Chapter 8,Environmental Biochemistry
and Toxicological Chemistry
第八章 环境生物化学与毒理化学
? 8.1 物质通过生物膜的方式
8.1.1 生物膜的结构
70年代 (Singer and
Nicholson,1972)提出
的液态镶嵌模型,磷
脂双分子层构成细胞
膜的骨架 (75-100?)，
亲水基团排列于内外
两面；蛋白质分子覆
盖、镶嵌、贯穿 (物质
转运的载体，酶；膜
孔 )。
图 1,膜的 液态镶嵌式模型 (膜外侧蛋
白质和脂质分子上可能存在的糖链
未画出 )
磷脂的结构,一个分子甘
油的两个羟基同两个分子
的脂酸结合, 另一个羟基
同一个分子磷酸结合, 磷
酸再同一个碱基结合 。
根据碱基的不同, 动物细
胞膜中的磷脂主要有四种：
磷脂酰胆碱, 磷脂酰乙醇
胺, 磷脂酰丝氨酸和磷脂
酰肌醇 。
图 2,磷脂的分子组成
? 8.1 物质通过生物膜的方式
1,膜孔过滤
扩散系数；
扩散面积；
膜两侧物质浓度梯度；
膜厚度；
???
???
????
????
?
?
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D
A
C
x
x
C
DA
dt
dQ
8.1.2 物质通过生物膜的方式
? 8.1 物质通过生物膜的方式
脂溶性物质从高
浓度向低浓度侧扩散 。
扩散速率服从费克定
律,
直径小于膜孔的水溶性物质, 可借助膜两侧的静水压
及渗透压经膜孔滤过 。
2,被动扩散
在高浓度侧与膜上特性性蛋白质结合，通过生物膜，至低
浓度侧解离出原物质。
它受到膜特异性载体及其数量的制约，因此有特异性选择，
竞争性抑制和饱和现象。
? 8.1 物质通过生物膜的方式
3,被动易化扩散
脂 /水分配系数越大, 分子越小, 不容易离解的分子, 扩散系
数越大 。 被动扩散不需要耗能, 不需要载体参与, 没有特异
性选择, 竞争性抑制及饱和现象 。
? 8.1 物质通过生物膜的方式
在需要消耗一定的代谢能量下, 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, 通过生物膜, 至高
浓度侧解离出蛋白质和原物质 。
所需要的能量来自于 ATP。 这种转运具有特异性选择,
竞争性抑制和饱和现象 。 例如钾离子的主动转运 。
4,主动转运 (Active Transport; Passive Transport),
少数物质与膜上某种蛋白质具有特殊的亲和力，当其
与膜接触后，可改变这部分膜的表面张力，引起膜的外包
或内陷而被包围进入膜内，固体物质的这一转运称为胞吞，
液体物质的这一转运称为胞饮。
总之，物质通过生物膜的方式取决于膜内外环境、膜
的性质和物质的结构。
? 8.1 物质通过生物膜的方式
5,胞吞和胞饮
吸收
分布
排泄
生物转化
污染物质在生物
体内的运动过程
转运
消除
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。吸收途径主要是消化道、呼吸道和皮肤。
? 8.2 污染物质在生物体内的转运
8.2.1 吸收
口腔
食管
胃
肠
消化道
被动扩散
被动扩散
污染物质的脂溶性
血液流速
pH与酸碱性
? 8.2 污染物质在生物体内的转运
呼吸道是吸收大气
污染物的主要途径
被动扩散
滤过
吞噬
皮肤：一般分子量低于 300，液态或溶解态脂溶性强的物质。
污染物质被吸收后或其代谢转化物质形成后，由血液运
送至机体各组织；或与组织成分结合；以及在再反复等过程。
在污染物质的转运过程中，以被动扩散为主。
血脑屏障
胎盘屏障
与血浆蛋白结合
金属硫蛋白结合
8.2.2 分布
? 8.2 污染物质在生物体内的转运
关键：脂溶性大小
8.2.3 排泄 经肾排泄
经肝胆系统的胆汁排泄
机体长期接触某些污染物质, 若吸收超过其排泄和代谢转
化, 则会出现该污染物质在体内逐渐增多的现象, 称为生物蓄
积 。 蓄积时, 污染物质的体内分布, 主要是相对集中分布于机
体的某些部位 。
机体的主要蓄积部位是血浆蛋白、脂肪组织和骨骼。
有些物质的蓄积部位与毒性作用部位不同。
蓄积部位的污染物质，常同血浆中游离型的污染物质保持
相对稳定的平衡。
8.2.4 蓄积
? 8.2 污染物质在生物体内的转运
生物富集是指生物通过非吞食方式，从周围环境中蓄积某种
元素或难降解性物质，使其在机体内的浓度超过周围环境中
的浓度的现象。生物富集常用生物富集系数 (生物浓缩系数、
生物富集因子 )表示,
度；在机体周围环境中的浓平衡时，某种污染物质
在生物体内的浓度；平衡时，某种污染物质；生物富集系数（因子）
???
???
???
?
e
b
e
b
C
C
B C F
C
C
B C F
Bioconcentration factors (BCF)
? 8.3 污染物质的生物富集、放大和积累
8.3.1 生物富集
污染物质因素：脂溶性、可降解性、（结构）
生物因素：生物种类、大小、性别、器官、发育阶段
环境因素：温度、盐度、硬度,pH、氧含量、光照
水生生物对水中难降解性物质的富集是生物对其吸收速率、
消除速率以及由于生物体的生长所造成的稀释速率的总和。
影响生物富集因子的因素,
动力学,
? 8.3 污染物质的生物富集、放大和积累
吸收速率,
消除速率,
稀释速率,fgg
fee
Waa
CkR
CkR
CkR
??
??
?
? 8.3 污染物质的生物富集、放大和积累
ka,ke,kg------水生生物吸收, 消除, 生长速率常数；
Cf ------ 水生生物体内污染物的瞬时状态浓度；
CW ------ 水中污染物的瞬时状态浓度；
通常水体足够大, 水中浓度 CW可视为恒定 。 又 t = 0 时,
Cf = 0,在此条件下求解上面二式, 分别得到,
fgfeWa
f CkCkCk
dt
dC ???
feWa
f CkCk
dt
dC ??
])e x p (1[
])e x p (1[
e
e
Wa
f
ge
ge
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tk
k
Ck
C
tkk
kk
Ck
C
???
???
?
?
如果富集过程中生物量增长不明显, 则 kg 可以忽略不计, 得
? 8.3 污染物质的生物富集、放大和积累
e
a
W
f
ge
a
W
f
k
k
C
C
B C F
kk
k
C
C
B C F
??
?
??
随时间的增长而增大,
W
f
C
C
?? ??t
? 8.3 污染物质的生物富集、放大和积累
当 时, 生物富集因子为,
8.3.2 生物放大作用
同一食物链上的高营养级的生物, 通过吞食低营养级
生物而蓄积某种元素或难降解物质, 使其在机体内浓度随营
养级数升高而增大的现象 。
生物放大的程度也用生物浓缩系数表示 。
? 8.3 污染物质的生物富集、放大和积累
8.3.3 生物积累
生物放大或生物富集是属于生物积累的一种情况。所谓生物
积累，就是生物从周围环境和食物链蓄积某种元素或难降解
性物质，使其在机体中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表示。
。级生物的生长速率常数
除速率常数；级生物体中该物质的消
速率常数；级生物对该物质的吸收
率；级生物中该物质的同化级生物对
级生物的摄食率；级生物对；级生物中该物质的浓度食物链；级生物中某物质的浓度食物链
物质浓度；生物生存的水环境中某
ik
ik
ik
ii
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iC
iC
C
gi
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ii
ii
i
i
w
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1
1
1
1,
1,
1
?
水生生物对某物质的积累速率等于从水中的吸收速率，从食
物链上的吸收速率及其本身消除、稀释速率的代数和。
igieiiiiiiwai
i CkkCWCk
dt
dC )(
11,1,????? ????
? 8.3 污染物质的生物富集、放大和积累
生物放大越显著。
越大的物质，越小，说，，因而对于同种生物来放大。通常
生物物至捕食生物才会呈现时，食物链上从饵料生只有上式的右端大于
到平衡时的贡献大小。生物放大在生物积累达
和反映出相应的生物富集浓度。这二项的对比，是从食物链传递得到的
项水中摄得的浓度，另一物质浓度中，一项是从该式表明，生物积累的
，则和令该式右端二项分别为
上式成为：，当生物积累达到平衡时
1,1,
1,1,
1
1
1,1,
1
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W
C
C
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CC
C
kk
W
C
kk
k
C
i
?
?
?
?
?
?
? 8.3 污染物质的生物富集、放大和积累
物质在生物的作用下所经受的化学变化, 称为生物转化
或代谢 (转化 )。 在生物转化过程中, 微生物发挥了重要作用 。
通过生物转化, 污染物质的毒性发生了转变 。
污染物质在环境中的三大转化类型
生物转化
化学转化
光化学转化
? 8.4 污染物质的生物转化
生物转化
酶是又生物细胞制造和分泌的、以蛋白质为主要成分的、具
有催化活性的生物催化剂。
根据催化作
用的场所
胞外酶
胞内酶
? 8.4 污染物质的生物转化
8.4.1 生物转化中的酶
① 催化专一性高；
② 催化效率高；
③ 温和的外部条件；
④ 种类多；
特点
单成分酶
双成分酶
根据催化
反应类型
? 辅基或辅酶的
作用是：传递电子,
原子或某些基团 。 酶
蛋白的作用是决定催
化专一性和催化效率 。
? 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。
辅酶约有 30种。
氧化还原酶；
转移酶；
水解酶；
裂解酶；
异构酶；
合成酶；
按酶的
成分 酶蛋白
辅基或辅酶
? 8.4 污染物质的生物转化
(1) FMN和 FAD
N
N
N H
NH 3 C
H 3 C
H 2 C C H C H C H
H 2
C O P O
O H
O H
O H O H O H
O
O
黄素单核苷酸 (FMN)
核酸 ?核苷酸
磷酸
核苷
戊糖
碱基
8.4.2 若干重要辅酶的功能
? 8.4 污染物质的生物转化
FMN或 FAD是一些氧化还原酶的辅酶，在酶促反应中具有
传递氢原子的功能。
N
N
N H
NH 3 C
H 3 C
R
O
O
+ 2 H
+
- 2 H
+
N
H
N
N H
H
NH 3 C
H 3 C
R
O
O
黄素腺嘌呤二核苷酸 (FAD)
? 8.4 污染物质的生物转化
腺嘌呤
NADP+(烟酰胺 腺嘌呤二核苷酸 磷根 )
(2) NAD+和 NADP+
NAD+(烟酰胺 腺嘌呤二核苷酸 )
? 8.4 污染物质的生物转化
辅酶 Q又称为泛醌，简写为 CoQ，是某些氧化还原反应的辅
酶。在酶促反应起到传递氢的作用。
(3) 辅酶 Q
? 8.4 污染物质的生物转化
细胞色素酶系是催化底物
氧化的一类酶系, 主要有
细胞色素 b,c1,c,a,a3等几种 。
辅酶都是铁卟啉环 。
c y t n F e 3 + c y t n F e 2 ++ e- e
(4) 细胞色素酶系的辅酶
? 8.4 污染物质的生物转化
细胞色素 (Cytochromes)
细胞色素类是含铁的电子传
递体 。
铁原子处于卟啉的结构中心,
构成血红素 (heme)。
细胞色素类都以血红素作为
辅基,
? 8.4 污染物质的生物转化
辅酶 A是泛酸的一个衍生物，简写为 CoASH，结构是,
CoASH + CH3CO+ CH3CO-SCoA + H+
(5) 辅酶 A
? 8.4 污染物质的生物转化
腺核苷 3‘-磷酸 焦磷酸 泛酸 氨基乙硫醇
8.4.3 生物氧化中的氢传递反应
? 8.4 污染物质的生物转化
在生物氧化中有机物质的氧化多为去氢氧化。脱落的氢 (H++
e)由相应的氧化还原酶按一定顺序传递至受体。这一氢原子
或电子的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。受氢体如果为细胞内的分子氧，就是 有氧
氧化,若为非分子氧，则为 无氧氧化 。
有氧氧化与无氧氧化,
? 8.4 污染物质的生物转化
只有一种酶作用于有机底物，脱落底物的氢 (H++ e)，其中电
子由该酶的辅酶直接传递给分子氧，形成激活态 O2-，与 H+化
合形成水。
S H
2
有 机 底 物
S
被 氧 化 的 有 机 底 物
2 C u
2 +
2 C u
+
氧 化 酶
1 / 2 O
2
O
2 - H
2
O
2 H
+
2 e
(1) 有氧氧化中以分子氧为直接受氢体的传递氢过程
? 8.4 污染物质的生物转化
N A D +
F M N
F M N H 2 C o Q
C o Q H 2
S H 2
有 机 底 物
S
被 氧 化 的
有 机 底 物
N A D H +
+ H +
脱 氢 酶
2 H +
2 H
2 H
脱 氢 酶 细 胞 色 素 酶 系
2 F e 3 +
2 F e 2 + 1 / 2 O 2
O 2 -
2 e
H 2 O
2 e
几种酶共同发挥作用：第一种酶从有机底物脱落氢，由其余
的酶顺序传递，最后把其中的电子传递给分子氧形成激活态
O2-,并与脱落氢中的质子结合成水。
2H+
(2) 有氧氧化中分子氧为间接受氢体的递氢过程
? 8.4 污染物质的生物转化
有一种或一种以上酶参与，最后由脱氢酶辅酶 NADH +
H+将所含来源于有机底物的氢，传给该底物生物转化的相应
中间产物。
兼性厌氧的酵母菌在无分子氧存在下以葡萄糖为生长底
物时，用葡萄糖转化中间产物乙醛作为受氢体，乙醛被还原
成乙醇。
葡 萄 糖
系 列 酶 促 反 应
C H 3 C H O C H 3 C H 2 O H
N A D H + H
+
N A D
+
乙 醇 脱 氢 酶
2 H
(3) 无氧氧化中有机底物转化中间产物作受氢体的递氢过程
? 8.4 污染物质的生物转化
在这类氢传递过程中，最常见的受氢体是硝酸根、硫酸根和
二氧化碳。它们接受来源于有机底物由酶传递来的氢，而被
分别还原为分子氮 (或一氧化二氮 )、硫化氢和甲烷。例如,
1 0 [ H ] + 2 N O 3 - + 2 H + N 2 + 6 H 2 O
兼 性 厌 氧
反 硝 化 菌
(4) 无氧氧化中某些无机含氧化合物作受氢体的递氢过程
? 8.4 污染物质的生物转化
有机毒物在生物体内的转化途径多种多样，但就其反应类型
来讲，主要有 氧化、还原、水解和结合 反应四种。
通常将氧化、还原、水解四种反应称为 I相反应或第一阶段
反应 ；将结合反应称为 II相反应或第二阶段反应 。
通过 I相反应，将活泼的极性基团加到疏水的有机分子之上，
通过 II相反应，形成水溶性更高的化合物，容易排除体外。
8.4.4 有毒有机污染物生物转化类型
? 8.4 污染物质的生物转化
是机体内代谢外来化合物的关键酶系。主要存在于高等
生物体内。对于人及动物，在肝细胞内质网膜上含量最高。
功能：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成水。
在这一催化过程中，混合功能氧化酶的成分之一，细胞色素
P450起着关键作用。 P450的活性部位使铁卟啉的铁原子。
8.4.4.1 氧化反应类型
? 8.4 污染物质的生物转化
(1) 微粒体混合功能氧化酶 (MFO)
P450对底物催化氧化
? 8.4 污染物质的生物转化
R 1 HC HC R 2 + O R 1 C H C H R 2
O
+ O O
O H
① 碳双键环氧化
? 8.4 污染物质的生物转化
② 碳羟基化
C H 3 ( C H 2 ) n C H 3 + O C H 3 ( C H 2 ) n C H 2 O H
C H 2 ( C H 2 ) n C H 3 C H 2 ( C H 2 ) n C H 2 O H
+ O
C l C l+ O O H
? 8.4 污染物质的生物转化
③ 氧脱烃
R O C H 3 + O R O H + H C H O
O C H 2 R
+ O
O H
+ R C H O
④ 硫脱烃、硫 -氧化及脱硫
R S C H 3 + O R S H + H C H O
N
N
N
N
S
C H 3
+ O
N
N
N
N
S H
+ H C H O
( 6 - 甲 巯 基 嘌 呤 )
( 6 - 巯 基 嘌 呤 )
? 8.4 污染物质的生物转化
P
S
C 2 H 5 O
C 2 H 5 O
O N O 2 + O P
O
C 2 H 5 O
C 2 H 5 O
O N O 2
对 硫 磷 对 氧 磷
R 2 S R 2 + O R 1 S R 2
O
O
R 1 S R 2
O
O
⑤ 氮脱烃、氮 -氧化及脱氮
R N H C H 3 + O R N H 2 + H C H O
? 8.4 污染物质的生物转化
C
H H
H
N C C H 3 + O
O
C
H H
N C C H 3
O
O H
N
R 2 + O
R 1
N +
R 2
R 1
O -
? 8.4 污染物质的生物转化
N
R 1
R 2
C H 2 R 3 + O N H
R 1
R 2
+ R 3 C H O
C H N H 2 + 2 O
R 1
R 2
C N O H + H 2 O
R 1
R 2
? 8.4 污染物质的生物转化
C H N H 2 + O
R 1
R 2
C O + N H 3
R 1
R 2
R C H 2 N H 2 + O R C H O + N H 3
H
N NR
+ O R
O H
脱氢酶是伴随有氢原子或电子转移，以非分子氧为受体
的酶。醇氧化成醛；醇氧化成酮；醛氧化成羧酸；
氧化酶是伴随氢或电子转移，以分子氧为直接受氢体
的酶类。
R C H 2 N H 2 + H 2 O R C H O + N H 3 + 2 H
(2) 脱氢酶脱氢氧化
(3) 氧化酶氧化
? 8.4 污染物质的生物转化
(1) 可逆脱氢酶加氢还原
C O + 2 H
R 1
R 2
C H O H
R 1
R 2
(2) 硝基还原酶还原
N O 2 N O H N O H N H 2
2 H
- H 2 O
2 H2 H
(3) 偶氮还原酶还原
N N
2 H
N N
H H
2 H
N H 2
+
N H 2
8.4.4.2 还原反应类型
? 8.4 污染物质的生物转化
还原脱氯酶能使含氯化合物脱氯，或脱 HCl而被还原。
C
H
C
C l C l
C l
C lC l
C
H
C
C l H
C l
C lC l
C
C
C l
C lC l
C l
? 8.4 污染物质的生物转化
(4) 还原脱氯酶还原
8.4.4.3 水解反应类型
(1) 羧酸脂酶使脂肪脂水解
R C O O R ' + H 2 O R C O O H + R 'O H
? 8.4 污染物质的生物转化
(2) 芳香脂酶使芳香族脂水解
H 2 N C
O
O C H 2 C H 2 N ( C 2 H 5 ) 2 + H 2 O H 2 N C O O H + H O C H 2 C H 2 N ( C 2 H 5 ) 2
(3) 磷酸酯酶使磷酸酯水解
P
O
C 2 H 5 O
C 2 H 5 O
O N O 2 + H 2 O P
O
C 2 H 5 O
C 2 H 5 O
O H
O H
N O 2
+
(4) 酰胺酶使酰胺水解 H N
O C 2 H 5
C C H 3
O
+ H 2 O
N H 2
O C 2 H 5
+ C H 3 C O O H
? 8.4 污染物质的生物转化
(1) 葡萄糖醛酸结合
在葡萄糖醛酸转移
酶作用下，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。
8.4.4.4 若干重要结合反应类型
? 8.4 污染物质的生物转化
(2) 硫酸结合
在硫酸基转移酶
的催化下，可将
3'-磷酸 -5'-磷硫酸
酰苷中硫酸基转
移到酚或醇的羟
基上，形成硫酸
酯结合物。
? 8.4 污染物质的生物转化
在相应的转移酶催化下，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
(氟除外 )化合物、环氧化物、强酸酯、芳香烃、烯等亲电化
合物的碳原子上，形成巯基尿酸结合物。
亲电化合物如果与细胞蛋白或核酸上的亲核基团结合，
常引起细胞坏死、肿瘤、血液功能紊乱和过敏现象，谷胱甘
肽的结合，有力地解除了对机体有害的亲电化合物的毒性。
? 8.4 污染物质的生物转化
(3) 谷胱甘肽结合
谷胱甘肽结合反应
? 8.4 污染物质的生物转化
生成醇、醛及脂
肪酸，最终降解
成二氧化碳和水。
8.4.5 有毒有机污染物的微生物降解
(1) 烃类
? 8.4 污染物质的生物转化
碳原子数大于 1的正烷烃
烷烃
末端
氧化
次末
端氧
化
双端
氧化
最常
见
烯的饱和
末端氧化
烯的不饱和末
端双键环氧化
环氧化合物
二醇
饱和脂肪酸
开环
烷烃末端氧化降解过程
? 8.4 污染物质的生物转化
烯烃微生物降解途径
? 8.4 污染物质的生物转化
加氧酶
加氧酶
第一, 降解前期, 带侧链芳香烃往往先从侧链开始分解,
并在但加氧酶的作用下使芳环羟化形成双醇中间产物 。
第二, 形成的双酚化合物在高度专一性的双加氧酶作用下,
环的二个碳原子各加一个氧原子, 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, 最后降解成 CO2,H2O。
? 8.4 污染物质的生物转化
苯及其衍生物的微生物降解过程
苯的微生物降解途径
? 8.4 污染物质的生物转化
? 8.4 污染物质的生物转化
(2) 农药
微生物降解 2,4-D乙酯基本途径
? 8.4 污染物质的生物转化
? 8.4 污染物质的生物转化
微生物降解 DDT的简要途径
? 8.4 污染物质的生物转化
8.4.6 部分污染物的微生物转化
(1) 氮的微生物转化
氮在环境中主
要有三种形态
分子氮
蛋白质、核酸等有机氮化合物
铵盐、硝酸盐等无机氮
氮在环境中的转化过程：同化、氨化、硝化、反硝化、固氮等。
? 8.4 污染物质的生物转化
同化,绿色植物和微生物吸收硝态氮和铵态氮，组成机体中的
蛋白质、核酸等含氮有机物的过程。
氨化,所有生物残体中的有机氮化合物，经微生物分解成氨态
氮的过程。
硝化, 氨在有氧条件下，氧化成硝酸盐的过程成为硝化。
? 8.4 污染物质的生物转化
2 N H 3 + 3 O 2 2 H
+ + 2 N O
2
- + 能 量
2 N O 2 - + O 2 2 N O 3 - + 能 量
反硝化,硝酸盐在通气不良的条件下，通过微生物作用而还原
的过程称为反硝化。
? 8.4 污染物质的生物转化
包括细菌、真菌、放线菌在内的多种微生物，能将硝酸盐
还原为亚硝酸盐。
兼性厌氧假单胞菌属、色杆菌属等能使硝酸盐还原成氮气。
H N O 3 + 2 H H N O 2 + H 2 O
2 H N O 3
4 H
- 2 H 2 O
2 H N O 2
4 H
- 2 H 2 O
2 H N O
4 H
- 2 H 2 O
N 2 逸 至 大 气
- H 2 O
N 2 O
2 H - H 2 O
逸 至 大 气
梭状芽孢杆菌等常将硝酸盐还原成亚硝酸盐和氨
H N O 3 2 H- H
2 O
H N O 2 2 H- H
2 O
H N O
H 2 O N H ( O H )
2
2 H
- H 2 O N H 2 O H
2 H
- H 2 O N H 3
? 8.4 污染物质的生物转化
固氮,通过微生物作用把分子氮转化为氨的过程，此时，氨
不释放到环境中，而是继续在机体内转化，合成氨基酸，组
成蛋白质等。
3 { C H 2 O } + 2 N 2 + 3 H 2 O + 4 H + 3 C O 2 + 4 N H 4 +
(2) 硫的微生物转化
环境中硫的
存在形式
单质硫
无机硫化合物
有机硫化合物：含硫的氨基酸、磺氨酸等。
硫化氢和单质硫在微生物作
用下进行氧化，最后生成硫
酸的过程成为 硫化 。
在好氧微生物作用下，降解产物是硫酸；
在厌氧条件下，产物是硫化氢。
硫酸盐和亚硫酸盐在微生物作用下还原，最后生成硫化氢的
过程称为 反硫化 。
? 8.4 污染物质的生物转化
含硫有机物降解
(3) 汞的微生物转化
汞在环境中的存
在形态有三种
金属汞
无机汞化合物
有机汞化合物
毒性大小,有机汞 >金属汞 >无机汞化合物,其中烷基汞是
已知毒性最大的汞化合物。
水俣病、甲基汞（脂溶性大，化学性质稳定，容易被生物
吸收，能够被生物放大。）
微生物参与汞形态转化主要有,甲基化作用 和 还原作用 。
? 8.4 污染物质的生物转化
汞的生物甲基化,在好氧或厌氧条件下，水体底质中某些
微生物使二价无机汞盐转变为甲基汞和二甲基汞的过程。
微生物、酶 (甲基钴氨氮氨酸转移酶 )、辅酶 (甲基钴胺素、
甲基维生素 B12)。
? 8.4 污染物质的生物转化
甲基钴氨素简式
C o
3 +
B z
二甲基苯
并咪唑
汞的生物甲基化途径
? 8.4 污染物质的生物转化
汞的生物去甲基化,在水体底质中还存在一类抗汞微生物，
能使甲基汞或无机汞化合物变成金属汞，这是微生物以还原
作用转化汞的途径。
C H 3 H g C l + 2 H H g + C H 4 + H C l
( C H 3 ) 2 H g + 2 H H g + 2 C H 4
H g C l 2 + 2 H H g + 2 H C l
? 8.4 污染物质的生物转化
进入生物机体后能使体液和组织发生生物化学变化，干扰或
破坏机体的正常生理功能，并引起暂时性或持久性的病理损
害，甚至危及生命的物质。
? 8.5 毒物、毒性
8.5.1 毒物 toxicant
毒物与非毒物之间并不存在绝对界限 。
外来化合物, 外源性物质 (Xenobiotics)。
Anthropogenic (人为的, 与人类起源有关的 )
化学结构, 理化性质；毒物所处的基体因素；机体暴露于
毒物的情况；生物因素；环境条件；
? 毒性 (toxicity)影响因素
计量指标, 用测量值表示毒性强度的差别。如有机磷农药抑
制胆碱酯酶的程度，用胆碱酯酶的活性表示。
计数指标, 这类毒性效应只有 "有或无 "的差别，没有性质和
强度的差别。计数指标主要用于群体，所得到的测定值是非
连续性的，通常以一个群体中某效应的出现率表示，常用于
生态毒理研究及生态风险评价之中。
8.5.2 剂量 -反应关系与剂量 -效应关系
? 8.5 毒物、毒性
毒性指标
指外源化合物的剂量与出现某种效应的个体在群体中所占比
例的关系。
? 8.5 毒物、毒性
剂量 -反应关系,
剂量 -效应关系
外源化合物的剂量与在个体中引起某种效应 (计量指标 )的
强度改变的关系 。
① 直线关系, 在这种关系中, 剂量改变与效应强度或反应率成
正比, 这种关系是少见的 (线 a)。
② 对数曲线关系, 是一条先锐后钝的曲线, 当将剂量换算成对
数剂量时, 可转换成直线 (线 c)。
? 8.5 毒物、毒性
③ S状曲线，当群体中的全部个体，
对某一化合物的敏感性变异，
呈对称正态频数分布时，剂量
与反应率关系成 S状曲线 (线 b)。
如果将效应强度或发生率用概
率单位表示，剂量用对数来表
示,S形曲线亦变成直线。 剂量 -反应 (效应 )曲线,
半数有效量,半数有效量
是指实验生物有 50% 出现
阳性结果时所需的毒物的
剂量 。
如果用水体或空气中有机
污染物的浓度表示剂量，
则相应的毒性指标便为半
数致死浓度 (LC50)。半数
效应浓度 (EC50)。
? 8.5 毒物、毒性
为什么通常以半数有效
量表示毒性大小？
8.5.3 毒性计算
No,1 2 3 4 5
浓度,10,20 40 80 120 mg/L
死亡率,0 1% 50% 90% 100% 化合物甲
死亡率,0 0 0 0 80% 化合物乙
死亡率,10% 46% 72% 100% 100% 化合物丙
对照 (Control)
空白 (Blank)
? 8.5 毒物、毒性
将死亡率或其它效应以概率单位
表示, 剂量以对数表示, 转化剂
量与反应间的 S形曲线为直线, 然
后用最小二乘法拟合该直线, 求
出概率单位为 5 时相对应的浓度
值, 便是半数致死浓度 (LC50) 或
半数效应浓度 (EC50)。 在此方法
中, 死亡率为 0 % 和 100 % 的数
据不计算在内 。
(1) 概率单位法
? 8.5 毒物、毒性
logLC50的 95% 可信限
为,± 1.96 Sm
21)2(2 ?? NSm b
b,是当死亡率以概率单
位表示时, 死亡率与浓
度对数之间拟合直线的
斜率, N 为实验动物
总数 。
实验要求：① 每个实
验组动物数相同。
② 各组间剂量按等比
级数设置。
③ 最大剂量的死亡率
最好为 100% 或与之
相近，最小剂量的死
亡率最好为 0% 或与
之相近。
?? 21)( npqiSm
(2) 寇氏法
? 8.5 毒物、毒性
logLC50 = Xm - i(∑p - 0.5)
logLC50 的 95% 可 信 限 为,
± 1.96Sm
p,为一个组的死亡率, q,相对存
活率, n,各组实验生物数 。
Xm:最大剂量的对数, i:相邻组剂
量比值的对数, ∑p为各组死亡率
的总和 。
估计 LC50或 EC50的方法还有图解法, 极大似然估计
法等, 图解法由于太简单而给出的估计值不精确, 极大
似然估计法则在数学计算上太复杂, 不便于操作 。
(3) Trimmed Spearman-Karber 法
? 8.5 毒物、毒性
类似于寇氏法, 但该法允许选择一个整理参数 (α),
以便对死亡率数据进行整理 。
联合作用有 独立作用, 协同作用 (含相加作用和加强作用 )、
拮抗作用 等 。
也有人将联合作用分为简单相似作用, 复杂相似作用, 独立
作用和依赖作用等 。
如果各个化学物质对机体作用的途径, 方式, 部位及其机理
类似, 并且各个化学物质对机体的毒作用互不影响, 则这种
联合作用为 简单相似作用 。
如果各个化学物质对机体作用的途径, 方式, 部位及其机理
类似, 而且各个化学物质对机体的毒作用互相有影响, 则这
种联合作用为 复杂相似作用 。
8.5.4 毒物联合作用
? 8.5 毒物、毒性
如果化学物质对机体作用的途径, 方式, 部位及其机理各不
相同, 而且各个化学物质对机体的毒作用互不影响, 则这种
联合作用为 独立作用 。
如果化学物质对机体作用的途径, 方式, 部位及其机理各不
相同, 并且各个化学物质对机体的毒作用互相有影响, 则这
种联合作用为 依赖作用 。
? 8.5 毒物、毒性
(1) 酶活性抑制 (激活 )
某些有机化合物与酶的共价结合；某些重金属离子与含巯基的
酶的强烈结合；某些金属取代金属酶中的不同金属；
基因突变
染色体突变
8.5.5 毒作用生物化学机制
? 8.5 毒物、毒性
基因突变是指 DNA碱基对排列顺序发生改变 。 包括碱基
对的转换, 颠换, 插入和缺失四种类型 。
(2) 致突变作用：指生物细胞内 DNA改变 。
转换 是同型碱基之间的置换； 颠换 是异型碱基之间的置换；
颠换和转换统称为碱型置换 。
插入 和 缺失 分别是 DNA碱基对顺序种增加和减少一对碱基
或几对碱基, 使遗传读码格式发生改变, 这两种突变统称
为移码突变 。
如果上述改变只限于基因范围, 就是基因突变；若涉及到
整个染色体, 就是 染色体畸变 。 染色体畸变属于细胞水平
的变化, 基因突变属于分子水平上的变化 。
? 8.5 毒物、毒性
(3) 致癌作用
物理致癌物
生物性致癌物 确证致癌物
可疑致癌物
潜在致癌物
遗传毒性致癌物
非遗传毒性致癌物
其它致癌物
直接致癌物
间接致癌物
促癌物
助致癌物
? 8.5 毒物、毒性
癌就是体细胞不受控制的疯长 。
人类癌症
80-85%与
化学致癌物
有关。
化学致癌物
人或动物在胚胎发育过程中由
于各种原因所形成的形态结构
异常，称为先天性畸形或畸胎。
遗传因素、物理因素、化学因
素、生物因素，母体营养缺乏
或内分泌障碍都可引起先天性
畸形，称为致畸作用。
? 8.5 毒物、毒性
(4) 致畸作用
N
O
O
N
O
O
H
20世纪 60年代，欧美、
日本，妊娠镇静，导
致 104名畸形胎儿。
甲基汞。
反应停
and Toxicological Chemistry
第八章 环境生物化学与毒理化学
? 8.1 物质通过生物膜的方式
8.1.1 生物膜的结构
70年代 (Singer and
Nicholson,1972)提出
的液态镶嵌模型,磷
脂双分子层构成细胞
膜的骨架 (75-100?)，
亲水基团排列于内外
两面；蛋白质分子覆
盖、镶嵌、贯穿 (物质
转运的载体，酶；膜
孔 )。
图 1,膜的 液态镶嵌式模型 (膜外侧蛋
白质和脂质分子上可能存在的糖链
未画出 )
磷脂的结构,一个分子甘
油的两个羟基同两个分子
的脂酸结合, 另一个羟基
同一个分子磷酸结合, 磷
酸再同一个碱基结合 。
根据碱基的不同, 动物细
胞膜中的磷脂主要有四种：
磷脂酰胆碱, 磷脂酰乙醇
胺, 磷脂酰丝氨酸和磷脂
酰肌醇 。
图 2,磷脂的分子组成
? 8.1 物质通过生物膜的方式
1,膜孔过滤
扩散系数；
扩散面积；
膜两侧物质浓度梯度；
膜厚度；
???
???
????
????
?
?
??
D
A
C
x
x
C
DA
dt
dQ
8.1.2 物质通过生物膜的方式
? 8.1 物质通过生物膜的方式
脂溶性物质从高
浓度向低浓度侧扩散 。
扩散速率服从费克定
律,
直径小于膜孔的水溶性物质, 可借助膜两侧的静水压
及渗透压经膜孔滤过 。
2,被动扩散
在高浓度侧与膜上特性性蛋白质结合，通过生物膜，至低
浓度侧解离出原物质。
它受到膜特异性载体及其数量的制约，因此有特异性选择，
竞争性抑制和饱和现象。
? 8.1 物质通过生物膜的方式
3,被动易化扩散
脂 /水分配系数越大, 分子越小, 不容易离解的分子, 扩散系
数越大 。 被动扩散不需要耗能, 不需要载体参与, 没有特异
性选择, 竞争性抑制及饱和现象 。
? 8.1 物质通过生物膜的方式
在需要消耗一定的代谢能量下, 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, 通过生物膜, 至高
浓度侧解离出蛋白质和原物质 。
所需要的能量来自于 ATP。 这种转运具有特异性选择,
竞争性抑制和饱和现象 。 例如钾离子的主动转运 。
4,主动转运 (Active Transport; Passive Transport),
少数物质与膜上某种蛋白质具有特殊的亲和力，当其
与膜接触后，可改变这部分膜的表面张力，引起膜的外包
或内陷而被包围进入膜内，固体物质的这一转运称为胞吞，
液体物质的这一转运称为胞饮。
总之，物质通过生物膜的方式取决于膜内外环境、膜
的性质和物质的结构。
? 8.1 物质通过生物膜的方式
5,胞吞和胞饮
吸收
分布
排泄
生物转化
污染物质在生物
体内的运动过程
转运
消除
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。吸收途径主要是消化道、呼吸道和皮肤。
? 8.2 污染物质在生物体内的转运
8.2.1 吸收
口腔
食管
胃
肠
消化道
被动扩散
被动扩散
污染物质的脂溶性
血液流速
pH与酸碱性
? 8.2 污染物质在生物体内的转运
呼吸道是吸收大气
污染物的主要途径
被动扩散
滤过
吞噬
皮肤：一般分子量低于 300，液态或溶解态脂溶性强的物质。
污染物质被吸收后或其代谢转化物质形成后，由血液运
送至机体各组织；或与组织成分结合；以及在再反复等过程。
在污染物质的转运过程中，以被动扩散为主。
血脑屏障
胎盘屏障
与血浆蛋白结合
金属硫蛋白结合
8.2.2 分布
? 8.2 污染物质在生物体内的转运
关键：脂溶性大小
8.2.3 排泄 经肾排泄
经肝胆系统的胆汁排泄
机体长期接触某些污染物质, 若吸收超过其排泄和代谢转
化, 则会出现该污染物质在体内逐渐增多的现象, 称为生物蓄
积 。 蓄积时, 污染物质的体内分布, 主要是相对集中分布于机
体的某些部位 。
机体的主要蓄积部位是血浆蛋白、脂肪组织和骨骼。
有些物质的蓄积部位与毒性作用部位不同。
蓄积部位的污染物质，常同血浆中游离型的污染物质保持
相对稳定的平衡。
8.2.4 蓄积
? 8.2 污染物质在生物体内的转运
生物富集是指生物通过非吞食方式，从周围环境中蓄积某种
元素或难降解性物质，使其在机体内的浓度超过周围环境中
的浓度的现象。生物富集常用生物富集系数 (生物浓缩系数、
生物富集因子 )表示,
度；在机体周围环境中的浓平衡时，某种污染物质
在生物体内的浓度；平衡时，某种污染物质；生物富集系数（因子）
???
???
???
?
e
b
e
b
C
C
B C F
C
C
B C F
Bioconcentration factors (BCF)
? 8.3 污染物质的生物富集、放大和积累
8.3.1 生物富集
污染物质因素：脂溶性、可降解性、（结构）
生物因素：生物种类、大小、性别、器官、发育阶段
环境因素：温度、盐度、硬度,pH、氧含量、光照
水生生物对水中难降解性物质的富集是生物对其吸收速率、
消除速率以及由于生物体的生长所造成的稀释速率的总和。
影响生物富集因子的因素,
动力学,
? 8.3 污染物质的生物富集、放大和积累
吸收速率,
消除速率,
稀释速率,fgg
fee
Waa
CkR
CkR
CkR
??
??
?
? 8.3 污染物质的生物富集、放大和积累
ka,ke,kg------水生生物吸收, 消除, 生长速率常数；
Cf ------ 水生生物体内污染物的瞬时状态浓度；
CW ------ 水中污染物的瞬时状态浓度；
通常水体足够大, 水中浓度 CW可视为恒定 。 又 t = 0 时,
Cf = 0,在此条件下求解上面二式, 分别得到,
fgfeWa
f CkCkCk
dt
dC ???
feWa
f CkCk
dt
dC ??
])e x p (1[
])e x p (1[
e
e
Wa
f
ge
ge
Wa
f
tk
k
Ck
C
tkk
kk
Ck
C
???
???
?
?
如果富集过程中生物量增长不明显, 则 kg 可以忽略不计, 得
? 8.3 污染物质的生物富集、放大和积累
e
a
W
f
ge
a
W
f
k
k
C
C
B C F
kk
k
C
C
B C F
??
?
??
随时间的增长而增大,
W
f
C
C
?? ??t
? 8.3 污染物质的生物富集、放大和积累
当 时, 生物富集因子为,
8.3.2 生物放大作用
同一食物链上的高营养级的生物, 通过吞食低营养级
生物而蓄积某种元素或难降解物质, 使其在机体内浓度随营
养级数升高而增大的现象 。
生物放大的程度也用生物浓缩系数表示 。
? 8.3 污染物质的生物富集、放大和积累
8.3.3 生物积累
生物放大或生物富集是属于生物积累的一种情况。所谓生物
积累，就是生物从周围环境和食物链蓄积某种元素或难降解
性物质，使其在机体中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表示。
。级生物的生长速率常数
除速率常数；级生物体中该物质的消
速率常数；级生物对该物质的吸收
率；级生物中该物质的同化级生物对
级生物的摄食率；级生物对；级生物中该物质的浓度食物链；级生物中某物质的浓度食物链
物质浓度；生物生存的水环境中某
ik
ik
ik
ii
iiW
iC
iC
C
gi
ei
ai
ii
ii
i
i
w
???
???
???
????
????
????
???
???
?
?
?
1
1
1
1,
1,
1
?
水生生物对某物质的积累速率等于从水中的吸收速率，从食
物链上的吸收速率及其本身消除、稀释速率的代数和。
igieiiiiiiwai
i CkkCWCk
dt
dC )(
11,1,????? ????
? 8.3 污染物质的生物富集、放大和积累
生物放大越显著。
越大的物质，越小，说，，因而对于同种生物来放大。通常
生物物至捕食生物才会呈现时，食物链上从饵料生只有上式的右端大于
到平衡时的贡献大小。生物放大在生物积累达
和反映出相应的生物富集浓度。这二项的对比，是从食物链传递得到的
项水中摄得的浓度，另一物质浓度中，一项是从该式表明，生物积累的
，则和令该式右端二项分别为
上式成为：，当生物积累达到平衡时
1,1,
1,1,
1
1
1,1,
1
)()(
,0
??
??
?
?
??
?
?
?
?
??
?
?
?
?
?
?
iieigiii
giei
iiii
i
i
iwii
iwi
i
giei
iiii
W
giei
ai
i
dt
dC
kkW
kk
W
C
C
CCC
CC
C
kk
W
C
kk
k
C
i
?
?
?
?
?
?
? 8.3 污染物质的生物富集、放大和积累
物质在生物的作用下所经受的化学变化, 称为生物转化
或代谢 (转化 )。 在生物转化过程中, 微生物发挥了重要作用 。
通过生物转化, 污染物质的毒性发生了转变 。
污染物质在环境中的三大转化类型
生物转化
化学转化
光化学转化
? 8.4 污染物质的生物转化
生物转化
酶是又生物细胞制造和分泌的、以蛋白质为主要成分的、具
有催化活性的生物催化剂。
根据催化作
用的场所
胞外酶
胞内酶
? 8.4 污染物质的生物转化
8.4.1 生物转化中的酶
① 催化专一性高；
② 催化效率高；
③ 温和的外部条件；
④ 种类多；
特点
单成分酶
双成分酶
根据催化
反应类型
? 辅基或辅酶的
作用是：传递电子,
原子或某些基团 。 酶
蛋白的作用是决定催
化专一性和催化效率 。
? 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。
辅酶约有 30种。
氧化还原酶；
转移酶；
水解酶；
裂解酶；
异构酶；
合成酶；
按酶的
成分 酶蛋白
辅基或辅酶
? 8.4 污染物质的生物转化
(1) FMN和 FAD
N
N
N H
NH 3 C
H 3 C
H 2 C C H C H C H
H 2
C O P O
O H
O H
O H O H O H
O
O
黄素单核苷酸 (FMN)
核酸 ?核苷酸
磷酸
核苷
戊糖
碱基
8.4.2 若干重要辅酶的功能
? 8.4 污染物质的生物转化
FMN或 FAD是一些氧化还原酶的辅酶，在酶促反应中具有
传递氢原子的功能。
N
N
N H
NH 3 C
H 3 C
R
O
O
+ 2 H
+
- 2 H
+
N
H
N
N H
H
NH 3 C
H 3 C
R
O
O
黄素腺嘌呤二核苷酸 (FAD)
? 8.4 污染物质的生物转化
腺嘌呤
NADP+(烟酰胺 腺嘌呤二核苷酸 磷根 )
(2) NAD+和 NADP+
NAD+(烟酰胺 腺嘌呤二核苷酸 )
? 8.4 污染物质的生物转化
辅酶 Q又称为泛醌，简写为 CoQ，是某些氧化还原反应的辅
酶。在酶促反应起到传递氢的作用。
(3) 辅酶 Q
? 8.4 污染物质的生物转化
细胞色素酶系是催化底物
氧化的一类酶系, 主要有
细胞色素 b,c1,c,a,a3等几种 。
辅酶都是铁卟啉环 。
c y t n F e 3 + c y t n F e 2 ++ e- e
(4) 细胞色素酶系的辅酶
? 8.4 污染物质的生物转化
细胞色素 (Cytochromes)
细胞色素类是含铁的电子传
递体 。
铁原子处于卟啉的结构中心,
构成血红素 (heme)。
细胞色素类都以血红素作为
辅基,
? 8.4 污染物质的生物转化
辅酶 A是泛酸的一个衍生物，简写为 CoASH，结构是,
CoASH + CH3CO+ CH3CO-SCoA + H+
(5) 辅酶 A
? 8.4 污染物质的生物转化
腺核苷 3‘-磷酸 焦磷酸 泛酸 氨基乙硫醇
8.4.3 生物氧化中的氢传递反应
? 8.4 污染物质的生物转化
在生物氧化中有机物质的氧化多为去氢氧化。脱落的氢 (H++
e)由相应的氧化还原酶按一定顺序传递至受体。这一氢原子
或电子的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。受氢体如果为细胞内的分子氧，就是 有氧
氧化,若为非分子氧，则为 无氧氧化 。
有氧氧化与无氧氧化,
? 8.4 污染物质的生物转化
只有一种酶作用于有机底物，脱落底物的氢 (H++ e)，其中电
子由该酶的辅酶直接传递给分子氧，形成激活态 O2-，与 H+化
合形成水。
S H
2
有 机 底 物
S
被 氧 化 的 有 机 底 物
2 C u
2 +
2 C u
+
氧 化 酶
1 / 2 O
2
O
2 - H
2
O
2 H
+
2 e
(1) 有氧氧化中以分子氧为直接受氢体的传递氢过程
? 8.4 污染物质的生物转化
N A D +
F M N
F M N H 2 C o Q
C o Q H 2
S H 2
有 机 底 物
S
被 氧 化 的
有 机 底 物
N A D H +
+ H +
脱 氢 酶
2 H +
2 H
2 H
脱 氢 酶 细 胞 色 素 酶 系
2 F e 3 +
2 F e 2 + 1 / 2 O 2
O 2 -
2 e
H 2 O
2 e
几种酶共同发挥作用：第一种酶从有机底物脱落氢，由其余
的酶顺序传递，最后把其中的电子传递给分子氧形成激活态
O2-,并与脱落氢中的质子结合成水。
2H+
(2) 有氧氧化中分子氧为间接受氢体的递氢过程
? 8.4 污染物质的生物转化
有一种或一种以上酶参与，最后由脱氢酶辅酶 NADH +
H+将所含来源于有机底物的氢，传给该底物生物转化的相应
中间产物。
兼性厌氧的酵母菌在无分子氧存在下以葡萄糖为生长底
物时，用葡萄糖转化中间产物乙醛作为受氢体，乙醛被还原
成乙醇。
葡 萄 糖
系 列 酶 促 反 应
C H 3 C H O C H 3 C H 2 O H
N A D H + H
+
N A D
+
乙 醇 脱 氢 酶
2 H
(3) 无氧氧化中有机底物转化中间产物作受氢体的递氢过程
? 8.4 污染物质的生物转化
在这类氢传递过程中，最常见的受氢体是硝酸根、硫酸根和
二氧化碳。它们接受来源于有机底物由酶传递来的氢，而被
分别还原为分子氮 (或一氧化二氮 )、硫化氢和甲烷。例如,
1 0 [ H ] + 2 N O 3 - + 2 H + N 2 + 6 H 2 O
兼 性 厌 氧
反 硝 化 菌
(4) 无氧氧化中某些无机含氧化合物作受氢体的递氢过程
? 8.4 污染物质的生物转化
有机毒物在生物体内的转化途径多种多样，但就其反应类型
来讲，主要有 氧化、还原、水解和结合 反应四种。
通常将氧化、还原、水解四种反应称为 I相反应或第一阶段
反应 ；将结合反应称为 II相反应或第二阶段反应 。
通过 I相反应，将活泼的极性基团加到疏水的有机分子之上，
通过 II相反应，形成水溶性更高的化合物，容易排除体外。
8.4.4 有毒有机污染物生物转化类型
? 8.4 污染物质的生物转化
是机体内代谢外来化合物的关键酶系。主要存在于高等
生物体内。对于人及动物，在肝细胞内质网膜上含量最高。
功能：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成水。
在这一催化过程中，混合功能氧化酶的成分之一，细胞色素
P450起着关键作用。 P450的活性部位使铁卟啉的铁原子。
8.4.4.1 氧化反应类型
? 8.4 污染物质的生物转化
(1) 微粒体混合功能氧化酶 (MFO)
P450对底物催化氧化
? 8.4 污染物质的生物转化
R 1 HC HC R 2 + O R 1 C H C H R 2
O
+ O O
O H
① 碳双键环氧化
? 8.4 污染物质的生物转化
② 碳羟基化
C H 3 ( C H 2 ) n C H 3 + O C H 3 ( C H 2 ) n C H 2 O H
C H 2 ( C H 2 ) n C H 3 C H 2 ( C H 2 ) n C H 2 O H
+ O
C l C l+ O O H
? 8.4 污染物质的生物转化
③ 氧脱烃
R O C H 3 + O R O H + H C H O
O C H 2 R
+ O
O H
+ R C H O
④ 硫脱烃、硫 -氧化及脱硫
R S C H 3 + O R S H + H C H O
N
N
N
N
S
C H 3
+ O
N
N
N
N
S H
+ H C H O
( 6 - 甲 巯 基 嘌 呤 )
( 6 - 巯 基 嘌 呤 )
? 8.4 污染物质的生物转化
P
S
C 2 H 5 O
C 2 H 5 O
O N O 2 + O P
O
C 2 H 5 O
C 2 H 5 O
O N O 2
对 硫 磷 对 氧 磷
R 2 S R 2 + O R 1 S R 2
O
O
R 1 S R 2
O
O
⑤ 氮脱烃、氮 -氧化及脱氮
R N H C H 3 + O R N H 2 + H C H O
? 8.4 污染物质的生物转化
C
H H
H
N C C H 3 + O
O
C
H H
N C C H 3
O
O H
N
R 2 + O
R 1
N +
R 2
R 1
O -
? 8.4 污染物质的生物转化
N
R 1
R 2
C H 2 R 3 + O N H
R 1
R 2
+ R 3 C H O
C H N H 2 + 2 O
R 1
R 2
C N O H + H 2 O
R 1
R 2
? 8.4 污染物质的生物转化
C H N H 2 + O
R 1
R 2
C O + N H 3
R 1
R 2
R C H 2 N H 2 + O R C H O + N H 3
H
N NR
+ O R
O H
脱氢酶是伴随有氢原子或电子转移，以非分子氧为受体
的酶。醇氧化成醛；醇氧化成酮；醛氧化成羧酸；
氧化酶是伴随氢或电子转移，以分子氧为直接受氢体
的酶类。
R C H 2 N H 2 + H 2 O R C H O + N H 3 + 2 H
(2) 脱氢酶脱氢氧化
(3) 氧化酶氧化
? 8.4 污染物质的生物转化
(1) 可逆脱氢酶加氢还原
C O + 2 H
R 1
R 2
C H O H
R 1
R 2
(2) 硝基还原酶还原
N O 2 N O H N O H N H 2
2 H
- H 2 O
2 H2 H
(3) 偶氮还原酶还原
N N
2 H
N N
H H
2 H
N H 2
+
N H 2
8.4.4.2 还原反应类型
? 8.4 污染物质的生物转化
还原脱氯酶能使含氯化合物脱氯，或脱 HCl而被还原。
C
H
C
C l C l
C l
C lC l
C
H
C
C l H
C l
C lC l
C
C
C l
C lC l
C l
? 8.4 污染物质的生物转化
(4) 还原脱氯酶还原
8.4.4.3 水解反应类型
(1) 羧酸脂酶使脂肪脂水解
R C O O R ' + H 2 O R C O O H + R 'O H
? 8.4 污染物质的生物转化
(2) 芳香脂酶使芳香族脂水解
H 2 N C
O
O C H 2 C H 2 N ( C 2 H 5 ) 2 + H 2 O H 2 N C O O H + H O C H 2 C H 2 N ( C 2 H 5 ) 2
(3) 磷酸酯酶使磷酸酯水解
P
O
C 2 H 5 O
C 2 H 5 O
O N O 2 + H 2 O P
O
C 2 H 5 O
C 2 H 5 O
O H
O H
N O 2
+
(4) 酰胺酶使酰胺水解 H N
O C 2 H 5
C C H 3
O
+ H 2 O
N H 2
O C 2 H 5
+ C H 3 C O O H
? 8.4 污染物质的生物转化
(1) 葡萄糖醛酸结合
在葡萄糖醛酸转移
酶作用下，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。
8.4.4.4 若干重要结合反应类型
? 8.4 污染物质的生物转化
(2) 硫酸结合
在硫酸基转移酶
的催化下，可将
3'-磷酸 -5'-磷硫酸
酰苷中硫酸基转
移到酚或醇的羟
基上，形成硫酸
酯结合物。
? 8.4 污染物质的生物转化
在相应的转移酶催化下，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
(氟除外 )化合物、环氧化物、强酸酯、芳香烃、烯等亲电化
合物的碳原子上，形成巯基尿酸结合物。
亲电化合物如果与细胞蛋白或核酸上的亲核基团结合，
常引起细胞坏死、肿瘤、血液功能紊乱和过敏现象，谷胱甘
肽的结合，有力地解除了对机体有害的亲电化合物的毒性。
? 8.4 污染物质的生物转化
(3) 谷胱甘肽结合
谷胱甘肽结合反应
? 8.4 污染物质的生物转化
生成醇、醛及脂
肪酸，最终降解
成二氧化碳和水。
8.4.5 有毒有机污染物的微生物降解
(1) 烃类
? 8.4 污染物质的生物转化
碳原子数大于 1的正烷烃
烷烃
末端
氧化
次末
端氧
化
双端
氧化
最常
见
烯的饱和
末端氧化
烯的不饱和末
端双键环氧化
环氧化合物
二醇
饱和脂肪酸
开环
烷烃末端氧化降解过程
? 8.4 污染物质的生物转化
烯烃微生物降解途径
? 8.4 污染物质的生物转化
加氧酶
加氧酶
第一, 降解前期, 带侧链芳香烃往往先从侧链开始分解,
并在但加氧酶的作用下使芳环羟化形成双醇中间产物 。
第二, 形成的双酚化合物在高度专一性的双加氧酶作用下,
环的二个碳原子各加一个氧原子, 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, 最后降解成 CO2,H2O。
? 8.4 污染物质的生物转化
苯及其衍生物的微生物降解过程
苯的微生物降解途径
? 8.4 污染物质的生物转化
? 8.4 污染物质的生物转化
(2) 农药
微生物降解 2,4-D乙酯基本途径
? 8.4 污染物质的生物转化
? 8.4 污染物质的生物转化
微生物降解 DDT的简要途径
? 8.4 污染物质的生物转化
8.4.6 部分污染物的微生物转化
(1) 氮的微生物转化
氮在环境中主
要有三种形态
分子氮
蛋白质、核酸等有机氮化合物
铵盐、硝酸盐等无机氮
氮在环境中的转化过程：同化、氨化、硝化、反硝化、固氮等。
? 8.4 污染物质的生物转化
同化,绿色植物和微生物吸收硝态氮和铵态氮，组成机体中的
蛋白质、核酸等含氮有机物的过程。
氨化,所有生物残体中的有机氮化合物，经微生物分解成氨态
氮的过程。
硝化, 氨在有氧条件下，氧化成硝酸盐的过程成为硝化。
? 8.4 污染物质的生物转化
2 N H 3 + 3 O 2 2 H
+ + 2 N O
2
- + 能 量
2 N O 2 - + O 2 2 N O 3 - + 能 量
反硝化,硝酸盐在通气不良的条件下，通过微生物作用而还原
的过程称为反硝化。
? 8.4 污染物质的生物转化
包括细菌、真菌、放线菌在内的多种微生物，能将硝酸盐
还原为亚硝酸盐。
兼性厌氧假单胞菌属、色杆菌属等能使硝酸盐还原成氮气。
H N O 3 + 2 H H N O 2 + H 2 O
2 H N O 3
4 H
- 2 H 2 O
2 H N O 2
4 H
- 2 H 2 O
2 H N O
4 H
- 2 H 2 O
N 2 逸 至 大 气
- H 2 O
N 2 O
2 H - H 2 O
逸 至 大 气
梭状芽孢杆菌等常将硝酸盐还原成亚硝酸盐和氨
H N O 3 2 H- H
2 O
H N O 2 2 H- H
2 O
H N O
H 2 O N H ( O H )
2
2 H
- H 2 O N H 2 O H
2 H
- H 2 O N H 3
? 8.4 污染物质的生物转化
固氮,通过微生物作用把分子氮转化为氨的过程，此时，氨
不释放到环境中，而是继续在机体内转化，合成氨基酸，组
成蛋白质等。
3 { C H 2 O } + 2 N 2 + 3 H 2 O + 4 H + 3 C O 2 + 4 N H 4 +
(2) 硫的微生物转化
环境中硫的
存在形式
单质硫
无机硫化合物
有机硫化合物：含硫的氨基酸、磺氨酸等。
硫化氢和单质硫在微生物作
用下进行氧化，最后生成硫
酸的过程成为 硫化 。
在好氧微生物作用下，降解产物是硫酸；
在厌氧条件下，产物是硫化氢。
硫酸盐和亚硫酸盐在微生物作用下还原，最后生成硫化氢的
过程称为 反硫化 。
? 8.4 污染物质的生物转化
含硫有机物降解
(3) 汞的微生物转化
汞在环境中的存
在形态有三种
金属汞
无机汞化合物
有机汞化合物
毒性大小,有机汞 >金属汞 >无机汞化合物,其中烷基汞是
已知毒性最大的汞化合物。
水俣病、甲基汞（脂溶性大，化学性质稳定，容易被生物
吸收，能够被生物放大。）
微生物参与汞形态转化主要有,甲基化作用 和 还原作用 。
? 8.4 污染物质的生物转化
汞的生物甲基化,在好氧或厌氧条件下，水体底质中某些
微生物使二价无机汞盐转变为甲基汞和二甲基汞的过程。
微生物、酶 (甲基钴氨氮氨酸转移酶 )、辅酶 (甲基钴胺素、
甲基维生素 B12)。
? 8.4 污染物质的生物转化
甲基钴氨素简式
C o
3 +
B z
二甲基苯
并咪唑
汞的生物甲基化途径
? 8.4 污染物质的生物转化
汞的生物去甲基化,在水体底质中还存在一类抗汞微生物，
能使甲基汞或无机汞化合物变成金属汞，这是微生物以还原
作用转化汞的途径。
C H 3 H g C l + 2 H H g + C H 4 + H C l
( C H 3 ) 2 H g + 2 H H g + 2 C H 4
H g C l 2 + 2 H H g + 2 H C l
? 8.4 污染物质的生物转化
进入生物机体后能使体液和组织发生生物化学变化，干扰或
破坏机体的正常生理功能，并引起暂时性或持久性的病理损
害，甚至危及生命的物质。
? 8.5 毒物、毒性
8.5.1 毒物 toxicant
毒物与非毒物之间并不存在绝对界限 。
外来化合物, 外源性物质 (Xenobiotics)。
Anthropogenic (人为的, 与人类起源有关的 )
化学结构, 理化性质；毒物所处的基体因素；机体暴露于
毒物的情况；生物因素；环境条件；
? 毒性 (toxicity)影响因素
计量指标, 用测量值表示毒性强度的差别。如有机磷农药抑
制胆碱酯酶的程度，用胆碱酯酶的活性表示。
计数指标, 这类毒性效应只有 "有或无 "的差别，没有性质和
强度的差别。计数指标主要用于群体，所得到的测定值是非
连续性的，通常以一个群体中某效应的出现率表示，常用于
生态毒理研究及生态风险评价之中。
8.5.2 剂量 -反应关系与剂量 -效应关系
? 8.5 毒物、毒性
毒性指标
指外源化合物的剂量与出现某种效应的个体在群体中所占比
例的关系。
? 8.5 毒物、毒性
剂量 -反应关系,
剂量 -效应关系
外源化合物的剂量与在个体中引起某种效应 (计量指标 )的
强度改变的关系 。
① 直线关系, 在这种关系中, 剂量改变与效应强度或反应率成
正比, 这种关系是少见的 (线 a)。
② 对数曲线关系, 是一条先锐后钝的曲线, 当将剂量换算成对
数剂量时, 可转换成直线 (线 c)。
? 8.5 毒物、毒性
③ S状曲线，当群体中的全部个体，
对某一化合物的敏感性变异，
呈对称正态频数分布时，剂量
与反应率关系成 S状曲线 (线 b)。
如果将效应强度或发生率用概
率单位表示，剂量用对数来表
示,S形曲线亦变成直线。 剂量 -反应 (效应 )曲线,
半数有效量,半数有效量
是指实验生物有 50% 出现
阳性结果时所需的毒物的
剂量 。
如果用水体或空气中有机
污染物的浓度表示剂量，
则相应的毒性指标便为半
数致死浓度 (LC50)。半数
效应浓度 (EC50)。
? 8.5 毒物、毒性
为什么通常以半数有效
量表示毒性大小？
8.5.3 毒性计算
No,1 2 3 4 5
浓度,10,20 40 80 120 mg/L
死亡率,0 1% 50% 90% 100% 化合物甲
死亡率,0 0 0 0 80% 化合物乙
死亡率,10% 46% 72% 100% 100% 化合物丙
对照 (Control)
空白 (Blank)
? 8.5 毒物、毒性
将死亡率或其它效应以概率单位
表示, 剂量以对数表示, 转化剂
量与反应间的 S形曲线为直线, 然
后用最小二乘法拟合该直线, 求
出概率单位为 5 时相对应的浓度
值, 便是半数致死浓度 (LC50) 或
半数效应浓度 (EC50)。 在此方法
中, 死亡率为 0 % 和 100 % 的数
据不计算在内 。
(1) 概率单位法
? 8.5 毒物、毒性
logLC50的 95% 可信限
为,± 1.96 Sm
21)2(2 ?? NSm b
b,是当死亡率以概率单
位表示时, 死亡率与浓
度对数之间拟合直线的
斜率, N 为实验动物
总数 。
实验要求：① 每个实
验组动物数相同。
② 各组间剂量按等比
级数设置。
③ 最大剂量的死亡率
最好为 100% 或与之
相近，最小剂量的死
亡率最好为 0% 或与
之相近。
?? 21)( npqiSm
(2) 寇氏法
? 8.5 毒物、毒性
logLC50 = Xm - i(∑p - 0.5)
logLC50 的 95% 可 信 限 为,
± 1.96Sm
p,为一个组的死亡率, q,相对存
活率, n,各组实验生物数 。
Xm:最大剂量的对数, i:相邻组剂
量比值的对数, ∑p为各组死亡率
的总和 。
估计 LC50或 EC50的方法还有图解法, 极大似然估计
法等, 图解法由于太简单而给出的估计值不精确, 极大
似然估计法则在数学计算上太复杂, 不便于操作 。
(3) Trimmed Spearman-Karber 法
? 8.5 毒物、毒性
类似于寇氏法, 但该法允许选择一个整理参数 (α),
以便对死亡率数据进行整理 。
联合作用有 独立作用, 协同作用 (含相加作用和加强作用 )、
拮抗作用 等 。
也有人将联合作用分为简单相似作用, 复杂相似作用, 独立
作用和依赖作用等 。
如果各个化学物质对机体作用的途径, 方式, 部位及其机理
类似, 并且各个化学物质对机体的毒作用互不影响, 则这种
联合作用为 简单相似作用 。
如果各个化学物质对机体作用的途径, 方式, 部位及其机理
类似, 而且各个化学物质对机体的毒作用互相有影响, 则这
种联合作用为 复杂相似作用 。
8.5.4 毒物联合作用
? 8.5 毒物、毒性
如果化学物质对机体作用的途径, 方式, 部位及其机理各不
相同, 而且各个化学物质对机体的毒作用互不影响, 则这种
联合作用为 独立作用 。
如果化学物质对机体作用的途径, 方式, 部位及其机理各不
相同, 并且各个化学物质对机体的毒作用互相有影响, 则这
种联合作用为 依赖作用 。
? 8.5 毒物、毒性
(1) 酶活性抑制 (激活 )
某些有机化合物与酶的共价结合；某些重金属离子与含巯基的
酶的强烈结合；某些金属取代金属酶中的不同金属；
基因突变
染色体突变
8.5.5 毒作用生物化学机制
? 8.5 毒物、毒性
基因突变是指 DNA碱基对排列顺序发生改变 。 包括碱基
对的转换, 颠换, 插入和缺失四种类型 。
(2) 致突变作用：指生物细胞内 DNA改变 。
转换 是同型碱基之间的置换； 颠换 是异型碱基之间的置换；
颠换和转换统称为碱型置换 。
插入 和 缺失 分别是 DNA碱基对顺序种增加和减少一对碱基
或几对碱基, 使遗传读码格式发生改变, 这两种突变统称
为移码突变 。
如果上述改变只限于基因范围, 就是基因突变；若涉及到
整个染色体, 就是 染色体畸变 。 染色体畸变属于细胞水平
的变化, 基因突变属于分子水平上的变化 。
? 8.5 毒物、毒性
(3) 致癌作用
物理致癌物
生物性致癌物 确证致癌物
可疑致癌物
潜在致癌物
遗传毒性致癌物
非遗传毒性致癌物
其它致癌物
直接致癌物
间接致癌物
促癌物
助致癌物
? 8.5 毒物、毒性
癌就是体细胞不受控制的疯长 。
人类癌症
80-85%与
化学致癌物
有关。
化学致癌物
人或动物在胚胎发育过程中由
于各种原因所形成的形态结构
异常，称为先天性畸形或畸胎。
遗传因素、物理因素、化学因
素、生物因素，母体营养缺乏
或内分泌障碍都可引起先天性
畸形，称为致畸作用。
? 8.5 毒物、毒性
(4) 致畸作用
N
O
O
N
O
O
H
20世纪 60年代，欧美、
日本，妊娠镇静，导
致 104名畸形胎儿。
甲基汞。
反应停
