第二章 污染物對生物的影響.ppt

1、第二章 污染物對生物的影響,本章將討論以下內(nèi)容： 污染物在生物化學(xué)和分子水平上的影響 污染物在細(xì)胞和器官水平上的影響 污染物在個體水平上的影響 污染物在種群和群落水平上的影響 化學(xué)污染物對生物的聯(lián)合作用,2.1 污染物在生物化學(xué)和分子水平上的影響,生物系統(tǒng)的各級生物學(xué)水平： 生物分子 細(xì)胞器 細(xì)胞 組織 器官 器官系統(tǒng) 個體 種群 群落 生態(tài)系統(tǒng),污染物進(jìn)入機(jī)體后導(dǎo)致的生物化學(xué)變化包括：防護(hù)性生化反應(yīng)和非防護(hù)性生化反應(yīng),表21 對污染物的防護(hù)性和非防護(hù)性生化反應(yīng),2.1.1 污染物對生物機(jī)體酶的影響,什么是酶（ enzyme ）？ 酶是一種特殊的蛋白質(zhì)，在生物體內(nèi)對代謝活動起催化作用，本身不發(fā)

2、生變化。受酶作用的物質(zhì)稱為基質(zhì)（底物），在酶作用下的反應(yīng)稱為酶促反應(yīng)。 酶和污染物的相互作用 污染物進(jìn)入機(jī)體后，一方面在酶的催化下，進(jìn)行代謝轉(zhuǎn)化，另一方面也導(dǎo)致體內(nèi)酶活性改變，影響酶的數(shù)量和活性。 另外有些環(huán)境污染物對酶有誘導(dǎo)作用。目前已發(fā)現(xiàn)多種環(huán)境污染物能誘導(dǎo)生物體內(nèi)一些酶的活性增加，例如：有機(jī)氯農(nóng)藥、多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴、表面活性劑、增塑劑和染料中間體等，均可對酶產(chǎn)生誘導(dǎo)作用。,1 污染物對酶輔助因子的影響 一些污染物能與酶的輔助因子金屬離子作用，從而使輔助因子失活，影響到酶的活性。 例如：氰化物等能與細(xì)胞色素酶中的鐵離子結(jié)合，形成穩(wěn)定絡(luò)合物，而抑制細(xì)胞色素的酶活性，使其不能傳遞電子，則細(xì)胞

3、內(nèi)的氧化代謝過程中斷，使機(jī)體不能利用氧，出現(xiàn)內(nèi)窒息性缺氧。 2 對酶活性中心的影響 污染物還能和酶的其它活性基團(tuán)結(jié)合，如汞和砷與某些酶的活性基團(tuán)結(jié)合就很牢固，從而使酶失去活性。 3 破壞酶的結(jié)構(gòu) 有些污染物能夠取代酶分子中的某些成分，從而使酶失去活性。如鈹?shù)亩咀饔脵C(jī)理就是能取代某些酶分子中的鎂和錳，破壞了酶的正常結(jié)構(gòu)，使酶失去活性。,污染物對生物體內(nèi)酶的影響,4 與酶激活劑作用 有些酶需要激活劑才能表現(xiàn)活性。酶激活劑往往是金屬離子，凡是能與激活劑作用的污染物都能抑制酶的活性。 5 污染物與基質(zhì)競爭同種酶而抑制酶的作用 污染物與底物有相似的結(jié)構(gòu)，也能酶形成復(fù)合物，從而競相和酶發(fā)生作用。 酶的抑制

4、 不可逆性抑制 非競爭性抑制 競爭性抑制,混合功能氧化酶（MFO）,混合功能氧化酶（MFO） MFO是污染物在體內(nèi)進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化相I過程中的關(guān)鍵酶系，它們對人工化學(xué)品解毒發(fā)揮了重要作用。 MFO引起的生物轉(zhuǎn)化的反應(yīng)特征相同，但底物、產(chǎn)物的化學(xué)特性差別很大，即具有多種催化功能。 混合功能氧化酶（MFO）的作用 MFO存在于所有的脊椎動物和大部分的無脊椎動物中，其作用是代謝非極性的親脂性有機(jī)化合物，包括內(nèi)源性化合物和外源性化合物。 從解毒作用來看，許多外源性化合物進(jìn)入體內(nèi)，經(jīng)MFO作用后發(fā)生各種變化，大多數(shù)被轉(zhuǎn)化成低毒易溶的代謝產(chǎn)物排出體外。但有的則變成高毒甚至致癌物。,抗氧化防御系統(tǒng)酶,活性氧（A

5、ctiviated Oxygen） 帶有23個電子的分子氧還原產(chǎn)物，主要有：OH、O2、H2O2 活性氧的控制和消除 由體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧可為抗氧化防御系統(tǒng)控制，消除活性氧對機(jī)體的傷害作用。 某些污染物如多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯可在生物體內(nèi)進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化時產(chǎn)生大量活性氧。在一定范圍內(nèi)，這些活性氧可被體內(nèi)的抗氧化防御系統(tǒng)清除，但當(dāng)體內(nèi)的抗氧化防御系統(tǒng)不能消除這些活性氧時，它們可使DNA鏈斷裂、脂質(zhì)過氧化、酶蛋白失活等，從而引起機(jī)體氧化應(yīng)激或氧毒性。 抗氧化防御系統(tǒng)酶 超氧化物歧化酶（SOD） 谷胱甘肽氧化酶（G P x） 過氧化氫酶（Ct）,2.1.2 污染物對生物大分子的影響,污染物對生物大分子的影響主

6、要表現(xiàn)在以下方面： 干擾正常的受體配體的相互作用 受體（receptor）是許多組織細(xì)胞膜上的大分子成分，配體（ligand）是生物體內(nèi)的一些具有生物活性的化學(xué)物。正常情況下，受體與配體結(jié)合形成受體配體復(fù)合物，產(chǎn)生一定的生物學(xué)效應(yīng)。 生物膜損傷 不少環(huán)境化學(xué)物通過改變膜脂流動性，影響膜的通透性和鑲嵌蛋白質(zhì)的活性，改變其結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性，從而產(chǎn)生生物效應(yīng) 干擾細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài) 正常情況下細(xì)胞內(nèi)的鈣濃度較低（107108 mol/L），細(xì)胞外濃度較高（103 mol/L ）。各種細(xì)胞毒物，如硝基酚、過氧化物、汞、鉛等重金屬離子均能干擾細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)，引起細(xì)胞損傷和死亡。,干擾細(xì)胞能量的合成 一些環(huán)境污染物可

7、干擾糖類的氧化，使細(xì)胞不能合成能被生物利用的ATP，ATP使細(xì)胞生命活動得不到充足的能量供給 脂質(zhì)過氧化(lipied peroxidation)與自由基 脂質(zhì)過氧化是細(xì)胞損傷的一種特殊方式,是由于產(chǎn)生了自由基而引起的,正常情況下,生物體內(nèi)氧化、還原和酶促反應(yīng)過程中，均可產(chǎn)生少量自由基，一般可被體內(nèi)存在的抗氧化物質(zhì)（如維生素C、維生素E）所對抗，對生物危害不大。當(dāng)大量污染物（自由基）進(jìn)入機(jī)體，造成機(jī)體抗氧化作用失衡，即可發(fā)生脂質(zhì)過氧化，對生物體造成危害。 與生物大分子共價結(jié)合 共價結(jié)合可改變生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能，引起一系列生物學(xué)改變，特別是與酶蛋白、脂肪、核酸等重要生物大分子共價結(jié)合，能改變

8、其化學(xué)結(jié)構(gòu)，影響其生理功能，甚至導(dǎo)致變性和細(xì)胞死亡。,例：污染物對蛋白質(zhì)的影響,污染物對蛋白質(zhì)的影響主要表現(xiàn)在以下方面： 導(dǎo)致蛋白質(zhì)化學(xué)損傷：細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)及通透性改變；影響酶的催化功能等 誘導(dǎo)生物機(jī)體內(nèi)一些功能蛋白的產(chǎn)生：如應(yīng)激蛋白（Stress Proteins）和金屬硫蛋白（Metallothionein）的產(chǎn)生，這些蛋白質(zhì)的產(chǎn)生可保護(hù)生物機(jī)體抵抗污染物的損害。 注：金屬硫蛋白對二價金屬離子具有極高的親和力，在細(xì)胞內(nèi)起貯存必需的微量金屬如Zn、Cu和結(jié)合有毒金屬如Cd、Hg的作用，它與必需金屬的結(jié)合起調(diào)節(jié)這些金屬在細(xì)胞內(nèi)濃度的作用，而與有毒金屬結(jié)合則可以保護(hù)細(xì)胞免受金屬毒性影響。,污染物對D

9、NA的影響,外源性化合物及其代謝產(chǎn)物能引起DNA損傷，它們與DNA的相互作用過程有以下四個階段： 形成DNA加合物（DNA Addcuts） 發(fā)生DNA的二次修飾 DNA結(jié)構(gòu)的破壞被固定 當(dāng)細(xì)胞分裂時，外源性化合物造成的危害可導(dǎo)致DNA突變及其基因功能的改變 DNA加合物的形成是產(chǎn)生DNA損傷最早期的作用，隨后產(chǎn)生的最重要影響是DNA結(jié)構(gòu)的改變，如堿基置換、堿基丟失、鏈斷裂等。 DNA加合物作為一項(xiàng)生物指標(biāo)來評價環(huán)境中化學(xué)污染物的遺傳毒性的研究日益受到重視。,2.2 污染物在細(xì)胞和器官水平上的影響 2.2.1 對細(xì)胞膜的影響,對細(xì)胞膜的影響主要表現(xiàn)在以下方面： 污染物引起的脂質(zhì)過氧化作用導(dǎo)致的

10、損傷 污染物可影響膜的離子通透性 污染物與膜上的受體結(jié)合，干擾正常的生理功能,2.2.2 對細(xì)胞器的影響,線粒體 線粒體是細(xì)胞供能的場所。 污染物可引起其結(jié)構(gòu)改變，從而影響線粒體的氧化磷酸化和電子傳遞功能 光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng) 光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是進(jìn)行激素和外源性化合物的代謝場所。 糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)：通過附著或解離核糖體控制蛋白質(zhì)的合成 例：多種化學(xué)致癌物如黃曲霉毒素能引起核糖體脫落，導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成控制的改變。,2.2.3 污染物對組織器官的影響,三個概念：靶器官、效應(yīng)器官和蓄積器官 注1：靶器官不同于效應(yīng)器官，污染物的毒作用可以通過靶器官表現(xiàn)處來，也可由另外的效應(yīng)器官表現(xiàn)出來。 注2：靶器官

11、不同于蓄積器官，污染物在蓄積器官內(nèi)的濃度高于其他器官，但對蓄積器官并不一定顯示毒作用。 對組織器官的影響 對植物，表現(xiàn)為葉面出現(xiàn)點(diǎn)、片傷害斑，造成葉、蕾、花、果實(shí)等的脫落 對動物，以重金屬污染為例：鉛可損害造血器官和神經(jīng)系統(tǒng)，鎘可損害肝臟、腎臟，導(dǎo)致骨痛病。,2.3 污染物在個體水平上的影響,污染物對植物在個體水平上的影響： 主要表現(xiàn)為生長減慢、發(fā)育受阻、失綠黃化、早衰等 污染物對動物在個體水平上的影響： 主要表現(xiàn)為死亡、行為改變、繁殖下降、生長和發(fā)育抑制、疾病敏感性增加、代謝率變化,2.3.1 死亡,衡量死亡的指標(biāo) 死亡率：死亡比例的大小，為評價污染物毒性大小的生物學(xué)指標(biāo) 致死劑量（Leth

12、al Dose）或致死濃度（Lethal Concentration）：能引起動物死亡的污染物的劑量或濃度。 半數(shù)致死劑量（LD50）或半數(shù)致死濃度（LC50）：能引起50的動物死亡的污染物的劑量或濃度。 影響致死效應(yīng)的主要因素： 污染物的種類及其物理化學(xué)性質(zhì) 生物的種類 作用時間、水質(zhì)條件，如溫度、硬度、溶解氧等 多種污染物的綜合作用,2.3.2 對行為的影響,行為毒性（Behavioral Toxicity）的概念 指一種污染物或其他因素（如溫度、光照、輻射）使得動物一種行為超過正常變化的范圍。 水環(huán)境污染可影響的生物行為： 回避行為 捕食行為 學(xué)習(xí)行為 警惕行為 社會行為 對鳥類行為的影

13、響 有機(jī)磷農(nóng)藥可影響鳥的神經(jīng)系統(tǒng)，導(dǎo)致鳥的平衡和協(xié)調(diào)性的損害。 受污染的鳥類還可表現(xiàn)出對領(lǐng)地的失控和不能照顧后代。,2.3.3 對繁殖的影響,污染物的繁殖的影響 主要表現(xiàn)為：產(chǎn)卵數(shù)、孵化率、幼體存活率下降以及繁殖行為下降等 概念：環(huán)境激素（Environmental Endocrine Disrupters） 指具有動物和人體激素的活性，能干擾和破壞野生動物繁殖障礙、誘發(fā)人類重大疾病的天然物質(zhì)或人工合成物質(zhì)。也叫做外源性雌激素或環(huán)境內(nèi)分泌干擾物。 環(huán)境激素的種類包括：天然雌激素、合成雌激素、植物雌激素 、具有雌激素活性的環(huán)境化學(xué)物質(zhì) 注：具有雌激素活性的環(huán)境化學(xué)物質(zhì)：如殺蟲劑、多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳

14、烴、洗滌劑、塑料添加劑、食品添加劑等，工業(yè)廢水和生活污水往往含有上述物質(zhì)。,2.3.4 對生長和發(fā)育的影響,污染物對生長和發(fā)育的影響可通過生長指示器來測定 生長指示器（Scope for Growth）是反映生物機(jī)體能量獲取利用和代謝的綜合指標(biāo)。 P=A-(R+U) 注：PSFG； A從食物獲得的能量； R呼吸作用的能量損失； U排泄作用的能量損失,2.4 污染物在種群和群落水平上的影響 2.4.1 對生物種群的影響,概念：種群（Population） 是指在一定時空中同種個體的組合。 污染物對種群的影響表現(xiàn)為： 種群數(shù)量的密度改變 結(jié)構(gòu)和性別比例的變化：年齡結(jié)構(gòu)、種群大小、性逆轉(zhuǎn) 遺傳結(jié)構(gòu)的改變：在進(jìn)化過程中通過改變基因頻率以適應(yīng)環(huán)境的改變 競爭關(guān)系的改變,2.4.2 對生物群落的影響,基本概念 群落（Community） 優(yōu)勢種（Dominant Species） 優(yōu)勢度？ 耐污種 敏感種 污染物對群落的影響表現(xiàn)在： 群落組成和結(jié)構(gòu)改變 對物種多樣性（Species Diversity）的影響 注：物種多樣性指群落中物種的數(shù)目（豐富度）和各個物種的相對密度（群落的異質(zhì)性）。,2. 5 化學(xué)污染物對生物的聯(lián)合作用,聯(lián)合作用(Combined Effect)的概念 指兩種或兩種以上化學(xué)污染物共同作用所產(chǎn)生的綜合生物學(xué)效應(yīng)。 聯(lián)合作