生物体内污染物质的运动过程和毒性省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第五章第五章 生物体内污染物质运生物体内污染物质运动过程及毒性动过程及毒性第1页本章重点本章重点污染物生物富集、放大和积累污染物生物富集、放大和积累耗氧和有毒有机物微生物降解耗氧和有毒有机物微生物降解元素微生物转化元素微生物转化微生物对污染物转化速率微生物对污染物转化速率毒物毒性、联合作用、致突变、致癌及毒物毒性、联合作用、致突变、致癌及抑制酶活性抑制酶活性第2页第一节第一节 物质经过生物膜方式物质经过生物膜方式一、生物膜结构一、生物膜结构第3页生物膜结构生物膜结构 生物膜主要由磷脂双分子层和蛋白质镶嵌组成：生物膜主要由磷脂双分子层和蛋白质镶嵌组成：1、磷脂双分子层结构、磷脂双分子层结构 亲水基团亲水基团 疏水基团疏水基团2、镶嵌蛋白类型与生理功效、镶嵌蛋白类型与生理功效类型：表在蛋白和内在蛋白类型：表在蛋白和内在蛋白生理功效：生理功效：转运膜内外物质载体转运膜内外物质载体起催化作用酶起催化作用酶能量转换器能量转换器第4页生物膜结构生物膜结构生物膜主要是由磷脂双分子层和蛋白质镶嵌生物膜主要是由磷脂双分子层和蛋白质镶嵌组成、厚度为组成、厚度为7.5-107.5-10nmnm流动变动复杂体。流动变动复杂体。在磷脂双分子层中，亲水极性基因排列于内在磷脂双分子层中，亲水极性基因排列于内外两面，疏水烷链端伸向内侧，所以，在双外两面，疏水烷链端伸向内侧，所以，在双分子层中央存在一个疏水区，生物膜是分子层中央存在一个疏水区，生物膜是类脂类脂层屏障层屏障。膜上镶嵌蛋白质，有附着在磷脂双分子层表膜上镶嵌蛋白质，有附着在磷脂双分子层表面表在蛋白，有深埋或贯通磷脂双分子层内面表在蛋白，有深埋或贯通磷脂双分子层内在蛋白，但他们亲水端也都露在双分子层外在蛋白，但他们亲水端也都露在双分子层外表面。表面。在生物膜中还有少许带极性、常含有水微小在生物膜中还有少许带极性、常含有水微小孔道，称为膜孔。孔道，称为膜孔。第5页二、物质经过生物膜方式二、物质经过生物膜方式物质经过生物膜方式依据其机制分为五类：物质经过生物膜方式依据其机制分为五类：1、膜孔滤过：、膜孔滤过：直径小于膜孔直径小于膜孔水溶性物质水溶性物质，借助膜两侧，借助膜两侧 静水静水压及渗透压经膜孔滤过。压及渗透压经膜孔滤过。2、被动扩散：、被动扩散：脂溶性物质经过有类脂层屏障生物膜，由高脂溶性物质经过有类脂层屏障生物膜，由高浓度侧向低浓度侧扩散，其扩散速率服从费克浓度侧向低浓度侧扩散，其扩散速率服从费克定律：定律：式中式中D为扩散系数，决定于经过物质和膜为扩散系数，决定于经过物质和膜性质，性质，A为扩散面积。为扩散面积。第6页物质经过生物膜方式物质经过生物膜方式3、被动易化扩散：、被动易化扩散：有些物质可在高浓度侧与膜上有些物质可在高浓度侧与膜上特异性蛋白质载特异性蛋白质载体结合体结合，经过生物膜，至低浓度侧解离出原物，经过生物膜，至低浓度侧解离出原物质，这一转运为被动易化扩散。质，这一转运为被动易化扩散。4、主动转运：、主动转运：在消耗一定代谢能量下，一些物质可在低浓度在消耗一定代谢能量下，一些物质可在低浓度侧与膜上高浓度特异性蛋白载体结合，经过生侧与膜上高浓度特异性蛋白载体结合，经过生物膜，至高浓度侧解离出原物质。物膜，至高浓度侧解离出原物质。这种转运与膜高度特异性载体及其数量相关，这种转运与膜高度特异性载体及其数量相关，而含有特异性选择，类似物质竞争性抑制和饱而含有特异性选择，类似物质竞争性抑制和饱和现象。和现象。第7页主动转运主动转运 所所需需代代谢谢能能量量来来自自膜膜三三磷磷酸酸酰酰苷苷酶酶分分解解三三磷磷酸酸酰酰苷苷(ATP)成成二二磷磷酸酸酰酰苷苷（ADP）和和磷磷酸酸时时所释放能量。所释放能量。含有竞争性抑制、特异性选择和饱和现象。含有竞争性抑制、特异性选择和饱和现象。如钾离子在细胞内外浓度分布：如钾离子在细胞内外浓度分布：K+(细胞内细胞内)K+(细胞外细胞外)第8页物质经过生物膜方式物质经过生物膜方式5、胞吞和胞饮：、胞吞和胞饮：少数物质与膜上蛋白质有特殊亲和力，当其少数物质与膜上蛋白质有特殊亲和力，当其与膜接触后，可改变这部分膜表面张力，引发与膜接触后，可改变这部分膜表面张力，引发膜外包或内陷而被包围进入膜内，固体物质这膜外包或内陷而被包围进入膜内，固体物质这一转运称为胞吞，而液态物质则称为胞饮。一转运称为胞吞，而液态物质则称为胞饮。物质以何种方式经过生物膜，主要决定于机物质以何种方式经过生物膜，主要决定于机体各组织体各组织生物膜特征生物膜特征和和物质结构、理化性质。物质结构、理化性质。物质理化性质包含脂溶性、水溶性、解离度、物质理化性质包含脂溶性、水溶性、解离度、分子大小等。除大多数营养物质及其代谢物外，分子大小等。除大多数营养物质及其代谢物外，大部分物质普通以被动扩散方式经过生物膜。大部分物质普通以被动扩散方式经过生物膜。第9页第二节第二节 污染物质在机体内转运污染物质在机体内转运 污染物质在机体内运动过程包含吸收、分布、污染物质在机体内运动过程包含吸收、分布、排泄和生物转化。前三者统称为转运。排泄和生物转化。前三者统称为转运。一、吸收一、吸收 吸收是污染物质从机体外经过各种路径通透吸收是污染物质从机体外经过各种路径通透体膜体膜进入血液进入血液过程。吸收路径主要是机体消化过程。吸收路径主要是机体消化管、呼吸道和皮肤。管、呼吸道和皮肤。1、消化管是吸收污染物质最主要路径、消化管是吸收污染物质最主要路径经过被动扩散被消化管吸收，主动转运极少；经过被动扩散被消化管吸收，主动转运极少；最主要吸收部位在小肠，其次在胃。最主要吸收部位在小肠，其次在胃。影响吸收主要原因：影响吸收主要原因：污染物质脂溶性；污染物质脂溶性；污染物质在小肠内浓度；污染物质在小肠内浓度；血液流速也是影响污染物吸收原因。血液流速也是影响污染物吸收原因。污染物解离情况（未解离易于扩散）污染物解离情况（未解离易于扩散）第10页吸收吸收2、呼吸管是吸收大气污染物主要路径：、呼吸管是吸收大气污染物主要路径：主要吸收部位在肺泡主要吸收部位在肺泡 吸收气态和液态气溶胶物质，经过被动扩散和吸收气态和液态气溶胶物质，经过被动扩散和滤过方式，分别快速经过肺泡和毛细管膜进入滤过方式，分别快速经过肺泡和毛细管膜进入血液血液；固态气溶胶和粉尘污染物中易溶微粒按上述方固态气溶胶和粉尘污染物中易溶微粒按上述方式被吸收，而难溶微粒在吞噬作用下被吸收。式被吸收，而难溶微粒在吞噬作用下被吸收。3、皮肤吸收是不少污染物质进入机体路径、皮肤吸收是不少污染物质进入机体路径 皮肤接触污染物质，常以被动扩散相继经过皮肤接触污染物质，常以被动扩散相继经过皮肤表皮、真皮，再滤过真皮中毛细管壁膜进皮肤表皮、真皮，再滤过真皮中毛细管壁膜进入血液。（分子量低、非极性、液态或溶解态、入血液。（分子量低、非极性、液态或溶解态、脂溶性）脂溶性）第11页二、分布二、分布 分布指污染物质被吸收后和其代谢转化物质分布指污染物质被吸收后和其代谢转化物质形成后，由形成后，由血液血液送至机体各组织、与组织成份送至机体各组织、与组织成份结合、从组织返回血液、以及再重复等过程。结合、从组织返回血液、以及再重复等过程。在污染物质分布过程中，污染物质转运以被动在污染物质分布过程中，污染物质转运以被动扩散为主。扩散为主。影响原因：影响原因：组织血流速度影响：脂溶性污染物易于经过生物膜，组织血流速度影响：脂溶性污染物易于经过生物膜，组织血流速度是分布限速原因。组织血流速度是分布限速原因。中枢神经系统毛细管壁间几乎无空隙，污染物之经膜中枢神经系统毛细管壁间几乎无空隙，污染物之经膜通透性大小成为转运限制原因：低脂溶性高解离度物通透性大小成为转运限制原因：低脂溶性高解离度物质经膜通透性差，受经膜通透性限制。质经膜通透性差，受经膜通透性限制。污染物质与血液中血浆蛋白结合能力大小。污染物质与血液中血浆蛋白结合能力大小。有些污染物质与血液红细胞和血管外组织蛋白结合，有些污染物质与血液红细胞和血管外组织蛋白结合，也会显著影响它们在机体内分布。也会显著影响它们在机体内分布。第12页三、排泄三、排泄 排泄是污染物质及其代谢产物向机体外转运排泄是污染物质及其代谢产物向机体外转运过程。排泄器官有肾脏、肝脏、肠、肺和外分过程。排泄器官有肾脏、肝脏、肠、肺和外分泌腺等。其中，以肾和肝脏为主。泌腺等。其中，以肾和肝脏为主。肾排泄是污染物经过肾随尿而排出过程；肾小肾排泄是污染物经过肾随尿而排出过程；肾小球毛细血管壁有许多较大孔膜，但分子量过大球毛细血管壁有许多较大孔膜，但分子量过大或与血浆蛋白结合污染物质仍留在血液中。或与血浆蛋白结合污染物质仍留在血液中。污染物质另一个主要排泄路径是肝胆系统胆汁污染物质另一个主要排泄路径是肝胆系统胆汁排泄：主要由消化管吸收污染物质，经血液抵排泄：主要由消化管吸收污染物质，经血液抵达肝脏后，以原物或代谢物并胆汁一起分泌至达肝脏后，以原物或代谢物并胆汁一起分泌至十二指肠，经小肠至大肠，再排出体外过程。十二指肠，经小肠至大肠，再排出体外过程。主要是主动转运，被动扩散少主要是主动转运，被动扩散少。有些物质由胆汁排出，在肠道运行中又重新被有些物质由胆汁排出，在肠道运行中又重新被吸收，这种现象称为肝肠循环。吸收，这种现象称为肝肠循环。第13页四、蓄积四、蓄积 机体长久接触某种污染物质，若吸收超出排机体长久接触某种污染物质，若吸收超出排泄及代谢转化，就会出现该污染物质在体内逐泄及代谢转化，就会出现该污染物质在体内逐步增加现象，称为生物蓄积。蓄积量是吸收、步增加现象，称为生物蓄积。蓄积量是吸收、分布、代谢转化和排泄各量代数和。蓄积时，分布、代谢转化和排泄各量代数和。蓄积时，污染物质体内分布，通常表现为相对集中方式，污染物质体内分布，通常表现为相对集中方式，主要集中在机体一些部位：主要集中在机体一些部位：机体主要蓄积部位是血浆蛋白、脂肪组织和骨机体主要蓄积部位是血浆蛋白、脂肪组织和骨骼；骼；有些污染物质蓄积部位与毒性作用部位相同，有些污染物质蓄积部位与毒性作用部位相同，而有些则不一致；而有些则不一致；蓄积部位中污染物质，常同血浆中游离型污染蓄积部位中污染物质，常同血浆中游离型污染物质保持相对稳定平衡。物质保持相对稳定平衡。第14页第15页第三节第三节 污染物质生物富集、放大和积累污染物质生物富集、放大和积累一、生物富集一、生物富集1、生物浓缩系数、生物浓缩系数 生物经过生物经过非吞食非吞食方式，从周围环境（水、方式，从周围环境（水、土壤、大气）蓄积某种元素或难降解物质，使土壤、大气）蓄积某种元素或难降解物质，使其在机体内浓度超出周围环境中浓度现象。生其在机体内浓度超出周围环境中浓度现象。生物富集作用大小可用生物浓缩系数来表示：物富集作用大小可用生物浓缩系数来表示：BCFcb/ca cb某种元素或难降解物质在机体中浓度；某种元素或难降解物质在机体中浓度；ca某种元素或难降解物质在机体周围环境某种元素或难降解物质在机体周围环境中浓度。中浓度。2、生物浓缩系数影响原因、生物浓缩系数影响原因 BCF取值范围很大，其主要影响原因为：取值范围很大，其主要影响原因为：第16页生物富集生物富集2、生物浓缩系数影响原因、生物浓缩系数影响原因在物质性质方面主要影响是物质降解性、水溶在物质性质方面主要影响是物质降解性、水溶性和脂溶性；性和脂溶性；在生物特征方面主要是生物种类、大小、性别、在生物特征方面主要是生物种类、大小、性别、器官、生物发育阶段等；器官、生物发育阶段等；在环境条件方面包含温度、盐度、水硬度、在环境条件方面包含温度、盐度、水硬度、pH值、氧含量和光照情况等。值、氧含量和光照情况等。普通，重金属元素和许多含氯碳氢化合物、普通，重金属元素和许多含氯碳氢化合物、稠环、杂环有机化合物含有很高生物浓缩系数。稠环、杂环有机化合物含有很高生物浓缩系数。第17页生物富集生物富集3、水生生物富集速率、水生生物富集速率水生生物富集速率方程为：水生生物富集速率方程为：生物浓缩系数：生物浓缩系数：生物富集作用生物富集作用 到达平衡时到达平衡时 BCF ka、ke、kg分别为水生生物吸收、消除、生长分别为水生生物吸收、消除、生长速率常数；速率常数；cw、cf分别为水及生物体内瞬时物质浓度。分别为水及生物体内瞬时物质浓度。第18页生物富集生物富集 水生生物对水中物质富集过程十分复杂，但水生生物对水中物质富集过程十分复杂，但对于脂溶性高、水溶性低，以被动扩散经过生对于脂溶性高、水溶性低，以被动扩散经过生物膜难降解有机物，该过程可近似视为物质在物膜难降解有机物，该过程可近似视为物质在水和生物组织两相间分配作用。以正辛醇作为水和生物组织两相间分配作用。以正辛醇作为水生生物脂肪组织代用具，发觉这些有机物质水生生物脂肪组织代用具，发觉这些有机物质在辛醇在辛醇-水两相分配系数对数与其在水生生物水两相分配系数对数与其在水生生物体内浓缩系数对数之间含有良好线性正相关关体内浓缩系数对数之间含有良好线性正相关关系：系：lgBCFalgKowb 第19页二、生物放大二、生物放大 生物放大指在同一食物链上高营养级生物，经生物放大指在同一食物链上高营养级生物，经过过吞食吞食低营养级生物蓄积某种元素或难降解物质，低营养级生物蓄积某种元素或难降解物质，使其在机体内浓度随营养级数提升而增大现象。使其在机体内浓度随营养级数提升而增大现象。生物放大程度，也用生物浓缩系数表示。生物放大程度，也用生物浓缩系数表示。生物放大结果，往往是使食物链上高营养级生物生物放大结果，往往是使食物链上高营养级生物体内这种元素或物质浓度超出周围环境中浓度；体内这种元素或物质浓度超出周围环境中浓度；但生物放大作用并非在全部条件下都能够发生。但生物放大作用并非在全部条件下都能够发生。有些物质能够沿食物链传递，但不能沿食物链放有些物质能够沿食物链传递，但不能沿食物链放大；有些物质既不能沿食物链传递，也不能沿食大；有些物质既不能沿食物链传递，也不能沿食物链放大。物链放大。生物放大受多方面原因影响：食物链交织；生物生物放大受多方面原因影响：食物链交织；生物对物质吸收、消除等作用改变性。对物质吸收、消除等作用改变性。第20页三、生物积累三、生物积累 生物积累是生物从周围环境中（水、土壤、大生物积累是生物从周围环境中（水、土壤、大气）和食物链蓄积某种元素或难降解物质，使其气）和食物链蓄积某种元素或难降解物质，使其在机体中浓度超出周围环境中浓度现象。生物放在机体中浓度超出周围环境中浓度现象。生物放大或生物富集分别是属于生物积累一个情况。大或生物富集分别是属于生物积累一个情况。生物累积也用生物浓缩系数来表示。生物累积也用生物浓缩系数来表示。水生生物积累微分速率方程：水生生物积累微分速率方程：食物链上水生生物对某种物质积累速率等于从食物链上水生生物对某种物质积累速率等于从水中吸收速率、从食物链上吸收速率及其本身消水中吸收速率、从食物链上吸收速率及其本身消除、吸收速率代数和。除、吸收速率代数和。当生物积累达平衡时，当生物积累达平衡时，dci/dt=0 第21页生物积累生物积累积累速率：积累速率：Ci=Cwi+Ci 即：积累浓度即：积累浓度=水中摄取浓度水中摄取浓度+食物链传递浓度食物链传递浓度 反反应应是是在在生生物物积积累累到到达达平平衡衡时时，生生物物富富集集和和生物放大在生物积累到达平衡时贡献大小。生物放大在生物积累到达平衡时贡献大小。生生物物积积累累、放放大大和和富富集集可可在在不不一一样样侧侧面面为为探探讨讨环环境境中中污污染染物物质质迁迁移移、排排放放标标准准和和可可能能造造成成危危害害，以以及及利利用用生生物物对对环环境境进进行行监监测测和和净净化化，提供主要科学依据。提供主要科学依据。第22页第四节第四节 污染物质生物转化污染物质生物转化 物质在生物作用下发生化学改变，称为生物物质在生物作用下发生化学改变，称为生物转化或代谢（转化）。生物转化、化学转化和转化或代谢（转化）。生物转化、化学转化和光化学转化是污染物质在环境中三大主要转化光化学转化是污染物质在环境中三大主要转化类型。污染物质在环境中生物转化过程中，微类型。污染物质在环境中生物转化过程中，微生物起到非常主要作用。生物起到非常主要作用。本节主要介绍生物转化中酶学和氢传递过本节主要介绍生物转化中酶学和氢传递过程基础内容，方便于了解污染物质生物转化；程基础内容，方便于了解污染物质生物转化；耗氧和有毒有机污染物质微生物降解；若干重耗氧和有毒有机污染物质微生物降解；若干重金属和非金属元素微生物转化。金属和非金属元素微生物转化。第23页污染物质生物转化污染物质生物转化一、生物转化中酶一、生物转化中酶 酶是一类由细胞制造和分泌、以蛋白质为主酶是一类由细胞制造和分泌、以蛋白质为主要成份、含有催化活性生物催化剂。在酶催化要成份、含有催化活性生物催化剂。在酶催化下发生转化物质称为底物或基质；底物所发生下发生转化物质称为底物或基质；底物所发生转化称为酶促反应。转化称为酶促反应。1、酶催化反应特点：、酶催化反应特点：催化专一性高：一个酶只能对一个底物或一类催化专一性高：一个酶只能对一个底物或一类底物起催化作用；底物起催化作用；酶催化效率高；酶催化效率高；酶催化需要温和外界条件，不然失去催化活性，酶催化需要温和外界条件，不然失去催化活性，因为酶本质是蛋白质。因为酶本质是蛋白质。第24页生物转化中酶生物转化中酶2、酶种类、酶种类（1）依据起催化作用场所，将酶分为胞内酶和）依据起催化作用场所，将酶分为胞内酶和胞外酶两类。胞外酶两类。（2）依据催化反应类型分为六大类：）依据催化反应类型分为六大类：氧化还原酶氧化还原酶转移酶转移酶水解酶水解酶裂解酶裂解酶异构酶异构酶合成酶合成酶（3）依据成份，分为两大类：）依据成份，分为两大类：单成份酶：只含有蛋白质单成份酶：只含有蛋白质双成份酶：除蛋白质外，还有非蛋白质部分：双成份酶：除蛋白质外，还有非蛋白质部分：辅基辅基或辅酶或辅酶第25页生物转化中酶生物转化中酶双成份酶：双成份酶：辅基和辅酶差异：仅同酶蛋白结合牢靠程度不辅基和辅酶差异：仅同酶蛋白结合牢靠程度不一样。一样。辅酶起传递电子、原子或一些化学基团功效辅酶起传递电子、原子或一些化学基团功效，酶蛋白起着决定催化专一性和催化高效率功效；酶蛋白起着决定催化专一性和催化高效率功效；辅酶成份是金属离子、含金属有机化合物或小辅酶成份是金属离子、含金属有机化合物或小分子复杂有机化合物。分子复杂有机化合物。同一个辅酶同一个辅酶能够结合不能够结合不一样酶蛋白，组成许各种双成份酶，对一样酶蛋白，组成许各种双成份酶，对不一样不一样底物底物进行进行相同（同类）反应相同（同类）反应。辅酶对电子、原。辅酶对电子、原子或一些化学基团传递功效，是双成份酶催化子或一些化学基团传递功效，是双成份酶催化反应关键。反应关键。第26页二、若干主要辅酶功效二、若干主要辅酶功效1、FMN和和FAD 辅酶辅酶FMN：黄素单核苷酸黄素单核苷酸 FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸 第27页FMN和和FAD FMN和和FAD是一些氧化还原反应酶辅酶，在酶促反是一些氧化还原反应酶辅酶，在酶促反应中含有传递氢原子作用：经过在不饱和应中含有传递氢原子作用：经过在不饱和N原子上加氢。原子上加氢。（可逆过程）（可逆过程）第28页2、NAD+和和NADP+辅酶辅酶NAD+和和NADP+分别称为辅酶分别称为辅酶I和辅酶和辅酶II，分别是分别是烟酰胺嘌呤烟酰胺嘌呤二核苷酸二核苷酸和烟酰胺嘌呤和烟酰胺嘌呤二核苷酸磷酸二核苷酸磷酸缩写。缩写。它们也是一些氧化还原酶辅酶，在酶促反应中起它们也是一些氧化还原酶辅酶，在酶促反应中起传递氢传递氢作用。作用。第29页NAD+和和NADP+第30页3、辅酶、辅酶Q 辅酶辅酶Q又称为泛醌，简称为又称为泛醌，简称为CoQ，也是也是一些氧化还原酶辅酶，在酶促反应中起一些氧化还原酶辅酶，在酶促反应中起到递氢作用：（醌式结构部分结合氢）到递氢作用：（醌式结构部分结合氢）第31页4、细胞色素酶系辅酶、细胞色素酶系辅酶 细胞色素酶系是催化底物细胞色素酶系是催化底物氧化氧化一类酶系，主一类酶系，主要有细胞色素要有细胞色素b、c1、c、a、a3等几个。它们等几个。它们酶酶蛋白部分各不相同，不过辅酶都是铁卟啉蛋白部分各不相同，不过辅酶都是铁卟啉。在。在酶促反应时辅酶铁卟啉中铁不停进行氧化还原，酶促反应时辅酶铁卟啉中铁不停进行氧化还原，当铁取得电子时从三价还原为二价，后者把电当铁取得电子时从三价还原为二价，后者把电子传递除去后又氧化为三价，从而起到子传递除去后又氧化为三价，从而起到传递电传递电子子作用：作用：cytnFe 3+=cytnFe 2+cyt为细胞色素酶系为细胞色素酶系 nb、c1、c、a、a3第32页5、辅酶、辅酶A 辅酶辅酶A是泛酸一个衍生物，简写为是泛酸一个衍生物，简写为CoASH。辅酶辅酶A是一个转移酶辅酶，所含巯基与酰基形成硫是一个转移酶辅酶，所含巯基与酰基形成硫酯，在酶促反应中起酯，在酶促反应中起传递酰基传递酰基作用：作用：CoASH CH3CO+CH3CO-SCoA+H+第33页三、生物氧化中氢传递过程三、生物氧化中氢传递过程 生物氧化是有机物质在机体细胞内氧化，生物氧化是有机物质在机体细胞内氧化，并伴随有能量释放。放出能量主要经过二磷酸并伴随有能量释放。放出能量主要经过二磷酸腺苷与正磷酸合成三磷酸腺苷而被暂时存放。腺苷与正磷酸合成三磷酸腺苷而被暂时存放。第34页生物氧化中氢传递过程生物氧化中氢传递过程 在生物氧化中有机物质氧化多为去氢氧化，在生物氧化中有机物质氧化多为去氢氧化，脱去氢（脱去氢（H+e）以原子或电子形式由对应氧化以原子或电子形式由对应氧化还原酶按一定次序传递给受体还原酶按一定次序传递给受体。这一氢原子或。这一氢原子或电子传递过程称为氢传递或电子传递过程，其电子传递过程称为氢传递或电子传递过程，其受体为受氢体或电子受体。有氧氧化和无氧氧受体为受氢体或电子受体。有氧氧化和无氧氧化两种：受氢体是细胞内分子氧则为有氧氧化，化两种：受氢体是细胞内分子氧则为有氧氧化，受氢体是非分子氧化合物则为无氧氧化。受氢体是非分子氧化合物则为无氧氧化。好氧微生物进行有氧氧化，厌氧微生物进好氧微生物进行有氧氧化，厌氧微生物进行无氧氧化，兼性厌氧微生物视生存环境中氧行无氧氧化，兼性厌氧微生物视生存环境中氧含量多少而定。含量多少而定。氢传递过程按受氢体情况分为以下几类：氢传递过程按受氢体情况分为以下几类：第35页生物氧化中氢传递过程生物氧化中氢传递过程1、有氧氧化中以分子氧为直接收氢体递氢过程有氧氧化中以分子氧为直接收氢体递氢过程 只有一个酶作用于有机底物，脱落底物氢（只有一个酶作用于有机底物，脱落底物氢（H+e），），其中电子其中电子由该酶辅酶直接传递给由该酶辅酶直接传递给O2，形形成激活态成激活态O2-，与脱落氢剩下与脱落氢剩下H化合生成水。化合生成水。第36页生物氧化中氢传递过程生物氧化中氢传递过程2、有氧氧化中分子氧为间接收氢体递氢过程：、有氧氧化中分子氧为间接收氢体递氢过程：有几个酶共同发挥作用，第一个酶从有机底物有几个酶共同发挥作用，第一个酶从有机底物脱落氢，其余酶次序传递，最终把其中电子传给脱落氢，其余酶次序传递，最终把其中电子传给分子氧形成激活态分子氧形成激活态O2-，并与脱落氢剩下并与脱落氢剩下H化合化合生成水。生成水。第37页生物氧化中氢传递过程生物氧化中氢传递过程3、无氧氧化中有机底物转化中间产物作为受氢体递、无氧氧化中有机底物转化中间产物作为受氢体递氢过程：氢过程：有一个或一个以上酶参加，最终常由脱氢辅酶有一个或一个以上酶参加，最终常由脱氢辅酶NADH+H+将所含起源于有机底物氢，将所含起源于有机底物氢，传给该底物传给该底物生物转化对应中间产物生物转化对应中间产物。（中间产物作为受氢体）。（中间产物作为受氢体）第38页生物氧化中氢传递过程生物氧化中氢传递过程4、无氧氧化中一些无机含氧化合物作为受氢体、无氧氧化中一些无机含氧化合物作为受氢体递氢过程：递氢过程：在这类氢传递过程中常见受氢体是硝酸根、在这类氢传递过程中常见受氢体是硝酸根、硫酸根和二氧化碳，它们接收起源于有机底物硫酸根和二氧化碳，它们接收起源于有机底物由酶传递来氢，而被分别还原为氮分子（或一由酶传递来氢，而被分别还原为氮分子（或一氧化二氮）、硫化氢和甲烷。氧化二氮）、硫化氢和甲烷。第39页四、耗氧有机污染物质微生物降解四、耗氧有机污染物质微生物降解 有机物质经过生物氧化以及其它生物转化，能够变有机物质经过生物氧化以及其它生物转化，能够变成更小更简单分子。这一过程称为有机物质成更小更简单分子。这一过程称为有机物质生物降解生物降解。如有机物降解为如有机物降解为CO2、水等简单无机化合物，则为彻水等简单无机化合物，则为彻底降解，不然为不彻底降解。底降解，不然为不彻底降解。耗氧有机污染物是生物残体、排放废水和废弃物中糖耗氧有机污染物是生物残体、排放废水和废弃物中糖类、脂肪、蛋白质等较易生物降解有机物质。类、脂肪、蛋白质等较易生物降解有机物质。1、糖类微生物降解、糖类微生物降解 糖类：碳水化合物，分为单糖、二糖和多糖。糖类：碳水化合物，分为单糖、二糖和多糖。微生物降解糖类基本路径：微生物降解糖类基本路径：（1）多糖水解成单糖：多糖在胞外水解酶催化作用下水）多糖水解成单糖：多糖在胞外水解酶催化作用下水解成二糖和单糖，才能被微生物摄取进入细胞内。解成二糖和单糖，才能被微生物摄取进入细胞内。多多糖水解产物以葡萄糖为主。糖水解产物以葡萄糖为主。（2）单糖酵解成）单糖酵解成丙酮酸丙酮酸（有氧氧化或无氧氧化）（有氧氧化或无氧氧化）第40页糖类微生物降解糖类微生物降解（3）丙酮酸转化）丙酮酸转化有氧氧化条件下：有氧氧化条件下：丙酮酸经过酶促反应转化成乙酰辅酶丙酮酸经过酶促反应转化成乙酰辅酶A；乙酰辅酶乙酰辅酶A与草酰乙酸经酶促反应转化成柠檬酸；与草酰乙酸经酶促反应转化成柠檬酸；柠檬酸经过酶促反应路径，最终形成草酰乙酸柠檬酸经过酶促反应路径，最终形成草酰乙酸 上述生物转化路径称为上述生物转化路径称为三羧酸循环或柠檬酸循环，简称三羧酸循环或柠檬酸循环，简称TCA循环循环。丙酮酸完全氧化，总反应为：丙酮酸完全氧化，总反应为：CH3COCOOH5/2O2 3CO22H2O无氧氧化条件下：无氧氧化条件下：丙酮酸经过酶促反应，以其本身作为受氢体而被还丙酮酸经过酶促反应，以其本身作为受氢体而被还原为乳酸；或以其转化中间产物作受氢体，发生不完全原为乳酸；或以其转化中间产物作受氢体，发生不完全氧化生成低级有机酸、醇及氧化生成低级有机酸、醇及CO2等。等。第41页第42页第43页第44页第45页第46页第47页第48页第49页第50页糖类微生物降解糖类微生物降解 总而言之，糖类经过微生物作用，在有氧氧化总而言之，糖类经过微生物作用，在有氧氧化下能被完全氧化成下能被完全氧化成CO2和水，降解彻底；在无氧和水，降解彻底；在无氧氧化下通常氧化不完全，生成简单有机酸、醇及氧化下通常氧化不完全，生成简单有机酸、醇及CO2等，降解不彻底。后一过程因有大量简单有等，降解不彻底。后一过程因有大量简单有机酸生成，体系机酸生成，体系pH下降，所以属于酸性发酵。下降，所以属于酸性发酵。发酵详细产物取决于产酸菌种类和外界条件。发酵详细产物取决于产酸菌种类和外界条件。TCA循环是糖、脂类、蛋白质代谢联络枢纽。循环是糖、脂类、蛋白质代谢联络枢纽。TCA循环既是物质分解代谢组成部分，亦是物循环既是物质分解代谢组成部分，亦是物质合成主要步骤，为其它生物合成提供原料。质合成主要步骤，为其它生物合成提供原料。第51页2、脂肪微生物降解、脂肪微生物降解 脂肪是由脂肪酸和甘油合成酯。微生物降脂肪是由脂肪酸和甘油合成酯。微生物降解脂肪基本路径以下：解脂肪基本路径以下：（1）脂肪水解成脂肪酸和甘油：）脂肪水解成脂肪酸和甘油：脂肪在胞外水解酶催化下水解为脂肪酸和甘脂肪在胞外水解酶催化下水解为脂肪酸和甘油，生成脂肪酸大多为油，生成脂肪酸大多为1220个碳原子，主要个碳原子，主要是含偶数碳原子饱和酸，还有含双键不饱和酸。是含偶数碳原子饱和酸，还有含双键不饱和酸。第52页脂肪微生物降解脂肪微生物降解（2）甘油转化：）甘油转化：甘油在有氧或无氧条件下，均能被对应甘油在有氧或无氧条件下，均能被对应一系列酶促反应转变成丙酮酸。而丙酮一系列酶促反应转变成丙酮酸。而丙酮酸深入氧化同前面所述及方式。即在有酸深入氧化同前面所述及方式。即在有氧条件下转化为氧条件下转化为CO2和水，在无氧氧化条和水，在无氧氧化条件下转变为简单有机酸、醇和件下转变为简单有机酸、醇和CO2第53页脂肪微生物降解脂肪微生物降解（3）脂肪酸转化）脂肪酸转化 有氧氧化条件下：有氧氧化条件下：饱和脂肪酸通常经过酶促反应（饱和脂肪酸通常经过酶促反应（-氧化氧化）变）变成脂酰辅酶成脂酰辅酶A和乙酰辅酶和乙酰辅酶A。乙酰辅酶乙酰辅酶A进入三进入三羧酸循环。脂酰辅酶羧酸循环。脂酰辅酶A又经过又经过-氧化路径进行氧化路径进行转化。假如原酸碳原子为偶数，则陆续转化为转化。假如原酸碳原子为偶数，则陆续转化为乙酰辅酶乙酰辅酶A进入三羧酸循环；假如原酸为奇数进入三羧酸循环；假如原酸为奇数碳原子，则最终产物除乙酰辅酶碳原子，则最终产物除乙酰辅酶A外还有甲酰外还有甲酰辅酶辅酶A。甲酰辅酶甲酰辅酶A最终转化为二氧化碳和水。最终转化为二氧化碳和水。第54页第55页脂肪微生物降解脂肪微生物降解无氧氧化条件下：无氧氧化条件下：脂肪酸经过酶促反应，往往以其转化中间产脂肪酸经过酶促反应，往往以其转化中间产物作受氢体而不被完全氧化，形成低级有机酸、物作受氢体而不被完全氧化，形成低级有机酸、醇和醇和CO2。总结：总结：脂肪经过微生物作用，在有氧氧化下能被完脂肪经过微生物作用，在有氧氧化下能被完全氧化成全氧化成CO2和水，彻底降解。在无氧氧化下和水，彻底降解。在无氧氧化下通常氧化不完全，生成简单有机酸、醇及通常氧化不完全，生成简单有机酸、醇及CO2等，降解不彻底。等，降解不彻底。第56页3、蛋白质微生物降解、蛋白质微生物降解微生物降解蛋白质基本路径：微生物降解蛋白质基本路径：（1）蛋白质水解成氨基酸）蛋白质水解成氨基酸 蛋白质在胞外水解酶作用下经过多肽至二肽蛋白质在胞外水解酶作用下经过多肽至二肽或氨基酸而被微生物摄入细胞内，在细胞内二或氨基酸而被微生物摄入细胞内，在细胞内二肽可继续水解成为氨基酸。肽可继续水解成为氨基酸。氨基酸分为脂肪族氨基酸和芳香族氨基酸两类。氨基酸分为脂肪族氨基酸和芳香族氨基酸两类。（2）氨基酸脱氮脱羧成脂肪酸）氨基酸脱氮脱羧成脂肪酸 氨基酸在细胞内转化因为不一样酶作用有各氨基酸在细胞内转化因为不一样酶作用有各种路径，其中主要为氨基酸脱氮脱羧形成脂肪种路径，其中主要为氨基酸脱氮脱羧形成脂肪酸。脂肪酸深入转化，最终产物同前。酸。脂肪酸深入转化，最终产物同前。蛋白质中含有硫氨基酸在有氧氧化下还可形蛋白质中含有硫氨基酸在有氧氧化下还可形成硫酸，在无氧氧化下可形成硫化氢。成硫酸，在无氧氧化下可形成硫化氢。第57页4、甲烷发酵、甲烷发酵 无氧条件下糖类、脂肪和蛋白质降解得到简无氧条件下糖类、脂肪和蛋白质降解得到简单有机酸、醇等化合物在可能条件下，在产氢单有机酸、醇等化合物在可能条件下，在产氢菌和产乙酸菌作用下，可被转化为乙酸、甲酸、菌和产乙酸菌作用下，可被转化为乙酸、甲酸、氢气和二氧化碳，进而经氢气和二氧化碳，进而经产甲烷菌作用产生甲产甲烷菌作用产生甲烷烷。复杂有机物降解这个总过程，称为甲烷发。复杂有机物降解这个总过程，称为甲烷发酵或沼气发酵。酵或沼气发酵。甲烷发酵中，普通以糖类降解率和降解速率甲烷发酵中，普通以糖类降解率和降解速率最高，脂肪次之，蛋白质最低。最高，脂肪次之，蛋白质最低。甲烷发酵条件：无氧条件、弱碱性环境、适甲烷发酵条件：无氧条件、弱碱性环境、适宜碳氮比等。温度、菌种分布、发酵有机物质宜碳氮比等。温度、菌种分布、发酵有机物质浓度。浓度。第58页五、有毒有机污染物质生物转化类型五、有毒有机污染物质生物转化类型有毒有机污染物生物转化反应：有毒有机污染物生物转化反应：分为两个阶段：分为两个阶段：第一阶段：经过氧化、还原和水解反应在有机物第一阶段：经过氧化、还原和水解反应在有机物中引入极性基团，增加有机物水溶性，或与机中引入极性基团，增加有机物水溶性，或与机体一些内源性物质进行结合反应，生成水溶性体一些内源性物质进行结合反应，生成水溶性更高结合物，从而使其轻易排出体外。更高结合物，从而使其轻易排出体外。第二阶段：结合反应。第一阶段反应产物或生物第二阶段：结合反应。第一阶段反应产物或生物体内含有适宜功效基团原毒物质与机体内源性体内含有适宜功效基团原毒物质与机体内源性物质进行结合反应，称为第二阶段。物质进行结合反应，称为第二阶段。第59页有毒有机污染物质生物转化类型有毒有机污染物质生物转化类型 有毒有机物质生物转化主要反应类型有毒有机物质生物转化主要反应类型以下：以下：1、耗氧反应类型、耗氧反应类型 1）混合功效氧化酶加氧氧化）混合功效氧化酶加氧氧化 2）脱氢酶脱氢氧化（受氢体非分子氧）脱氢酶脱氢氧化（受氢体非分子氧）醇氧化成醛醇氧化成醛醇氧化成酮醇氧化成酮醛氧化成羧基醛氧化成羧基 3）氧化酶氧化（受氢体为分子氧）氧化酶氧化（受氢体为分子氧）第60页混合功效氧化酶加氧氧化混合功效氧化酶加氧氧化第61页1）可逆脱氢酶加氢还原；）可逆脱氢酶加氢还原；2）硝基还原酶还原；）硝基还原酶还原；3）偶氮还原酶还原；）偶氮还原酶还原；2、还原反应类型第62页还原反应类型还原反应类型4）还原脱氯酶还原）还原脱氯酶还原第63页3、水解反应类型、水解反应类型 1）羧酸酯酶使脂肪簇脂水解）羧酸酯酶使脂肪簇脂水解 2）芳香酯酶使芳香簇脂水解）芳香酯酶使芳香簇脂水解 3）磷酯酶使磷酸酯水解）磷酯酶使磷酸酯水解4）酰胺酶使酰胺水解）酰胺酶使酰胺水解第64页六、有毒有机污染物微生物降解六、有毒有机污染物微生物降解1、烃类、烃类（1）碳原子数大于）碳原子数大于1正烷烃，降解路径有三种：经过烷烃末正烷烃，降解路径有三种：经过烷烃末端氧化，或次末端氧化或双端氧化，逐步生成醇、醛及脂端氧化，或次末端氧化或双端氧化，逐步生成醇、醛及脂肪酸，而后经肪酸，而后经-氧化进入三羧酸循环，最终降解为二氧化氧化进入三羧酸循环，最终降解为二氧化碳和水。以末端氧化为主要路径。碳和水。以末端氧化为主要路径。（2）烯烃微生物降解路径：主要是烯烃饱和末端氧化，再烯烃微生物降解路径：主要是烯烃饱和末端氧化，再经过和碳原子数大于经过和碳原子数大于1正烷烃相同路径成为不饱和脂肪酸；正烷烃相同路径成为不饱和脂肪酸；或者是烯烃不饱和末端双键环氧化成为环氧化合物，再经或者是烯烃不饱和末端双键环氧化成为环氧化合物，再经开环所成二醇至饱和脂肪酸。脂肪酸经过开环所成二醇至饱和脂肪酸。脂肪酸经过-氧化进入三羧氧化进入三羧酸循环，降解成二氧化碳和水。酸循环，降解成二氧化碳和水。（3）苯微生物降解路径）苯微生物降解路径 普通经过三个步骤：形成二酚；生成有机酸；最终转普通经过三个步骤：形成二酚；生成有机酸；最终转化为乙酰辅酶化为乙酰辅酶A和琥珀酸等，进入三羧酸循环，降解成二和琥珀酸等，进入三羧酸循环，降解成二氧化碳和水。氧化碳和水。从一至数十个碳原子烃类化合物，只要条件适当，均从一至数十个碳原子烃类化合物，只要条件适当，均可被微生物代谢降解，其中，烯烃最易降解，烷烃次之，可被微生物代谢降解，其中，烯烃最易降解，烷烃次之，芳烃和多环芳烃更难，而最难是脂环烃。芳烃和多环芳烃更难，而最难是脂环烃。第65页有毒有机污染物微生物降解有毒有机污染物微生物降解2、农药微生物降解、农药微生物降解1）苯氧乙酸类除草剂）苯氧乙酸类除草剂2）有机磷杀虫剂：对硫磷杀虫剂：酶促反应类）有机磷杀虫剂：对硫磷杀虫剂：酶促反应类型：氧化、水解和还原。降解过程中间产物型：氧化、水解和还原。降解过程中间产物对氧磷毒性反而比母体对硫磷毒性更大。对氧磷毒性反而比母体对硫磷毒性更大。3）DDT微生物降解：脱氯和脱氯化氢是微