环境生物学-第二章-污染物对生物的影响

第二章污染物对生物的影响本章将讨论以下内容：污染物在生物化学和分子水平上的影响污染物在细胞和器官水平上的影响污染物在个体水平上的影响污染物在种群和群落水平上的影响化学污染物对生物的联合作用2.1污染物在生物化学和分子水平上的影响生物系统的各级生物学水平：生物分子细胞器细胞组织器官器官系统个体种群群落生态系统污染物进入机体后导致的生物化学变化包括：防护性生化反应和非防护性生化反应作用类型例子后果防护性混合功能氧化酶的诱导加快新陈代谢，生成水溶性代谢物，从而加速排泄金属硫蛋白的生成增加对金属的束缚速度，从而降低金属的生物利用率非防护性乙酰胆碱酯酶的抑制作用50％以上因抑制而产生可见的毒性效应DNA加合物的生成若导致突变会发生损害作用表2－1对污染物的防护性和非防护性生化反应2.1.1污染物对生物机体酶的影响什么是酶（enzyme）？•酶是一种特殊的蛋白质，在生物体内对代谢活动起催化作用，本身不发生变化。受酶作用的物质称为基质（底物），在酶作用下的反应称为酶促反应。酶和污染物的相互作用•污染物进入机体后，一方面在酶的催化下，进行代谢转化，另一方面也导致体内酶活性改变，影响酶的数量和活性。•另外有些环境污染物对酶有诱导作用。目前已发现多种环境污染物能诱导生物体内一些酶的活性增加，例如：有机氯农药、多氯联苯、多环芳烃、表面活性剂、增塑剂和染料中间体等，均可对酶产生诱导作用。1污染物对酶辅助因子的影响•一些污染物能与酶的辅助因子——金属离子作用，从而使辅助因子失活，影响到酶的活性。•例如：氰化物等能与细胞色素酶中的铁离子结合，形成稳定络合物，而抑制细胞色素的酶活性，使其不能传递电子，则细胞内的氧化代谢过程中断，使机体不能利用氧，出现内窒息性缺氧。2对酶活性中心的影响•污染物还能和酶的其它活性基团结合，如汞和砷与某些酶的活性基团结合就很牢固，从而使酶失去活性。3破坏酶的结构•有些污染物能够取代酶分子中的某些成分，从而使酶失去活性。如铍的毒作用机理就是能取代某些酶分子中的镁和锰，破坏了酶的正常结构，使酶失去活性。污染物对生物体内酶的影响4与酶激活剂作用•有些酶需要激活剂才能表现活性。酶激活剂往往是金属离子，凡是能与激活剂作用的污染物都能抑制酶的活性。5污染物与基质竞争同种酶而抑制酶的作用•污染物与底物有相似的结构，也能酶形成复合物，从而竞相和酶发生作用。酶的抑制•不可逆性抑制•非竞争性抑制•竞争性抑制混合功能氧化酶（MFO）混合功能氧化酶（MFO）•MFO是污染物在体内进行生物转化相I过程中的关键酶系，它们对人工化学品解毒发挥了重要作用。•MFO引起的生物转化的反应特征相同，但底物、产物的化学特性差别很大，即具有多种催化功能。混合功能氧化酶（MFO）的作用•MFO存在于所有的脊椎动物和大部分的无脊椎动物中，其作用是代谢非极性的亲脂性有机化合物，包括内源性化合物和外源性化合物。•从解毒作用来看，许多外源性化合物进入体内，经MFO作用后发生各种变化，大多数被转化成低毒易溶的代谢产物排出体外。但有的则变成高毒甚至致癌物。抗氧化防御系统酶活性氧（ActiviatedOxygen）•带有2~3个电子的分子氧还原产物，主要有：·OH、O2、H2O2活性氧的控制和消除•由体内产生的活性氧可为抗氧化防御系统控制，消除活性氧对机体的伤害作用。•某些污染物如多环芳烃、多氯联苯可在生物体内进行生物转化时产生大量活性氧。在一定范围内，这些活性氧可被体内的抗氧化防御系统清除，但当体内的抗氧化防御系统不能消除这些活性氧时，它们可使DNA链断裂、脂质过氧化、酶蛋白失活等，从而引起机体氧化应激或氧毒性。抗氧化防御系统酶•超氧化物歧化酶（SOD）•谷胱甘肽氧化酶（GPx）•过氧化氢酶（Ct）2.1.2污染物对生物大分子的影响污染物对生物大分子的影响主要表现在以下方面：干扰正常的受体——配体的相互作用•受体（receptor）是许多组织细胞膜上的大分子成分，配体（ligand）是生物体内的一些具有生物活性的化学物。正常情况下，受体与配体结合形成受体－配体复合物，产生一定的生物学效应。生物膜损伤•不少环境化学物通过改变膜脂流动性，影响膜的通透性和镶嵌蛋白质的活性，改变其结构和稳定性，从而产生生物效应干扰细胞内钙稳态•正常情况下细胞内的钙浓度较低（10－7～10－8mol/L），细胞外浓度较高（103mol/L）。各种细胞毒物，如硝基酚、过氧化物、汞、铅等重金属离子均能干扰细胞内钙稳态，引起细胞损伤和死亡。干扰细胞能量的合成•一些环境污染物可干扰糖类的氧化，使细胞不能合成能被生物利用的ATP，ATP使细胞生命活动得不到充足的能量供给脂质过氧化(lipiedperoxidation)与自由基•脂质过氧化是细胞损伤的一种特殊方式,是由于产生了自由基而引起的,正常情况下,生物体内氧化、还原和酶促反应过程中，均可产生少量自由基，一般可被体内存在的抗氧化物质（如维生素C、维生素E）所对抗，对生物危害不大。当大量污染物（自由基）进入机体，造成机体抗氧化作用失衡，即可发生脂质过氧化，对生物体造成危害。与生物大分子共价结合•共价结合可改变生物大分子的结构和功能，引起一系列生物学改变，特别是与酶蛋白、脂肪、核酸等重要生物大分子共价结合，能改变其化学结构，影响其生理功能，甚至导致变性和细胞死亡。例：污染物对蛋白质的影响污染物对蛋白质的影响主要表现在以下方面：导致蛋白质化学损伤：细胞膜结构及通透性改变；影响酶的催化功能等诱导生物机体内一些功能蛋白的产生：如应激蛋白（StressProteins）和金属硫蛋白（Metallothionein）的产生，这些蛋白质的产生可保护生物机体抵抗污染物的损害。•注：金属硫蛋白对二价金属离子具有极高的亲和力，在细胞内起贮存必需的微量金属如Zn、Cu和结合有毒金属如Cd、Hg的作用，它与必需金属的结合起调节这些金属在细胞内浓度的作用，而与有毒金属结合则可以保护细胞免受金属毒性影响。污染物对DNA的影响外源性化合物及其代谢产物能引起DNA损伤，它们与DNA的相互作用过程有以下四个阶段：•形成DNA加合物（DNAAddcuts）•发生DNA的二次修饰•DNA结构的破坏被固定•当细胞分裂时，外源性化合物造成的危害可导致DNA突变及其基因功能的改变DNA加合物的形成是产生DNA损伤最早期的作用，随后产生的最重要影响是DNA结构的改变，如碱基置换、碱基丢失、链断裂等。DNA加合物作为一项生物指标来评价环境中化学污染物的遗传毒性的研究日益受到重视。2.2污染物在细胞和器官水平上的影响2.2.1对细胞膜的影响对细胞膜的影响主要表现在以下方面：•污染物引起的脂质过氧化作用导致的损伤•污染物可影响膜的离子通透性•污染物与膜上的受体结合，干扰正常的生理功能2.2.2对细胞器的影响线粒体•线粒体是细胞供能的场所。•污染物可引起其结构改变，从而影响线粒体的氧化磷酸化和电子传递功能光面内质网和糙面内质网•光面内质网和糙面内质网是进行激素和外源性化合物的代谢场所。•糙面内质网：通过附着或解离核糖体控制蛋白质的合成•例：多种化学致癌物如黄曲霉毒素能引起核糖体脱落，导致蛋白质合成控制的改变。2.2.3污染物对组织器官的影响三个概念：靶器官、效应器官和蓄积器官•注1：靶器官不同于效应器官，污染物的毒作用可以通过靶器官表现处来，也可由另外的效应器官表现出来。•注2：靶器官不同于蓄积器官，污染物在蓄积器官内的浓度高于其他器官，但对蓄积器官并不一定显示毒作用。对组织器官的影响•对植物，表现为叶面出现点、片伤害斑，造成叶、蕾、花、果实等的脱落•对动物，以重金属污染为例：铅可损害造血器官和神经系统，镉可损害肝脏、肾脏，导致骨痛病。2.3污染物在个体水平上的影响污染物对植物在个体水平上的影响：•主要表现为生长减慢、发育受阻、失绿黄化、早衰等污染物对动物在个体水平上的影响：•主要表现为死亡、行为改变、繁殖下降、生长和发育抑制、疾病敏感性增加、代谢率变化2.3.1死亡衡量死亡的指标•死亡率：死亡比例的大小，为评价污染物毒性大小的生物学指标•致死剂量（LethalDose）或致死浓度（LethalConcentration）：能引起动物死亡的污染物的剂量或浓度。•半数致死剂量（LD50）或半数致死浓度（LC50）：能引起50％的动物死亡的污染物的剂量或浓度。影响致死效应的主要因素：•污染物的种类及其物理化学性质•生物的种类•作用时间、水质条件，如温度、硬度、溶解氧等•多种污染物的综合作用2.3.2对行为的影响行为毒性（BehavioralToxicity）的概念•指一种污染物或其他因素（如温度、光照、辐射）使得动物一种行为超过正常变化的范围。水环境污染可影响的生物行为：•回避行为•捕食行为•学习行为•警惕行为•社会行为对鸟类行为的影响•有机磷农药可影响鸟的神经系统，导致鸟的平衡和协调性的损害。•受污染的鸟类还可表现出对领地的失控和不能照顾后代。2.3.3对繁殖的影响污染物的繁殖的影响•主要表现为：产卵数、孵化率、幼体存活率下降以及繁殖行为下降等概念：环境激素（EnvironmentalEndocrineDisrupters）•指具有动物和人体激素的活性，能干扰和破坏野生动物繁殖障碍、诱发人类重大疾病的天然物质或人工合成物质。也叫做外源性雌激素或环境内分泌干扰物。•环境激素的种类包括：天然雌激素、合成雌激素、植物雌激素、具有雌激素活性的环境化学物质•注：具有雌激素活性的环境化学物质：如杀虫剂、多氯联苯、多环芳烃、洗涤剂、塑料添加剂、食品添加剂等，工业废水和生活污水往往含有上述物质。2.3.4对生长和发育的影响污染物对生长和发育的影响可通过生长指示器来测定•生长指示器（ScopeforGrowth）是反映生物机体能量获取利用和代谢的综合指标。•P=A-(R+U)•注：P——SFG；A——从食物获得的能量；R——呼吸作用的能量损失；U——排泄作用的能量损失2.4污染物在种群和群落水平上的影响2.4.1对生物种群的影响概念：种群（Population）•是指在一定时空中同种个体的组合。污染物对种群的影响表现为：•种群数量的密度改变•结构和性别比例的变化：年龄结构、种群大小、性逆转•遗传结构的改变：在进化过程中通过改变基因频率以适应环境的改变•竞争关系的改变2.4.2对生物群落的影响基本概念•群落（Community）•优势种（DominantSpecies）•优势度？？•耐污种•敏感种污染物对群落的影响表现在：•群落组成和结构改变•对物种多样性（SpeciesDiversity）的影响•注：物种多样性指群落中物种的数目（丰富度）和各个物种的相对密度（群落的异质性）。2.5化学污染物对生物的联合作用联合作用(CombinedEffect)的概念•指两种或两种以上化学污染物共同作用所产生的综合生物学效应。联合作用的类型：•相加作用（AdditiveEffect）：污染物的总作用强度等于其各个成分单独作用强度的总和。•协同作用（SynergisticEffect）：污染物的总作用强度大于其各个成分单独作用强度的总和。•独立作用（IndependentEffect）各污染物对机体的侵入途径、方式、作用部位、产生毒作用的机理各不相同，因此产生的生物学效应彼此无关。•拮抗作用（AntagonisticEffect）：污染物的总作用强度小于其中任何一种成分的单独作用强度。