第三节 污染物质的生物富集、放大和积累

• 一、生物富集

• 二、生物放大

• 三、生物积累

一、生物富集 生物富集是指生物通过非吞食方式，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=cb ／ ce

式中： BCF——生物浓缩系数；

• cb—某种元素或难降解物质在机体中的浓度；

• ce—某种元素或难降解物质在机体周围环境中的浓度

一、生物富集 生物浓缩系数可以是个位到万位级，甚至更高。 其大小与下列三个方面的影响因素有关 : 在物质性质方面 : 降解性、脂溶性和水溶性。一般，降

解性小、脂溶性高、水溶性低的物质，生物浓缩系数高；反之，则低。

在生物特征方面 : 生物种类、大小、性别、器官、生物发育阶段等。

在环境条件方面 : 温度、盐度、水硬度、 pH值、氧含量和光照状况等。

一般，重金属元素和许多氯化碳氢化合物、稠环、杂环等有机化合物具有很高的生物浓缩系数。

一、生物富集 从动力学观点来看，水生生物对水中难降解物质的富集

速率，是生物对其吸收速率、消除速率及由生物机体质量增长引起的物质稀释速率的代数和。

吸收速率 (Ra) 、消除速率 (Re) 及稀释速率 (Rg) 的表示式为：

Ra=kacw

Re=-kecf

Rg=-kgcf

式中： ka、 ke、 kg——水生生物吸收、消除、生长的速率常数； cw、 cf——水及生物体内的瞬时物质浓度。

一、生物富集 水生生物富集速率微分方程为：

一、生物富集 则水生生物富集速率方程为：

说明在一定条件下生物浓缩系数有一闽值。此时，水生生物富集达到动态平衡。生物浓缩系数常指生物富集到达平衡时的 BCF值，并可由实验得到。

一、生物富集 水生生物对水中物质的富集是一个复杂过程。但是对于有较高

脂溶性和较低水溶性的、以被动扩散通过生物膜的难降解有机物质，这一过程的机理可简示为该类物质在水和生物脂肪组织两相间的分配作用。

人们以正辛醇作为水生生物脂肪组织代用品，发现这些有机物质在辛酪—水两相分配系数的对数 (lgKow) 与其在水生生物体中浓缩系数的对数 (lgBCF) 之间有良好的线性正相关关系。

其通式为：

二、生物放大 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，可使食物链上的高营养级生物体内这种元素或物质的浓度超过周围环境中的浓度。

生物放大并不是在所有条件下都能发生。据文献报道，有些物质只能沿食物链传递，不能沿食物链放大；有些物质既不能沿食物链传递，也不能沿食物链放大。

三、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 (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表示。

三、生物积累 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：此式表明，食物链上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。

• 三、生物积累

上列式子表明，生物积累的物质浓度中，一项是从水中摄得的浓度，另一项是从食物链传递得到的浓度。这二项的对比，反映出相应的生物官集和生物放大在生物积累达到平衡时的贡献大小。

三、生物积累三、生物积累

另外，可知 的关系为

当上式右端项大于 1 时，食物链上从饵料生物至捕食生物才会呈现生物放大。通常 Wi,i-1 ＞ kgi ，因而对于同种生物来说， 小和

越大的物质，生物放大也越显著。

第五章 生物体内污染物质的第五章 生物体内污染物质的 运动过程及毒性 运动过程及毒性

第四节 污染物质的生物转化• 一、生物转化中的酶

• 二、若干重要辅酶的功能• 三、生物氧化中的氢传递过程

• 四、耗氧有机污染物质的微生物降解• 五、有毒有机污染物质生物转化类型• 六、有毒有机污染物质的微生物降解

• 七、氮及硫的微生物转化• 八、重金属元素的微生物转化• 九、污染物质的生物转化速率

第四节 污染物质的生物转化第四节 污染物质的生物转化 物质在生物作用下经受的化学变化，称为生

物转化或代谢 ( 转化 ) 。 生物转化、化学转化和光化学转化构成了污染

物质在环境中的三大主要转化类型。一、生物转化中的酶 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。 其中，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。

一、生物转化中的酶 酶催化作用的特点在于： 第一，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。如脲酶仅能催化尿素水解：

第二，酶催化效率高。 例如，蔗糖酶催化蔗糖水解的速率较强酸催化速率高 2X1012倍。 0℃时过氧化氢酶催化过氧化氢分解的速率高于铁离子催化速率 1X1010倍。一般，酶催化反应的速率比化学催化剂高 107一 1013倍。

第三，酶催化需要温和的外界条件。 酶催化作用一般要求温和的外界条件，如常温、常压、接近中性的酸碱度等。

一、生物转化中的酶 酶的种类很多，已知的酶有 2X103 多种。 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。 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，而当酶蛋白与辅酶经分离后各自单独存在时则均失去相应作用。

二、若干重要辅酶的功能 1 ． FMN 和 FAD 辅酶 FMN和 FAD分别是黄素单核苷酸和黄素腺嘌呤二核苷酸的缩写，

结构式如图 5—2

二、若干重要辅酶的功能 1 ． FMN 和 FAD

二、若干重要辅酶的功能 2 ． NAD+ 和 NADP+

辅酶 NAD+和 DADP+又分别称为辅酶 I和辅酶Ⅱ，依次是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸的缩写，结构式如图 5—3所示。

二、若干重要辅酶的功能 2 ． NAD+ 和 NADP+

二、若干重要辅酶的功能 3 ．辅酶 Q 辅酶 Q又称泛醌，简写 CoQ，是某些氧化还原酶的辅酶，在酶促反应中担任递氢任务。

二、若干重要辅酶的功能 4 ．细胞色素酶系的辅酶 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和 a3等几种。它们的酶蛋白部分各不相同，但是辅酶都是铁卟啉。

二、若干重要辅酶的功能 5 ．辅酶 A 辅酶 A是泛酸的一个衍生物，简写为 CoASH ，结构式如

下：

二、若干重要辅酶的功能 5 ．辅酶 A 传递酰基的功能

三、生物氧化中的氢传递过程 生物氧化是指有机物质在机体细胞内的氧化，并伴随有

能量释放。放出的能量主要通过二磷酸腺苷与正磷酸合成三磷酸腺苷而被暂时存放。

三、生物氧化中的氢传递过程1 ．有氧氧化中以分子氧为直接受氢体的递氢过程 这类氢传递过程中只有一种酶作用于有机底物，脱落底物的氢 (H++e) ，其中的电子由该酶辅酶直接传递给分子氧，形成激活态 02-，与脱落氢剩下的 H+化合成水。

三、生物氧化中的氢传递过程 2 ．有氧氧化中分子氧为间接受氢体的递氢过程 这类氢传递过程中有几种酶共同发挥作用，第一种酶

从有机底物脱落氢 (H++e) ，由其余的酶顺序传递，最后把其中的电子传给分子氧形成激活态 02-，并与脱落氢中剩下的 H+结合为水。

三、生物氧化中的氢传递过程 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

三、生物氧化中的氢传递过程4 ．无氧氧化中某些无机含氧化合物作受氢体的 递氢过程

四、耗氧有机污染物质的微生物降解 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。这一过程称为有机物质的 —— 生物降解。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 ．糖类的微生物降解 微生物降解糖类的基本途径是： (1) 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 ( 图 5—6) 。

微生物降解糖类的基本途径是： (2) 单糖酵解成丙酮酸：细胞内单糖不论在有氧氧化或

在无氧氧化条件下，都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。

微生物降解糖类的基本途径是： (3)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

乙酰辅酶 A 与草酰乙酸经下式酶促反应转成柠檬酸。

柠檬酸通过图 5—7所示酶促反应途径，最后形成草酰乙酸，又与上述丙酮酸持续转变成的乙酰辅酶 A生成柠檬酸，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。

• 微生物降解糖类的基本途径是： (3)丙酮酸的转化：无氧氧化条件下丙酮酸通过酶促

反应，往往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。

四、耗氧有机污染物质的微生物降解 2．脂肪的微生物降解 脂肪是由脂肪酸和甘油合成的酯。 微生物降解脂肪的基本途径如下： (1)脂肪水解成脂肪酸和甘油：

• 微生物降解脂肪的基本途径如下：• (2)甘油的转化：

微生物降解脂肪的基本途径如下：• (3)脂肪酸的转化：在有氧氧化条件下，饱和脂肪酸通常经过酶促β—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，使其中的乙酰基氧化成二氧化碳和水，并将辅酶 A复原。而脂酰辅酶 A又经 β—氧化途径进行转化。

• 微生物降解脂肪的基本途径如下： (3)脂肪酸的转化： 在无氧氧化条件下，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。

• 综上所述，脂肪通过微生物作用，在有氧氧化下能被完全氧化成二氧化碳和水，降解彻底；而在无氧氧化下常进行酸性发酵，形成简单有机酸、醇和二氧化碳等，降解不彻底。

四、耗氧有机污染物质的微生物降解 3 ．蛋白质的微生物降解 蛋白质是一类由 α—氨基酸通过肽键联结成的大分子

化合物。在蛋白质中有 20多种 α—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

3 ．蛋白质的微生物降解微生物降解蛋白质的基本途径是：• (1) 蛋白质水解成氨基酸：蛋白质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人细胞内。二肽在细胞内可继续水解形成氨基酸。

• (2)氨基酸脱氨脱羧成脂肪酸：氨基酸在细胞内的转化由于不同酶的作用而有多种途径，其中以脱氨脱羧形成脂肪酸为主。

四、耗氧有机污染物质的微生物降解 4.甲烷发酵 如前所述，在无氧氧化条件下糖类、脂肪和蛋白质都可借助产酸茵的作用降解成简单的有机酸、醇等化合物。如果条件允许，这些有机化合物在产氢菌和产乙酸苗作用下，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。在甲烷发酵中，一般以糖类的降解率和降解速率最高，脂肪次之，蛋白质最低。

产甲烷茵产生甲烷的主要途径如式 (5—48) 和式 (5—49) 所示。

甲烷发酵需要满足产酸菌、产氢苗、产乙酸茵和产甲烷茵等各种菌种所需的生活条件，它只能在适宜环境条件下进行。

产甲烷茵是专一性厌氧菌，因此甲烷发酵必须处于无氧条件下。产甲烷苗生长还要求弱碱性环境，故需控制发酵的适宜 PH范围，一般 PH 为 7—8。

微生物具有每利用 30 份碳就需要 1份氯的营养要求，因而发酵有机物质的适宜碳氮比为 30 左右。发酵的其余重要条件还有温度、菌种分布、发酵有机物质的浓度等。

四、耗氧有机污染物质的微生物降解四、耗氧有机污染物质的微生物降解

4.4.甲烷发酵甲烷发酵