環(huán)境生物學南開大學第三章污染物對生物的影響

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1、環(huán)境生物學 第三章 污染物對生物的影響 Caswell（ 1996）：一個水平上發(fā)生的過程的機制來自其下 一級，而這個過程的結(jié)果又在它上一級水平得到體現(xiàn)。 Jagoe（ 1996）：所有毒性效應(yīng)都開始于與生物分子的相互 作用。 Newman（ 2003）：如果存在多種污染物，生化上的改變可 以為究竟哪一種污染物產(chǎn)生了效應(yīng)提供有價值的線索。 生化反應(yīng)：結(jié)構(gòu)改變，形成新化合物，不可逆。 分子作用：結(jié)合，改變功能，多數(shù)可逆。 防護性反應(yīng)：免疫（過敏反應(yīng)）、應(yīng)激（急）反應(yīng) 非防護性反應(yīng)：不能自我調(diào)節(jié)；過量的情況 第一節(jié) 污染物 在生物化學和分 水平上的影響生化反應(yīng) 一、對生物機體酶的影響 1、酶的誘導

2、 許多環(huán)境污染物能誘導生物機體內(nèi)一些酶活性和 含量增加，在這些污染物中，大多屬于有毒、有害的 有機化合物，如：多氯聯(lián)苯（ PCBs）、多環(huán)芳烴 （ PAHs）、表面活性劑等。 酶誘導的三基因假說：結(jié)構(gòu)（轉(zhuǎn)錄 mRNA）、操 縱（去阻遏，控制轉(zhuǎn)錄速度）、調(diào)節(jié)（形成阻遏蛋白， 中止轉(zhuǎn)錄） 外源物與阻遏蛋白形成復(fù)合物，不能中止轉(zhuǎn)錄過 程，使酶蛋白合成增加。 第一節(jié) 污染物 在生物化學和分 水平上的影響生化反應(yīng) 第一節(jié) 污染物 在生物化學和分 水平上的影響生化反應(yīng) a、混合功能氧化酶（ MFO） 是污染物在生物體內(nèi)進行生物轉(zhuǎn)化相 過程的關(guān)鍵酶系。 水平 命名法 marker DNA CYP1A1 mR

3、NA CYP1A1 DNA探針 Pr P-4501A1 抗體（ ELISA） 酶活性 EROD/AHH 催化檢驗 第一節(jié) 污染物 在生物化學和分 水平上的影響生化反應(yīng) b、抗氧化防御系統(tǒng)酶 (1) 超氧化物歧化酶（ SOD） 是一類高誘導酶，催化 O2生成 H2O2 ，消除活 性氧。 活性氧：帶有 2 3個電子的分子氧還原產(chǎn)物， 主要有： OH、 O2 和 H2O2 自由基：帶有奇數(shù)電子的原子或基團（ free radical）。 脂質(zhì)過氧化：多不飽和脂肪酸與自由基反應(yīng)，形成脂質(zhì)自 由基。 自由基的損害機制：改變膜結(jié)構(gòu)，膜蛋白變性，攻擊 DNA 第一節(jié) 污染物 在生物化學和分 水平上的影響生化

4、反應(yīng) (2) 谷胱甘肽過氧化酶（ GPx） 以 H2O2 為底物，催化形成 H2O ， 消除 H2O2 (3) 過氧化氫酶（ Ct） 只能分解 H2O2 c、 谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶（ GSTs） 是污染物在體內(nèi)生物轉(zhuǎn)化相 過程中的重要酶， 具有許多同工酶。生理作用是與不同的親電性化合 物或一些相 代謝產(chǎn)物結(jié)合產(chǎn)生水溶性化合物，易 于排出體外，因此起到解毒作用。 第一節(jié) 污染物 在生物化學和分 水平上的影響生化反應(yīng) 2、酶的抑制作用 與酶的誘導作用相反，一些環(huán)境污染物可抑制酶的 活性。 普通的情況是：低劑量的環(huán)境污染物起誘導作用， 高劑量的環(huán)境污染物起抑制作用。 酶的抑制作用分為： 不可逆抑制：與酶蛋

5、白的活性中心功能基團不可逆結(jié)合。 非競爭性抑制：增加底物濃度，不能使抑制作用逆轉(zhuǎn)。 競爭性抑制：增加底物濃度，抑制作用減弱。 第一節(jié) 污染物 在生物化學和分 水平上的影響生化反應(yīng) 二、對其他生物大分子的影響 1、與受體結(jié)合 污染物及其活性代謝產(chǎn)物可直接與生物的膜受體或細胞 質(zhì)受體共價結(jié)合，如與糖蛋白、磷脂蛋白或其他特殊蛋白結(jié) 合，導致化學性損傷，從而影響受體功能，引起一系列生物 學反應(yīng)。 受體（ receptor）：能正確識別固有的外界信息，并用 適當方式將外界信息轉(zhuǎn)換成生物信息的感受器。 原義：生物體感受外界物理、化學刺激，并轉(zhuǎn)變成神經(jīng)沖 動的感受器。 第一節(jié) 污染物 在生物化學和分 水平上

6、的影響生化反應(yīng) 2、與蛋白質(zhì)（酶）結(jié)合 蛋白質(zhì)中許多氨基酸帶有的活性基團與污染物 結(jié)合，導致蛋白質(zhì)化學損傷。此外，還可以誘導一 些功能蛋白的產(chǎn)生，如產(chǎn)生應(yīng)激蛋白和金屬硫蛋白。 這些蛋白可以保護生物機體抵抗污染物的損害，是 防護性生化反應(yīng)。 金屬硫（巰）蛋白：位于胞液內(nèi)的低分子蛋白，半胱氨 酸（巰基）含量極高，對熱穩(wěn)定，金屬含量高。可被 Cd, Cu, Zn, Hg, Co, Ni, Bi, Ag所誘導。 第一節(jié) 污染物 在生物化學和分 水平上的影響生化反應(yīng) 2、對脫氧核糖核酸（ DNA）的影響 外源化合物與 DNA相互作用及產(chǎn)生突變的過程 （四個階段）： 修復(fù)（改變） 破壞被固定 DNA加合物

7、 DNA突變 第二節(jié) 污染物在細胞和器官水平上的影響 一、對細胞的影響 表現(xiàn)為對細胞結(jié)構(gòu)和功能的改變 1、對細胞膜的影響：脂質(zhì)過氧化（通透性、離子泵） 2、對細胞器的影響 a、線粒體：膜系統(tǒng)損傷，嵴減少、變小 b、光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)：破壞膜結(jié)構(gòu)，核 糖體脫落 3、壞死（ necrosis)：疾病或損傷引起的細胞死亡。 （個體死亡稱為身體死亡 somaticdeath） 第二節(jié) 污染物在細胞和器官水平上的影響 二、對組織器官的影響 1、靶器官 污染物進入機體后，只對部分器官產(chǎn)生毒作用， 這些器官稱為靶器官。 * 經(jīng)積累最先達到效應(yīng)閾值的器官。 2、對組織器官的影響 表現(xiàn)效應(yīng)的器官：可以是多器

8、官，含受體，或間接 作用。 蓄積器官：污染物積累量（濃度）高于其他器官。 第二節(jié) 污染物在細胞和器官水平上的影響 3、炎癥（ inflammation）：熱、紅、腫、痛 熱：與變溫動物無關(guān)。 紅：只與紅色血液動物有關(guān)。受損區(qū)域的血管膨脹，增加該區(qū) 域的血液流量，導致紅和熱。 腫：血液中液體經(jīng)血管壁流入發(fā)炎組織的結(jié)果。 痛：組織腫脹的壓力所造成。 白血球（中性粒細胞、單核細胞、淋巴細胞）可離開血管進入 受損組織，這也可以指示炎癥。 第三節(jié) 污染物在個體水平上的影響 一、死亡 在污染物一定劑量或濃度作用下，引起動物的死 亡，這樣的劑量或濃度稱為致死劑量或致死濃度。 二、對行為的影響 1、回避行為

9、2、捕食行為 3、警惕行為 4、其它行為 第三節(jié) 污染物在個體水平上的影響 三、對繁殖的影響 1、蛋殼的厚薄指數(shù)：一個評價污染物對鳥類繁 殖影響的敏感指標。 2、環(huán)境激素（內(nèi)分泌干擾） 四、對生長和發(fā)育的影響 影響攝食和生理代謝，消耗能量 五、（ Selye）應(yīng)激： 在一個生物系統(tǒng)中，由所有非特異性的、 誘導出來的變化組成的綜合癥（ Selye， 1956）。 應(yīng)激是在應(yīng)激源的影響下，身體試圖重新建立或保持內(nèi)穩(wěn)態(tài) 的一組特殊的變化（ Adams, 1990）。 可分為 3個階段：警覺 反應(yīng)期、適應(yīng)或抵抗期、衰竭期。 第四節(jié) 污染物對種群和群落的影響 一、對生物種群的影響 種群：具有空間特征、數(shù)

10、量特征、遺傳特征 種群密度：單位面積或單位空間內(nèi)的個體數(shù)量。 1.數(shù)量 (密度 )： a.敏感物種 (抗性差 )，數(shù)量下降。 b.耐性物種 (抗性強 )，有波動，但能保持。 c.機會物種 (往往是不需要的 )，數(shù)量上升。 第四節(jié) 污染物對種群和群落的影響 物種競爭能力： K-選擇者：種群穩(wěn)定，圍繞 K值波動。出生力低， 壽 命長，個體大。 （天敵） r-選擇者：機會種，與 K-選擇者相反。 （害蟲） 中間類型： r-K在自然界是一個連續(xù)系統(tǒng)，長期進化適應(yīng)的結(jié)果 第四節(jié) 污染物對種群和群落的影響 2. 結(jié)構(gòu)： a. 年齡（幼體死亡，繁殖率下降） b. 性別比例（環(huán)境激素作用） 3. 遺傳結(jié)構(gòu)：基

11、因多樣性下降、遺傳缺陷 4. 競爭關(guān)系：種內(nèi) （空間、食物） 種間 （食物網(wǎng)關(guān)系、生態(tài)位） 生態(tài)位（ niche）：一個生物單位（個體、種群或 物種）生存條件的總集合體。“適應(yīng)性的總和”， “生物在群落和生態(tài)系統(tǒng)中的位置和狀況”。 5.對寄生影響：刺激、抑制、無作用 第四節(jié) 污染物對種群和群落的影響 二、生物的適應(yīng)機制 1.抗性：短期適應(yīng)（耐性） 外部排斥：回避、拒絕吸收 內(nèi)部忍耐：結(jié)合固定、代謝、蓄積 2.適應(yīng)與微進化：（種內(nèi)的分化物種改變） 多樣性下降：三個水平（基因、物種、生態(tài)） 對污染的適應(yīng)：形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理、遺傳 適應(yīng)的代價：生態(tài)、生理、進化 第四節(jié) 污染物對種群和群落的影響 三、對群

12、落的影響： 結(jié)構(gòu)、生物量、生態(tài)價值 1.優(yōu)勢種 2.生物量 3.生物多樣性：生態(tài)穩(wěn)定性、異質(zhì)性（時間、空 間）、生物完整性（多個指標的綜合） 第四節(jié) 污染物對種群和群落的影響 四、對受損系統(tǒng)的分析： 1. 干擾的強度：量效關(guān)系，環(huán)境質(zhì)量評價 2. 影響范圍和規(guī)模：局部、小干擾的刺激作用 3. 作用速度和干擾頻度 4. 干擾持續(xù)的時間和干擾發(fā)生的時刻 第四節(jié) 污染物對種群和群落的影響 五、生物與受損環(huán)境的相互關(guān)系： 1. 環(huán)境因子的綜合作用：各因子之間的關(guān)系 2. 主導因子（人能控制的因子） 3. 累積效應(yīng)：量變質(zhì)變 4. 放大效應(yīng)：未知因素的作用 5. 滯后效應(yīng)：長期影響 6. 適應(yīng)組合：自我

13、調(diào)節(jié)與協(xié)同變化 第五節(jié) 化學污染物對生物的聯(lián)合作用 一、研究聯(lián)合作用的主要領(lǐng)域 1. 生態(tài)與健康風險評價 2. 實驗與分析模型 3. 危害早期檢測方法 4. 發(fā)生機理 5. 流行病學調(diào)查研究 6. 綜合性指標 第五節(jié) 化學污染物對生物的聯(lián)合作用 二、定性概念： 可發(fā)生在毒效應(yīng)過程中的任何階段， 暴露階段、動力學階段、效應(yīng)（作用）階段 化學作用和生物學作用 劑量與次序 類型： 獨立作用 相加作用 協(xié)同作用（增強作用） 拮抗作用 第五節(jié) 化學污染物對生物的聯(lián)合作用 三、定性模型： 毒性單位的概念： TU = D / ED D：試驗所用劑量； ED：某一效應(yīng)劑量（標準） 結(jié)果的表達：簡單比較、等效線

14、圖 四、測定方法（定量研究）： R = 預(yù)期值 /實測值（假設(shè)為簡單相加 , R 1） R 2.5 （ 1.75） 協(xié)同 0.4 R 2.5 相加（多數(shù)為部分相加） 第五節(jié) 化學污染物對生物的聯(lián)合作用 毒物 A 劑 量 （ 活 性 物 質(zhì) ） 非競爭性拮抗 競爭性或化學性拮抗 功能或生理性拮抗 獨立作用 協(xié)同作用 化合物 B劑量 （ 非活性物質(zhì) ） 第五節(jié) 化學污染物對生物的聯(lián)合作用 拮抗作用 獨立作用 部分相加作用 相加作用 協(xié)同作用 化 合 物A 劑 量 化合物 B劑量 階段思考題：作業(yè) 1。污染 物的化學和物理特性是如何影響他們 在環(huán)境中的遷移、滯留、分布和歸趨的？ 2。生物如何減少和避免污染物危害導致的損 傷性作用？