞<無機汞。其中烷基汞是已知的毒性最大的汞化合物，其中甲基汞的毒性最大。甲基汞脂溶性大，化學性質(zhì)穩(wěn)定，容易被生物吸收，難以代謝消除，能在食物鏈中逐級傳遞放大。微生物參與汞形態(tài)轉(zhuǎn)化的主要方式是甲基化作用和還原作用。1.汞的甲基化

①生物甲基化：在好氧或厭氧條件下,水體底質(zhì)中某些微生物能使二價無機汞鹽轉(zhuǎn)變?yōu)榧谆投谆倪^程,稱汞的生物甲基化。汞的甲基化產(chǎn)物有一甲基汞和二甲基汞。酶-甲基鈷氨蛋氨酸轉(zhuǎn)移酶。輔酶-甲基鈷氨素(甲基維生素B12),屬于含三價鈷離子的一種咕琳衍生物,結(jié)構(gòu)簡式示如圖。第71頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三輔酶甲基鈷氨素把負甲基離子傳遞給汞離子形成甲基汞(CH3Hg+),本身變?yōu)樗镶挵彼亍：笳哂捎谄渲械拟挶惠o酶FADH2

還原,并失去水而轉(zhuǎn)變?yōu)槲鍌€氮配位的一價鈷氨素。最后,輔酶甲基四葉氫酸將正甲基離子轉(zhuǎn)于五配位鈷氨素,并從其一價鈷上取得二個電子,以負甲基離子與之絡(luò)合,完成甲基鈷氨素的再生,使汞的甲基化能夠繼續(xù)進行(圖5-19)。同理,可形成二甲基汞[(CH3)2Hg]。二甲基汞的生成速率比甲基汞約慢6000倍。第72頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三汞的甲基化既可在厭氧條件下發(fā)生，也可在好氧條件下發(fā)生。在厭氧條件下，主要轉(zhuǎn)化為二甲基汞，難溶于水，揮發(fā)性很大,容易從水體逸至大氣。但二甲基汞容易被光解為甲烷、乙烷和汞。在好氧條件下，主要轉(zhuǎn)化為一甲基汞，在pH=4～5的弱酸性水中，二甲基汞也可以轉(zhuǎn)化為一甲基汞。一甲基汞為水溶性物質(zhì)，易被生物吸收而進入食物鏈。汞甲基化是在微生物存在下完成的。這一過程既可以在水體的淤泥中進行，也可在魚體內(nèi)進行。Hg2+還能在乙醛、乙醇和甲醇作用下，經(jīng)紫外線輻射進行甲基化，這一過程比微生物的甲基化快得多。但Cl-對光化學過程有抑制作用，故可推知，在海水中上述過程進行緩慢。受汞污染的底泥中還存在另一種抗汞微生物，它們具有反甲基化作用，能去除甲基汞的毒性。這些微生物能把HgCl2還原成單質(zhì)汞，也可使有機汞轉(zhuǎn)化成單質(zhì)汞及相應(yīng)的有機物。利用微生物的這種功能發(fā)展生物治汞技術(shù)第73頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三

一甲基汞的形成速率要比二甲基汞的形成速率快6000倍，但在有H2S存在的條件下，則容易轉(zhuǎn)化為二甲基汞，這一過程可使不飽和的甲基完全甲基化。一甲基汞可因氯化物濃度和pH值不同而形成氯化甲基汞或氫氧化甲基汞。在中性和酸性條件下，氯化甲基汞是主要形態(tài)。影響無機汞甲基化的因素有：a.無機汞的形態(tài)只有Hg2+對甲基化是有效的，Hg2+濃度越高，對甲基化越有利，排入水體的其他各種形態(tài)的汞都要轉(zhuǎn)化為Hg2+才能甲基化。b.微生物的數(shù)量和種類參與發(fā)生甲基化過程的微生物越多，甲基汞合成的速度就越快。因此水環(huán)境中的甲基化往往在有機沉積物的最上層和懸浮的有機質(zhì)部分。c.溫度、營養(yǎng)物及pH值d.水體其他物質(zhì)第74頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三②還原作用在水體底質(zhì)中還可存在一類抗汞微生物,能使甲基汞或無機化合物變成金屬汞,這是微生物以還原作用轉(zhuǎn)化汞的途徑,其反應(yīng)方向恰好與汞的生物甲基化相反,故又稱為汞的生物去甲基化。

常見的抗汞微生物是假單胞菌屬。第75頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2.砷的甲基化重要存在形態(tài)：五價無機砷化合物[As(V)]、三價無機砷化合物[As(Ⅲ)]、一甲基胂酸[CH3AsO(OH)2]及其鹽、二甲基胂酸[(CH3)2AsO(OH)]及其鹽、三甲基胂氧化物[(CH3)3AsO]、三甲基胂[(CH3)3As]、砷膽堿[(CH3)3As+CH2CH2OH]、砷甜菜堿[(CH3)3As+CH2COO-]、砷糖等。砷糖結(jié)構(gòu)式表示如下,其中R代表有幾種形式的脂肪族取代基,如-CH2CH(OH)CH2OH。

砷的毒性以As(Ⅲ)最大,As(Ⅴ)次之,甲基砷化合物再次之,大致呈現(xiàn)砷化合物甲基數(shù)遞增毒性遞減的規(guī)律性。如鼠的毒性試驗表明,下列砷化合物毒性順序是:最典型的例外：三甲基胂具有高毒性。

第76頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三砷的微生物甲基化的基本途徑甲基供體是相應(yīng)轉(zhuǎn)移酶的輔酶S-腺苷甲硫氨酸,它起著傳遞正甲基離子的作用。正甲基離子先進攻由砷酸鹽還原得到的亞砷酸鹽中砷,奪取外層獨對電子以負甲基離子與之形成砷為五價的一甲基胂酸鹽。照此類推,依次生成二甲基胂酸鹽和三甲基胂氧化物,后者進一步還原成三甲基胂。另外,也可由二甲基胂酸鹽還原成二甲基胂。砷的微生物甲基化在厭氧或好氧條件下都可發(fā)生，如帚霉屬中的一些種將砷酸鹽轉(zhuǎn)化為三甲基胂,甲烷桿菌把砷酸鹽變成二甲基胂。微生物還可參與As(Ш)及As(V)之間的轉(zhuǎn)化。

第77頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三3.硒的甲基化毒性：亞硒酸及其鹽和酯的毒性最大。微生物參與硒的轉(zhuǎn)化有以下幾種情況:第一種，有機硒化合物轉(zhuǎn)化為無機硒化合物。如土壤中植物殘體釋放的硒蛋氨酸及硒-甲硒半脫氨酸均可被某些微生物轉(zhuǎn)變?yōu)槲猁}或亞硒酸鹽。第二種情況,硒化合物甲基化,最重要的產(chǎn)物是二甲基硒和三甲基硒離子。第三種情況,還原成單質(zhì)硒。如土壤中一些微生物能使硒酸鹽還原為單質(zhì)硒,使菌體呈現(xiàn)硒的鮮紅色。第四種情況,單質(zhì)硒的氧化。如光合紫硫細菌能將單質(zhì)硒氧化成硒酸鹽。第78頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三4.鐵的甲基化無機鐵化合物主要有溶解性二價亞鐵和難溶性三價鐵。二價鐵、三價鐵與含鐵有機物之間的相互轉(zhuǎn)化,同微生物的活動有關(guān)。鐵細菌能把二價鐵氧化為三價鐵,從中獲得該菌代謝所需的能量。鐵細菌中有的碳源不是有機物質(zhì)而是二氧化碳,是自養(yǎng)菌,如氧化亞鐵硫桿菌。環(huán)境問題:鐵細菌生活在鐵管中時,以致阻塞水管造成損失。鐵細菌作用使酸性礦水的形成。

環(huán)境中通過微生物代謝產(chǎn)生的酸類,可使難溶性三價鐵化合物溶解,或通過微生物分解有機質(zhì)降低了環(huán)境氧化還原電位,使三價鐵化合物還原成亞鐵化合物而溶解。第79頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三第五節(jié)環(huán)境污染物對人體健康的影響一、污染物質(zhì)的毒性1.毒物、毒物劑量和相對毒性毒物是進入生物機體后能使體液和組織發(fā)生生物化學的變化，干擾或破壞機體的正常生理功能，并引起暫時性或持久性的病理損害，甚至危及生命的物質(zhì)。這一定義受到多種因素的限制。如進入機體的物質(zhì)數(shù)量、生物種類、生物暴露于毒物的方式等。毒物與非毒物之間并不存在絕對的界限。毒物的種類：（1）按作用于機體的主要部位,分為作用于神經(jīng)系統(tǒng)、造血系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、肝、腎、眼、皮膚的毒物等。（2）根據(jù)作用性質(zhì),分為剌激性、腐蝕性、窒息性、致突變、致癌、致畸、致敏的毒物等。毒物與非毒物之間并不存在絕對的界限比如鈣，在人體血清中的最適宜濃度為90～95mg/L第80頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三

不同的毒物或同一種毒物在不同的條件下毒性是有差別的。影響毒物毒性的因素：（1）有毒物的化學結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)(如毒物的分子立體構(gòu)型、分子大小、官能團、溶解度、電離度、脂溶性等);

（2）毒物所處的基體因素(如基體的組成、性質(zhì)等);

（3）機體暴露于毒物的狀況(如毒物劑量-關(guān)鍵因素之一，濃度，機體暴露的持續(xù)時間、頻率、總時間、機體暴露的部位及途徑等);

（4）生物因素(如生物種屬差異、年齡、體重、性別、遺傳及免疫情況、營養(yǎng)及健康狀況等);

（5）生物所處的環(huán)境(如溫度、濕度、氣壓、季節(jié)及晝夜節(jié)律的變化、光照、噪聲等)。其中最重要的是毒物的劑量（深度）第81頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三效應(yīng)與反應(yīng)：毒理學把毒物劑量(濃度)與引起個體生物學的變化，如腦電、心電、血象、免疫功能、酶活性等的變化稱為效應(yīng)；把引起群體的變化，如腫瘤或其他損害的發(fā)生率、死亡率等變化稱為反應(yīng)。毒物劑量(濃度)與反(效)應(yīng)變化之間的關(guān)系，稱為劑量--反(效)應(yīng)關(guān)系。大多數(shù)的劑量--反(效)應(yīng)關(guān)系曲線呈S形，即在劑量開始增加時，反(效)應(yīng)變化不明顯，隨著劑量的繼續(xù)增加，反(效)應(yīng)變化趨于明顯，到一定程度后，變化又不明顯。

第82頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三毒物毒作用的分類：根據(jù)劑量(濃度)大小所引起毒作用快慢的不同,將毒作用分為急性、慢性和亞急(或亞慢)性三種。急性毒作用表示：半數(shù)有效劑量(ED50)或半數(shù)有效濃度(EC50)來表示。ED50和EC50分別是毒物引起一群受試生物的半數(shù)產(chǎn)生同一毒作用所需的毒物劑量和毒物濃度。ED50或EC50數(shù)值越小,受試物質(zhì)的毒性越高,反之,則毒性越低。

以死亡率作為毒作用的觀察指標,則稱為半數(shù)致死劑量(LD50)或半數(shù)致死濃度(LC50)。物質(zhì)的急性毒性根據(jù)半數(shù)致死劑量,一般分為4或5級。第83頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三慢性毒作用的表示：以閾劑量(濃度)或最高允許劑量(濃度)來表示。閾劑量(濃度)：是指在長期暴露毒物下,會引起機體受損害的最低劑量(濃度)。最高允許劑量(濃度)：是指長期暴露在毒物下,不引起機體受損害的最高劑量(濃度)。閾劑量(濃度)或最高允許劑量(濃度)越小,試驗物質(zhì)的慢性毒性越高,反之,慢性毒性越小。2.毒物的聯(lián)合作用兩種或兩種以上的毒物,同時作用于機體所產(chǎn)生的綜合毒性稱為毒物的聯(lián)合作用。分為：協(xié)同作用，相加作用，獨立作用，拮抗作用。假設(shè)兩種毒物單獨作用的死亡率分別為M1和M2，聯(lián)合作用的死亡率為M。（1）協(xié)同作用：指聯(lián)合作用的毒性，大于其中各個毒物成分單獨作用毒性的總和。在協(xié)同作用中，其中某一種毒物成分的存在能使機體對其他毒物成分的吸收加強、降解受阻、排泄延遲、蓄積增加或產(chǎn)生高毒代謝物等，使混合物的毒性增加。M>M1+M2第84頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三（2）相加作用：指聯(lián)合作用的毒性，等于其中各毒物成分單獨作用毒性的總和。在相加作用中各毒物成分均可按比例取代另一種毒物成分，而混合物毒性均無改變。M=M1+M2（3）拮抗作用：聯(lián)合作用的毒性小于其中各毒物成分單獨作用毒性的總和。M<M1+M2（4）獨立作用：各毒物對機體的侵入途徑、作用部位、作用機理等均不相同，因而在其聯(lián)合作用中各毒物生物學效應(yīng)彼此無關(guān)、互不影響。M=M1+M2(1-M1)

毒作用的過程為：(1)毒物被機體吸收進入體液后，經(jīng)分布、代謝轉(zhuǎn)化，并有一定程度的排泄。

(2)毒物或活性代謝產(chǎn)物與其受體進行原發(fā)反應(yīng)，使受體改性，隨后引起生物化學效應(yīng)。

(3)一系列病理生理的繼發(fā)反應(yīng)，出現(xiàn)在整體條件下可觀察到的毒作用的生理和(或)行為的反應(yīng)，即致毒癥狀。第85頁，講