环境化学第五章-污染物在生物体内的迁移转化教学内容.ppt

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生物污染和生物污染的主要途径,一、生物污染,有两种含义，一种是指对人和生物有害的微生物、寄生虫等病原体和变应原等污染水体、大气、土壤和食品，影响生物产量和质量，危害人类健康。,另一种是指大气、水环境以及土壤环境中各种各样的污染物质，包括施入土壤中的农药等，通过生物的表面附着、根部吸收、叶片气孔的吸收以及表皮的渗透等方式进入生物机体内，并通过食物链最终影响人体健康的现象。,二、植物受污染的主要途径,1.,表面附着,表面附着是指污染物以物理方式黏附在植物表面的现象。,表面附着量的大小与,植物的表面积大小、表面形状、表面性质,等有关。植物叶片越粗糙，比表面积越大，越能吸附大量污染物。一些植物叶片分泌一些油脂性物质，增加了对颗粒态污染物的吸附作用。例如云杉、油松、马尾松能分泌油脂性物质，杨梅、草莓等叶片粗糙，比表面积大。,生物的污染,生物受到污染,云杉,油松,2.,植物吸收,植物对大气、水体和土壤中污染物的吸收方式可分为,主动吸收,和,被动吸收,两种。,主动吸收即代谢吸收,，是指植物细胞利用其特有的代谢作用所产生的能量而进行的吸收作用。细胞通过这种吸收能把,浓度差逆向的外界物质,引入细胞内。植物通过根系从土壤或水体中吸收营养物质和水分的同时亦吸收污染物，其吸收量的大小与污染物的性质及含量、土壤性质和植物品种等因素有关。,主动吸收可使污染物在植物体内浓缩。,被动吸收即物理吸收,，这种吸收依靠外液与原生质的浓度差，通过溶质扩散作用实现吸收过程，其吸收量的大小与污染物的性质及其含量大小，植物与污染物接触时间的长短等有关。,三、动物受污染的主要途径,环境中的污染物主要通过,呼吸道、消化道和皮肤吸收,等途径进入动物体内，并通过食物链得到浓缩富集，最终进入人体。,1.动物吸收,动物在呼吸空气的同时将毫无选择的吸收来自空气中的气态污染物及悬浮颗粒物，在饮水和摄取食物的同时，也将摄入其中的污染物，脂溶性污染物还能通过皮肤的吸收作用进入动物机体。例如，某些气态毒物如氰化氢、砷化氢等都可经皮肤吸收。,呼吸道吸收的污染物，通过,肺泡,直接,进入动物体内,大循环,。,成年人每天吸入10,12m,3,的空气，而空气中正隐藏着各种各样的污染物质。,呼吸道是吸收大气污染物质的主要途径，,人的呼吸道主要包括鼻、咽、喉、气管、支气管及肺等部位。,主要的吸收部位是,肺泡,。肺泡的膜很薄，数量众多，表面布满壁膜极薄、结构疏松的毛细血管。呼吸道吸收的污染物只可以,直接进入血液系统,并转移至淋巴系统或其他器官，而不经肝脏的解毒作用，从而产生的毒性更大。,消化道吸收的污染物通过,小肠,吸收，,经肝脏,在进入大循环。,食物和饮水主要是通过消化道进入人体的。从口腔摄入的食物和饮水中的污染物质，主要是被动扩散被消化管吸收，主动转运很少。消化管包括口腔、咽喉、食管、胃、小肠、大肠等部位，,主要的吸收部位是小肠，其次是胃,。,进入小肠的污染物质大多数以,被动扩散,方式通过小肠黏膜再转入血液，因而污染物质的脂溶性越强、在小肠内浓度越高，被小肠吸收越快。,小肠的吸收总面积约,200m,2,，胃的约为,1m,2,，小肠的吸收功能远大于胃。,经皮肤吸收的污染物可直接进入血液循环,人体皮肤的表面积平均约为,1.8m,2,同时还有近,10,万个毛细孔和近,10,万根头发与头皮相通，这些都是污染物质进入人体的通道。相对而言，人体皮肤对污染物质的吸收能力较弱，常以,被动扩散,的方式相继通过皮肤的表皮及真皮，再滤过真皮中的毛细血管壁膜进入到血液中。,一般，相对分子质量低于,300,处于液态或溶解态，呈,非极性的脂溶性污染物质,，最容易被皮肤吸收，如酚、醇等。,由呼吸道吸收并沉积在呼吸道表面上的有害物质，可咽到消化道，再被吸收进入机体。,2.,食物链作用,生物（包括微生物）能通过食物链传递和富集污染物。,水体中的污染物通过生物、微生物的代谢作用进入生物、微生物体内得到,浓缩,，其浓缩作用可使污染物在生物体内的含量比在水体中的浓度大得多。水体环境中，浮游生物是食物链的基础。,污染物在食物链的每次传递中浓度就得到一次浓缩，甚至可以达到产生中毒作用的程度。,人处于食物链的末端，人若长期食用了污染水体中的鱼类，则可能由于污染物在体内长期富集浓缩，引起慢性中毒。,环境污染物不仅可以通过,水生生物食物链富集,，也可以通过,陆生生物链富集,。如农药、大气污染物，可通过植物的叶片、根系进入植物体内得到富集，而含有污染物的农作物、牧草、饲料等经过牛、羊、猪、鸡等动物进一步富集，最后通过粮食、蔬菜、水果、肉、蛋、奶等食物进入人体中浓缩，危害人体健康。,第二节 环境污染物在生物体内的分布,一、污染物在植物体内的分布,许多污染物质都是通过植物的土壤进入生态系统的。,植物对污染物质的吸收,被认为是污染物在食物链中的积累并危害陆生动物的第一步。,污染物质进入到植物体的途径：,通过,根系的吸收,并通过蒸腾作用输送到植物体的各部分；,通过植物,叶片的气孔,从周围空气中,吸收,蒸汽化的污染物质，并输送到植物体的各个部分；,植物表皮通过,渗透作用,吸收有机污染物的蒸汽。,各种途径吸收的污染物总和减去植物代谢过程中消耗或损失的是污染物质在生物体内的积累。,根部吸收,污染物主要是通过根部吸收进入植物体内，根部对污染物质的吸收有两种方式：主动吸收和被动吸收。主动吸收需要消耗一定量的能量，而被动吸收主要是通过扩散、吸收和质量流动，不需要消耗能量。,根部吸收主要是,物理吸附,而不是生物化学行为。根部的吸收过程在最初一个小时之内最快，占,48,小时过程的,50%,70%,，且在吸收过程中污染物质在根部很快达到平衡而浓度不随时间增加而变化。,植物,叶片的气孔,吸收空气中的蒸汽态污染物质,叶子表面有很多气孔，气孔可以随环境条件的变化而有时张开有时关闭，气孔是二氧化碳、氧气和其他气体的进出口，也是蒸腾作用的出口。,降落在植物表面的污染物可通过,渗透,作用进入植物体内,这种吸收作用很少，但某些污染物，比根部吸收更重要。,只有植物表面直接接触的污染物质才能通过渗透作用进入植物体内,植物从,大气,中吸收污染物后，污染物在植物体内的,残留量常以叶部分布最多。,植物从,土壤和水体,中吸收污染物，其残留量一般的分布规律为：根茎叶穗壳种子。,表,5,-2,水稻各部位,14,C-,六六六残留量及残留比,表,5,-1,成熟期水稻各部位中的含镉量,二、污染物在动物体内的分布,污染物质在动物体内的分别过程主要包括吸收、分布和排泄。,1.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。,吸收途径主要是机体的消化管、呼吸道和皮肤。,消化管的主要吸收部位在小肠，其次是胃。进入小肠的污染物质大多以被动扩散通过肠粘膜再转入血液。,影响消化管吸收的因素：（1）,污染物质的脂溶性,：,脂溶性越强及在小肠内浓度越高,被小肠吸收也越快。,（2）,血液流速,：,污染物质的脂溶性强，血流速度越大,则膜两侧污染物质的浓度梯度越大,机体对污染物质的吸收速率也越大。极性污染物质,因其脂溶性小,在被小肠吸收时经膜扩散成了限速因素,而对血流影响不敏感。,（3）,离解度,：未解离型易于扩散通过膜。,呼吸道是吸收大气污染物的主要途径。其主要吸收部位是肺泡。,气态和液态气溶胶污染物质,可以被动扩散和滤过方式,分别迅速通过肺泡和毛细血管膜进入血液,。固态气溶胶和粉尘污染物质吸进呼吸道后,可在气管、支气管及肺泡表面沉积。,到达肺泡的固态颗粒很小,粒径小于,5m,。其中,易溶微粒在溶于肺泡表面体液后,按上述过程被吸收,而难溶微粒往往在吞噬作用下被吸收。,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,再滤过真皮中毛细血管壁膜进入血液。,一般,分子量低于,300,，处于液态或溶解态,呈非极性的脂溶性污染物质,最容易被皮肤吸收,如酚、尼古丁、马钱子碱等。,血脑屏障,：,中枢神经系统的毛细血管壁内皮细胞互相紧密相连、几乎无空隙,，,是阻止已进入人体的有毒污染物深入到中枢神经系统的屏障。,当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屏障,，,此时,污染物质的经膜通透性成为其转运的限速因素。,高脂溶性低解离度的污染物质经膜通透性好,容易通过血脑屏障,由血液进入脑部,如甲基,汞,化合物。,2.,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、外分泌腺等，而以,肾和肝胆,为主。,肾排泄是污染物质通过肾随尿而排出的过程。,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。,*,值得注意的是有些物质由胆汁排泄，在肠道运行中又重新被吸收，该现象称为,肠肝循环,。,3.,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。,按照污染物性质和进入动物组织的类型不同，大体有以下五种分布规律：,（,1,）能溶解于体液的物质，如钠、钾、锂、氟、氯、溴等离子，在体内分布比较均匀。,（,2,）镧、锑、钍等三价和四价阳离子，水解后生成胶体，主要蓄积于肝或其他网状内皮系统。,（,3,）与骨骼亲和性较强的物质，如铅、钙、钡、锶、镭、铍等二价阳离子在骨骼中含量较高。,（,4,）对某一种器官具有特殊亲和性的物质，则在该种器官中蓄积较多。如碘对甲状腺，汞、铀对肾脏有特殊亲和性。,（,5,）脂溶性物质，如有机氯化合物（六六六、,DDT,等），易蓄积于动物体内的脂肪中。,一些金属、类金属在动物及人体内的主要分布部位,一种污染物对某一种器官有特殊亲和作用，但同时也分布于其他器官；,同一种元素可能因其价态或存在形态不同而在体内蓄积的部位也有所不同。,如水溶性汞离子很少进入脑组织，但烷基汞呈脂溶性，能通过脑屏障进入脑组织。,4.,生物蓄积,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。,蓄积部位与毒性作用部位,：相同,-,如百草枯在肺及一氧化碳在红细胞中血红蛋白的集中。不相一致,-,如,DDT,在脂肪组织中蓄积,而毒性作用部位是神经系统及其他脏器,;,铅集中于骨髓,而毒性作用部位在造血系统、神经系统及胃肠道等。,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。,在污染物质蓄积和毒性作用的部位不相一致时,蓄积部位可成为污染物质内在的二次接触源,有可能引起机体慢性中毒。,第三节 污染物质的生物富集、放大和积累,各种物质进入生物体内，即参加生物的代谢过程，其中生命必需的物质，部分参与了生物体的构成，多余的必需物质和非生命所需的物质中，易分解的经代谢作用很快排出体外，会长期残留在生物体内，随着摄入量的增大，在生物体内的浓度也会逐渐增大。,一、生物富集,生物富集,是指生物机体或处于同一营养级上的许多生物种群，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表示，即：,BCF=,C,b,/,C,e,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,(Bioconcentration Factor),：,金枪鱼和海绵对铜的浓缩系数,分别是,100,和,1400,。,一般,降解性小、脂溶性高、水溶性低的物质,生物浓缩系数高,一般，重金属元素和许多氯化碳氢化物、稠环、杂环等有机化合物具有很高的生物浓缩系数。,二、生物放大,是指在,同一食物链上,的,高营养级生物,，通过,吞食,低营养级生物蓄积某种元素或难降解物质，使其在机体内的浓度随营养级数提高而增大的现象。生物放大的程度也用生物浓缩系数表示。,生物放大的结果是食物链上高营养级生物体体内这种物质的浓度显著超过环境中的浓度，,如不存在食物链的关系,就不能称之为生物放大，而,只能是生物富集或生物积累,。,生物放大并不是在所有条件下都能发生。有些物质只能沿着生物链传递，不能沿食物链放大；有些既不能沿食物链传递，也不能沿食物链放大。,影响生物放大的因素很多，如食物链往往都十分复杂,相互交织成网状,同一种生物在发育的不同阶段或相同阶段,有可能隶属于不同的营养级而具有多种食物来源,这就扰乱了生物放大。,不同生物或同一生物在不同的条件下,对物质的吸收、消除等均有可能不同,也会影响生物放大状况,。,有机化合物在生物体的积累不是通过食物链迁移产生的生物放大，而是生物脂肪对有机化合物的溶解作用。,三、生物积累,生物积累是生物从,周围环境,(,水、土壤、大气,),和,食物链,蓄积某种元素或难降解物质，使其在机体中的浓度超过周围环境中浓度的现象。,生物积累也用生物浓缩系数（,BCF,）表示。,以水生生物对某物质的生物积累而论，其微分速率方程可以表示为：,式中：,c,w,生物生存水中某物质浓度；,c,i,食物链,i,级生物中该物质浓度；,c,i,1,食物链,i,1,级生物中该物质浓度；,W,i,i,I,i,级生物对,i,1,级生物的摄食量,i,i-1,i,级生物对,i,1,级生物中该物质的同化率；,K,ai,i,级生物对该物质的吸收速率常数；,K,ei,i,级生物体中该物质消除速率常数；,K,gi,i,级生物的生长速率常数。,当生物积累达到平衡时，,dci/dt=0,时：,式中右端二项依次以,C,wi,和,C,i,表示,则此式改写成:,从水中摄得的浓度,-生物富集的贡献,从食物链传递得到的浓度,-生物放大的贡献,从上式可以看出，生物积累的物质浓度中，两相进行比较，可以看出生物富集和生物放大对生物积累的贡献。,生物放大和生物富集都是生物积累的一种方式,表,5-1,生物富集、放大和积累对照,生物富集,生物放大,生物积累,作用对象,环境,生物体,前位生物体,后生物体,环境、生物体,生物体,作用机理,C,生物体,C,环境,C,后生物体,C,前位生物体,富集系数不断增大,表达方式,C,Bio,/C,w,C,Bio,/C,Bio,C,Bio,/C,w,第四节 微生物对环境污染物的降解转化作用,物质在生物作用下经受的化学变化，称为,生物转化或代谢,。通过生物，特别是微生物的转化，污染物质的毒性也随之改变。,一、微生物的生理特征,微生物可以催化氧化或降解有机污染物或转化重金属元素存在形态，这是环境中有机污染物转化的重要过程，同时微生物在重金属的迁移转化过程中也有很重要的作用。,微生物是生物催化剂，能使许多化学反应过程在环境中发生，同时生物有机体的降解又为其他生物生长提供必要的营养，以补偿和维持生物活性的营养库。,1.,微生物的种类,环境中的微生物可以分为三类：细菌、真菌和藻类。,细菌和真菌可认为是还原剂类，能使化合物分解为更简单的形式，从而维持它们自身的生长和代谢过程所需的能量。,细菌可分为自养细菌和异养细菌。基本形态有杆状、球状和螺旋状三种，属于原核微生物。单个细菌的细胞很小，只能在显微镜下看到，大多数细菌的大小在0.5,3.0,m范围。,球形菌,弧形菌,螺形菌,杆形菌,真菌是类似植物但缺乏叶绿素的非光合生物，通常是丝状结构，它对高浓度的金属离子的耐受能力很强，真菌对环境最终的作用是分解植物的纤维素。,单细胞真菌,多细胞真菌,大型真菌,藻类是一大类低等植物的统称。,藻类属于真核生物，是一种低等植物，种类很多，有单细胞的，也有多细胞的。,植物体无根、茎、叶的分化，有的有鞭毛，能动。,光合色素：分为三大类，叶绿素(a,b,c,d)；类胡萝卜素；藻胆素(藻蓝素，藻红素)。,多数生活在水中，淡水种类多，海洋种类少，但数量多。,藻类营养一般是无机物，即自养型，其细胞内含有叶绿素及其他辅助色素，能进行光合作用。,在有光照的时候，利用光能吸收二氧化碳合成细胞物质，同时释放出氧气；在夜间无阳光时，则通过呼吸作用，取得能量，吸收氧气，同时放出二氧化碳。,这一特征在稳定塘废水处理方法中体现，白天塘内氧气充足，微生物利用氧气进行好氧分解有机物；夜间藻类呼吸氧气，使DO下降。,硅藻,红藻,褐藻,细菌接种到定量的液体培养基中，定时取样测定细胞数量。,以,培养时间,为,横座标,以,菌数,为,纵座标,作图,得到的一条反映,细菌在整个培养期间菌数变化规律,的曲线。,2.,微生物的生长规律,微生物的生长规律可以用生长曲线表现出来。,根据微生物的,生长速率常数,（,growthrateconstant,）,，即每小时的分裂次数（,R,）的不同，一般可把典型生长曲线粗分为,延滞期,、,指数期,、,稳定期,和,衰亡期,等,4,个时期,。,延滞期,指数期,稳定期,衰亡期,延滞期,指数期,稳定期,衰亡期,5-7,又称,停滞期,、,调整期,和,适应期,。指少量单细胞微生物接种到新鲜培养基后，在开始培养的一段时间内细胞数目不立即增加，或增加很少，生长速度接近于零的一段时期,代谢系统是正在适应新环境。,（一）,延滞期,（,Lag phase,）,延滞期,分裂迟缓、代谢活跃,生长速率常数为零；,细胞形态变大或增长，许多杆菌可长成丝状，,Eg.,巨大芽孢杆菌（,Bacillus megaterium,）,在延滞期末，细胞的平均长度比刚接种时长,6,倍；,一般来说处于迟缓期的细菌细胞体积最大,！,细胞内,RNA,尤其是,rRNA,含量增高；,合成代谢十分活跃，核糖体、酶类和,ATP,合成加速，易产生各种诱导酶；,对外界不良条件如,NaCl,溶液浓度、温度和抗生素等理化因素反应敏感。,（,1,）,延滞期的特点,细胞处于活跃生长中，只是分裂迟缓。,在此阶段后期，少数细胞开始分裂，曲线略有上升。,微生物接种到一个新的环境，暂时缺乏分解和催化有关底物的酶，或是缺乏充足的中间代谢产物等。为产生诱导酶或合成中间代谢产物，就需要一段适应期。,调 整 代 谢,（,2,）延滞期出现的原因,（二）,对数生长期,（,Logarithmic phase,）,又称,指数生长期,（,Exponential phase,）,。指,在生长曲线中，紧接着延滞期的一段细胞数以几何级数增长的时期,。,指数期,对数生长期的特点,生长速率常数,R,最大，因而细胞每分裂一次所需的时间,代时,（,generation time,，,G,，又称,世代时间,或,增代时间,）,或原生质增加一倍所需的,倍增时间,（,doubling time,）,最短；,细胞进行,平衡生长,（,balanced growth,）,，菌体各部分的成分十分均匀,；,酶系活跃，代谢旺盛；,（三）,稳定期,（,stationary phase,）,又称,恒定期或最高生长期,。,其特点是生长速率常数,R,等于,0,，即处于新繁殖的细胞数与衰亡的细胞数相等，或正生长与负生长相等的动态平衡之中。,稳定期,这时的菌体产量达到了最高点，而且菌体产量与营养物质的消耗间呈现出一定的比例关系，这一关系就是,生长产量常数,Y,（或称生长得率，,growth yield,）,。,x,x,0,x,x,0,Y=,=,C,0,C C,0,x,稳定期时的细胞干重（,g,ml,培养液），,x,0,刚接种时的细胞干重，,C,0,限制性营养物的最初浓度（,g,ml,），,C,稳定期时限制性营养物的浓度（由于计算,Y,时必须用限制性营养物，所以,C,应等于,0,）。,（四）,衰亡期,（,decline phase,或,death phase,）,在衰亡期中，个体死亡的速度超过新生的速度，整个群体呈现负生长状态（,R,为负值）。,衰亡期,细胞形态发生多形化，,例如会发生膨大或不规则的退化形态；有的微生物因蛋白水解酶活力的增强而发生,自溶,（,autolysis,）,；有的微生物在这一期合成或释放对人类有益的抗生素等次生代谢产物；在芽孢杆菌中，芽孢释放等。,产生衰亡期的原因,外界环境对继续生长越来越不利，,营养物质耗尽和有毒代谢产物的大量积累等，,从而引起细胞内的分解代谢大大超过合成代谢，继而导致菌体死亡。,该时期死亡的细菌以对数方式增加，但在衰亡期的后期，由于部分细菌产生抗性也会使细菌死亡的速率降低，仍有部分活菌存在。,可延长稳定生长期，以获得更多的菌体物质或积累更多的代谢产物，对环境中的污染物降解速度快，降解能力强。,生产上,的措施,补充营养物质（补料）,取走代谢产物,调节,pH,调节温度,对好氧菌增加通气、搅拌或振荡,二、生物酶的基础知识,酶,的定义：酶是一类由细胞制造和分泌的、以蛋白质为主要成分的、具有催化活性的生物催化剂,.,在酶催化下发生转化的物质称为,底物或基质,。,底物所发生的转化称为,酶促反应。,酶催化反应的基本过程：,该过程可逆,1.,酶的催化作用特点,（,1,）催化专一性高。,一种酶只能对一种底物或一类底物起催化作用,而促进一定的反应,生成一定的代谢产物。如蛋白酶只能催化蛋白质水解,而不能催化淀粉水解。脲酶仅能催化尿素水解,:,（,2,）酶催化效率高。,一般,酶催化反应的速率比化学催化剂高,10,7,-10,13,倍。,（,3,）酶具有多样性。,酶的多样性是由酶的专一性决定的，因为在生物体内存在各种各样的化学反应，而每一种酶只能催化一种或一类化学反应。,（,4,）酶催化需要温和的外界条件。,如,常温、常压、接近中性的酸碱度,等。酶的本质为,蛋白质,比化学催化剂更容易受到外界条件的影响，而变质失去催化效能。,辅酶的成分是金属离子、含金属的有机化合物或小分子的复杂有机化合物。同一辅酶可以结合不同的酶蛋白,构成许多种,双成分酶,可对不同底物进行相同反应。,辅酶起传递电子、原子或某些化学基团的作用。,2.酶的分类,根据起,催化作用的场所,酶分为,胞外酶,和,胞内酶,两大类。这两类都在细胞中产生,但是胞外酶能通过细胞膜,在,细胞外,对底物起催化作用,通常是催化底物水解;而胞内酶不能通过细胞膜,仅能在细胞内发挥各种催化作用。,酶根据,催化反应类型,分成:,氧化还原酶,(催化氧化还原反应)、,转移酶,(催化化学基团转移反应)、,水解酶,(催化水解反应)、,裂解酶,(催化底物分子某些键非水解性断裂反应)、,异构酶,(催化异构反应)、,合成酶,(与高能磷酸化合物分解相耦联,催化两种底物结合的反应)。,酶按照,成分,分为,单成分酶,和,双成分酶,两大类。单成分酶只含有蛋白质,如,脲,酶、蛋白酶。双成分酶除含蛋白质外,还含有非蛋白质部分,前者称酶蛋白,后者称辅基或辅酶。辅基同酶蛋白的结合比较牢固,不易分离,。,辅酶与酶蛋白结合松弛,易于分离。,起决定催化专一性和催化高效率的功能,双成分酶,的特点：,在双成分酶催化反应时,一般是,辅酶起着传递电子、原子或某些化学基团的功能,酶蛋白起着决定催化专一性和催化高效率的功能,。因此,只有双成分酶的整体才具有酶的催化活性。,如果环境因素破坏了辅酶，也会影响酶的正常功能。,三、微生物对有机污染物的降解作用,1.耗氧污染物的微生物降解,耗氧有机污染物质(,Oxygen-Consuming Organic Pollutant,):,是生物残体、排放废水和废弃物中的糖类、脂肪和蛋白质等较易生物降解的有机物质。,生物降解,(Biodegradation),：,有机物质通过生物氧化以及其他的生物转化，可以变成更小、更简单的分子过程。,（1）糖类的微生物降解,糖类通式为,C,x,(H,2,0),y,分成单糖、二糖和多糖三类。,单糖,：,戍糖-,C,5,H,10,O,5,如木,糖及阿拉伯糖,；,己糖-,C,6,H,12,O,6,如,葡萄糖、半乳糖、甘露糖及果糖。,二糖,：C,12,H,22,O,11,主要有,蔗,糖、乳糖和麦芽糖。,多糖,：,己糖自身或其与另一单糖的高度缩合产物,葡萄糖和,木,糖是最常见的缩合单体。多糖,如,淀粉、纤维素和半纤维素。,糖类是生物活动的能量供应物质，细菌可以利用它作为能量的来源。,如果有机物质降解成二氧化碳,、,水等简单无机化合物,则为彻底降解;否则,为不彻底降解,1,）多糖水解成单糖,2,）单糖酵解成丙酮酸,3,）丙酮酸的转化,糖类的降解过程：,多糖水解成单糖,:,多糖在胞外水解酶催化下水解成二糖和单糖,而后才能被微生物摄取进入细胞内,。,二糖在细胞内经胞内水解酶催化,继续水解成为单糖,。,多糖水解成的单糖产物以葡萄糖为主。,单糖酵解成丙酮酸,:,细胞内单糖可经过相应的一系列酶促反应形成丙酮酸，这一过程称为单糖酵解。葡萄糖酵解的总反应,C,6,H,12,O,6,+2NAD,+,2CH,3,COCOOH+2NADH+2H,+,丙,酮酸,的转化,:,在,有氧氧化条件,下,丙,酮,酸通过酶促反应转化成乙,酰,辅酶,A，最终氧化成二氧化碳和水。,乙,酰,辅酶,A,丙,酮,酸,草,酰,乙酸,柠檬,酸,草,酰,乙酸,丙,酮,酸,乙,酰,辅酶,A,CoASH,柠檬,酸,草,酰,乙酸,再进行新一轮的转化。这种生物转化的循环途径称为,三,羧酸,循环或,柠檬,酸循环,简称,TCA,循环。,小结,：,糖类通过微生物作用,在有,氧氧化下能被完全氧化为二氧化碳和水,降解彻底,;,在,无,氧氧化下,通常是氧化不完全,生成简单有机酸、醇及二氧化碳等,降解不能彻底。后一过程因有大量简单有机酸生成,体系,pH,下降,所以归属于,酸性发酵,。发酵的具体产物决定于产酸菌种类和外界条件。,无氧氧化条件下,丙酮酸的氧化：通过酶促反应,以其本身作受氢体而被还原为乳酸,或以其转化的中间产物作受氢体,发生不完全氧化生成低级的有机酸、醇及二氧化碳等。,脂肪水解成脂肪酸和甘油,甘油的转化,丙酮酸,丙酮酸的转化,脂肪酸的转化,有氧氧化,无氧氧化,-,氧化,TCA,循环,（,2,）脂肪和油类的微生物降解,脂肪是由脂肪酸和甘油合成的酯,，多来自动物，常温下呈固态，油多来自植物，常温下呈液态,。,脂肪和油类比糖类难降解,。,降解脂肪的基本途径如下:,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及甘油。生成的脂肪酸链,大多为,12-20,个碳原子,其中以偶碳原子数的饱和酸为主,还有含双键的不饱和酸。脂肪酸及甘油能被微生物摄入细胞内继续转化。,甘油的转化：甘油在有氧或无氧氧化条件下，均能被相应的一系列酶促反应转变成丙酮酸：,丙酮酸的进一步转化前面已介绍,脂肪酸的转化,有氧氧化条件下,，,饱和脂肪酸通常经过酶促,-,氧化途径,变成脂,酰,辅酶,A,和乙,酰,辅酶,A。,乙,酰,辅酶,A,进入三,羧,酸循环,，,乙,酰,基,转化为,二氧化碳和水,，,并将辅酶,A,复原。而脂,酰,辅酶,A,又经,-,氧化途径进行转化。脂肪水解成的含双键不饱和脂肪酸,，,也经过类似氧化途径,，,最终产物与饱和脂肪酸相同,。,无氧氧化条件：脂肪酸通过酶促反应往往以其转化的中间产物作受氢体而被不完全氧化，形成,低级的有机酸、醇和二氧化碳,等。,蛋白质水解成氨基酸,氨基酸脱氨成脂肪酸,脂肪酸的转化,（,3,）蛋白质的微生物降解,蛋白质是一类由,-氨基酸通过肽键联结成的大分子化合物。蛋白质中有20多种,-,氨基酸。由一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基脱水形成的酰胺键就是,肽键,。,降解的途径,蛋白质水解成氨基酸：蛋白质相对分子质量较大，不能直接进入细胞，蛋白质会由胞外水解酶催化水解，经多肽至二肽或氨基酸而被微生物摄入细胞内。二肽在细胞内可继续水解形成氨基酸。,氨基酸脱氨脱羧成脂肪酸,：,氨基酸在细胞内的转化以脱氨脱,羧,形成脂肪酸为主。,-,氨基酸脱氨,脱羧的情况：,脂肪酸继续转化,小结：,蛋白质通过微生物作用,，,在有氧氧化下可被彻底降解成为二氧化碳、水和氨(或铵离子),，,而在无氧氧化下通常是酸性发酵,，,生成简单有机酸、醇和二氧化碳等,，,降解不彻底,。,蛋白质中含有硫,时，,在有氧氧化下还可形成硫酸,，,在无氧氧化下还有硫化氢产生。,（4）,甲烷发酵或沼气发酵,：,在,一定,条件糖类、脂肪和蛋白质在产氢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,，,进而经产甲烷菌作用产生甲烷。复杂有机物质降解的这一总过程,，,称为,甲烷发酵或沼气发酵,。,降解率和降解速率,：,糖类 脂肪蛋白质,产甲烷菌产生甲烷的主要途径,：,CH,3,COOH CH,4,+CO,2,CO,2,+4H,2,CH,4,+2H,2,O,甲烷发酵,条件：1.,产甲烷菌是专一性厌氧菌,，,必须处于,无氧条件,下,；2.,弱碱性环境,，,适宜,pH,范围为7-8,；3.,发酵有机物质的适宜碳氮比为30左右。4.其,它,重要条件,：,有温度、菌种分布、发酵有机物质的浓度等。,2.,有毒有机物的生物转化类型,有毒有机污染物,主要是指具有生物毒性的有机污染物质，它们不仅对生物和人类具有明显的毒性，能引起急、慢性中毒，有些有毒物质还能导致癌症、畸胎和细胞遗传基因突变，即“三致”作用。,主要包括：（,l,）酚类化合物；（,2,）有机农药；（,3,）其他有机有毒物质，如多氯联苯、多环芳烃、芳香族氨基化合物及各种人工合成的高分子化合物（如塑料、合成橡胶、人造纤维等）,生物转化的结果：,一方面往往使有机毒物水溶性和极性增加易于排除体外；另一方面也会改变有机毒物的毒性，多数使毒性减小，少数毒性反而增大。,有机毒物的生物转化途径：,氧化、还原、水解和结合,反应,四种。,有机毒物生物转化的第一阶段反应,通过,氧化、还原、水解,反应将活泼的极性基团引入亲脂的有机毒物分子中,，,使之不仅具有比原毒物较高的水溶性及极性,，,而且还能与机体内某些内源性物质进行结合反应,，,形成水溶性更高的结合物,，,而容易排出体外。,第二阶段反应,：,第一阶段反应的产物或具有适宜功能基团的原毒物所进行的结合反应。,（1）,氧化反应类型,混合功能氧化酶加氧氧化,：,混合功能氧化酶又称单加氧酶。混合功能氧化酶的功能是利用细胞内分子氧,，,将其中的一个氧原子与有机底物结合,，,使之氧化,，,而使另一个氧原子与氢原子结合形成水。混合功能氧化酶的成分之一,细胞色素,P450,酶起着关键作用,。,P450,酶的活性部位是铁卟啉的铁原子,，,它在二与三价态间进行变换。,混合功能氧化酶的专一性较差,，,能催化许多有机毒物氧化,，,包括,：,碳双键环氧化,，碳羟基化，氧脱烃，硫脱烃、硫-氧化及脱硫，氮脱烃、氮-氧化及脱氮,脱氢酶脱氢氧化,：,脱氢酶是伴随有氢原子或电子转移,，,以非分子氧化合物为受氢体的酶类。脱氢酶能使相应的底物脱氢氧化。例如,：,醇氧化成醛,RCH,2,OH RCHO+2H,醇氧化成酮,R,1,CHOHR,2,R,1,COR,2,+2H,醛,氧化成,羧,酸,RCHO+H,2,0 RCOOH+2H,氧化酶氧化,:,氧化酶是伴随有氢原子或电子转移,，,以分子氧为直接受氢体的酶类。氧化酶使相应底物氧化。例如:,RCH,2,NH,2,+,H,2,O RCHO+NH,3,+2H,2.,（2）,还原反应类型,可逆脱氢酶加氢还原,：,可逆脱氢酶是指起逆向作用的脱氢酶类,，,能使相应的底物加氢还原,成醇,。,硝基还原酶还原,：,硝基还原酶能使硝基化合物还原,，,生成相应的,胺,。,偶氮还原酶还原,：,偶氮还原酶能使偶氮化合物还原成相应的,胺,。,还原脱氯酶还原,：,还原脱氯酶能使含氯化合物脱氯,(,用氢置换氯,),或脱氯化氢而被还原。,（3）,水解反应类型,羧,酸酯酶使脂肪族酯水解,RCOOR,+H,2,0 RCOOH+R,OH,芳香酯酶使芳香族,酯,水解,磷酯酶使磷酸酯水解,酰胺,酶使,酰胺,水解,（4）,若干重要结合反应类型,葡萄糖,醛,酸结合,：,在葡萄糖,醛,酸基转移酶的作用下,，,生物体内尿,嘧啶,核,苷,二磷酸葡萄糖,醛,酸中,，,葡萄糖,醛,酸基可转移至含,羟基,的化合物上,，,形成,O-,葡萄糖,苷,酸结合物。所涉及的,羟基,化合物有醇,酚,、烯醇、,羟酰胺,、,羟胺,等。芳香及脂肪酸中羧基上的,羟基，,也可与葡萄糖,醛,酸结合成,O-,葡萄糖,苷,酸,。伯胺、酰胺、磺胺等中的氮原子和大部分含巯基化合物中硫原子，也能与,葡萄糖,醛,酸,分别形成,N-、S-,葡萄糖,苷,酸结合物,。,硫酸结合,：,在硫酸基转移酶的催化下,，,可将,3,-,磷酸,-5,-,磷硫酸腺,苷,中硫酸基转移到,酚,或醇的,羟基,上,，,形成,硫酸酯结合物,。,一般,，,形成硫酸酯后的结合物极性增加,，,而容易排出体外,，,实际上起到解毒作用,。,但是有些,N羟基,芳,胺,或,N羟基,芳,酰胺,与硫酸结合后毒性增加,。,这一结合不如葡萄糖,醛,酸结合重要。,(3),谷,胱,甘,肽,结合,：,在相应转移酶催化下谷,胱,甘,肽,中的半,胱,氨酸及乙,酰,辅酶,A,的乙,酰,基,，,将以,N-,乙,酰,半,胱,氨酸基形式加到有机卤化物,(,氟除外,),、环氧化合物、强酸酯、芳香,烃,、烯等亲电化合物的碳原子上,，,形成,疏基尿酸结合物。谷脱甘,肽,的结合,，,有力地解除了对机体有害亲电化合物的毒性,。,3.,有毒有机污染物质的微生物降解,（1）烃类的微生物降解,在环境中烃类微生物降解以,有氧氧化,条件占绝对优势。,烷烃的微生物降解,碳原子数大于 1 的,正烷烃,其降解途径有三种:通过烷烃的末端氧化；或次,末端氧化,；或双端氧化，逐步生成醇、醛及脂肪酸，而后经-氧化进入三羧酸循环,最终降解成二氧化碳和水。,甲烷的降解途径一般认为是：,CH,4,CH,3,OH HCHO CO,2,+H,2,O,许多微生物都能降解碳原子数大于1的正烷烃。能降解甲烷的专一性微生物：如好氧型的甲基孢囊菌、甲基单胞菌、甲基球菌、甲基杆菌等。,末端氧化的降解过程,如,下图,所示,烷烃 醇 醛 酸,CO,2,+H,2,O,烯烃的微生物降解,烯烃的微生物降解途径主要是烯的饱和末端氧化，再经与正烷烃,(C1),相同的途径成为不饱和脂肪酸；烯的不饱和末端双键环氧化成环氧化合物，再经开环形成二醇乃至脂肪酸；,脂肪酸经,氧化进入三羧酸循环，最终降解成二氧化碳和水。,苯的微生物降解途径,第一：降解前期，带侧链的芳香烃往往先从侧链开始分解，并在单加氧酶的作用下使芳香环羟基化形成双酚中间产物。,第二：形成的双酚化合物在高度专一性的双加氧酶,(,将,2,个氧原子加到底物的加氧酶,),作用下，环的,2,个碳原子上各加,1,个氧原子，使环键在邻酚位或间酚位分裂，形成相应的有机酸。,第三：得到的有机酸逐步转化为乙酰辅酶,A,、琥珀酸等，从而进入三羧酸循环，最后降解为二氧化碳和水。,烃类化合物微生物降解难易程度比较,1,、只要条件合适，数十个碳原子以内的烃类化合物均可被微生物降解。,2,、烯烃最易降解，烷烃次之，芳烃较难，多环芳烃更难，脂环烃最为困难。,3,、在烷烃中，正构烷烃比异构烷烃容易降解，直链烷烃比支链烷烃容易降解。,4,、在芳香类中，苯的降解要比烷基苯类及多环化合物困难。,（2）农药的生物降解,进入环境中的农药，首先对环境中的微生物有抑制作用，与此同时，环境中微生物也会利用有机农药为能源进行降解作用，使各种有机农药彻底分解为二氧化碳而最后消失。,环境中微生物的种类繁多，各种农药在不同条件下，分解形式多种多样，主要有氧化、还原、水解、脱卤及脱烃等作用。,除草剂,苯氧乙酸类除草剂中的,2,4-D,乙酯,微生物降解的基本途径如,下图，,其