生物对环境污染物的抗性

第七讲生物对环境污染物的抗性概念逆境(stress）：自然界对生物生长和生存不利因素的总称抗逆性(hardiness):植物对逆境抵抗和忍耐能力。逆境逃避(stressavoidance):指由于植物通过各种方式摒拒逆境的影响，不利因素并未进入组织，故组织本身通常不会产生相应的反应。逆境忍耐(stresstolerance):指植物组织虽经受逆境对它的影响，但它可通过代谢反应阻止、降低或者修复由逆境造成的伤害，使其仍保持正常的生理活动。逆境的类型生物因素病害、虫害、杂草理化因素物理的辐射性的化学的温度的水分的逆境的类型环境中各种各样的污染物对生活于其中的生物是一种逆境胁迫因子，它们在分子、细胞、组织、器官、个体、种群、群落以及生态系统等各个组织层次上对生物产生多方面的影响。一般来说，生物对各种不良环境具有一定的适应性和抵抗力，称为生物的耐性（tolerance）或抗性（resistance）。生物对污染物的抗性机制是外部排斥和内部忍耐的综合结果。生物处于污染胁迫条件下，一方面通过形态学机制、生理生化机制、生态学机制等将污染物阻挡于体外；另一方面通过结合固定、代谢解毒、分室作用等过程将污染物在体内富集、解毒。这两方面的综合结果形成抗性。其中生物的解毒是抗性的基础，解毒能力强的生物一般都具有较强的抗性，但解毒不是抗性的全部，抗性强的生物不一定解毒能力就强。生物对环境污染物的抗性p105通常，生物的抗性机制涉及到形态、解剖、细胞和分子几个层次。生物获得抗性的途径可概括为以下几种：拒绝吸收，结合钝化，代谢转化，排除体外，改变代谢途径等过程。有的抗性生物通过以上5种途径中的一种产生抗性，有的具有两种或两种以上的抗性途径。有些抗性机制具有很高的种属专一性，而另一些机制是不同种属植物，甚至动物和微生物都具有。抗性是生物在逆境中得以生存和延续的保证，也是污染环境中生物多样性得以保存的基础。而从人类自身利益出发的价值观来评判，生物对环境的抗性有利也有弊。生物对环境污染物的抗性生物对环境污染物的抗性植物的避性对植物来说，将污染物排斥于体外，是其不能进入体内是一种非常有效的方法。这样就无须消耗大量物质和能量来结合、分解污染物。由于污染物种类不同，污染介质不同，植物阻止污染物进入体内的方法和途径不同。如气孔阻止；化学阻止；结构阻止等。植物的抗性机制p106植物在逆境下的形态变化与代谢特点(一)形态结构变化逆境条件下植物形态有明显的变化。如干旱会导致叶片和嫩茎萎蔫，气孔开度减小甚至关；淹水使叶片黄化，枯干，根系褐变甚至腐烂；高温下叶片变褐，出现死斑，树皮开裂；病原菌侵染叶片出现病斑。逆境往往使细胞膜变性、龟裂，细胞的区域化被打破，原生质的性质改变，叶绿体、线粒体等细胞器结构遭到破坏。植物形态结构的变化与代谢和功能的变化是相一致的。生物对环境污染物的抗性植物的抗性机制p106(二).逆境协迫下植物的一般生理变化1.逆境与植物的水分代谢2.光合速率下降3.呼吸作用的变化Levitt(1980)①降低（冻害、热害）PPP途径增强②先升后降（冷害、旱害）③增高（病害）4.物质代谢的变化合成＜分解5.原生质膜的变化膜脂双分子层→星状排列，膜蛋白变构，膜透性增加，物质外渗。6.蛋白质的变化新蛋白质逆境蛋白：热击蛋白(HSP)植物对污染物的结合钝化作用p110植物拒绝吸收污染物的保护作用并不是牢不可破的。但污染物进入植物体内以后，还会遇到生物体其他的抵抗作用。抗性植物具有使进入到体内的污染物变成安全、低毒的结合态的机制，使污染物不能达到敏感分子或器官，也不参加代谢，正常的新陈代谢可免遭扰乱。细胞壁、细胞膜和细胞中的其他成分均具有这种结合钝化作用。生物对环境污染物的抗性植物的抗性机制干旱水分胁迫冰冻→胞间结冰盐渍→土壤水势下降高温→蒸腾强烈膜损伤生物对环境污染物的抗性–细胞壁的作用–细胞膜的作用–细胞质和液泡的作用植物的抗性机制生物对环境污染物的抗性植物对污染物的代谢转化作用虽然植物具有拒绝吸收、结合钝化环境污染物的抗性机制，但在污染物浓度较高，体内的“结合座”达到饱和的情况下，为了避免受害，植物对污染物的代谢转化作用就变的必不可少了。不少外来有毒物质通过机体内酶促反应，可以转化成低毒或无毒物质，或转化为水溶性物质而利于排出体外，生物对外来毒物的这种防御机能称为解毒作用。解毒过程包括：氧化、还原、水解、脱烃、脱卤、羟基化和异构化作用，逐步代谢为毒性较低或完全无毒的物质。植物的抗性机制生物对环境污染物的抗性植物在污染物存在下改变代谢途径、发生遗传变异、降低污染物与靶分子的亲和力改变代谢方式是生物抵抗环境污染物毒害的有效措施之一。例如，耐硒植物在硒胁迫下能够改变蛋白质的代谢方式，是其不受硒的干扰，保证植物正常生活。而不耐硒的植物因蛋白质的正常合成受破坏而受害。一些生物抗性的产生是由于生物体内与污染物作用的靶分子发生遗传突变，突变结果降低了生物靶分子与污染物的亲和力，从而降低了生物对污染物的敏感性，使生物产生对污染物的抗性。植物的抗性机制生物对环境污染物的抗性植物对污染物及其代谢产物的排除作用环境中的污染物进入生物体后，其排出作用主要有以下几种：–（1）生物体对污染物来说只是一个通道，污染物进入体内后不经过任何转化即排出体外。–（2）污染物进入体内后很快与体内物质结合后排出体外。–（3）污染物经过氧化、还原、水解后直接排出体外。–（4）污染物经过体内氧化、还原、水解后再与其他物质结合后排出体外。植物将污染物及其代谢物排出体外途径很多，如活的植物对于金属、类金属的排出往往通过根系分泌作用，而气态污染物可以通过叶面呼吸带走，对于农药等有机轭合物则可以通过叶片或其他器官的衰老脱落而排出体外。植物的抗性机制生物对环境污染物的抗性植物的抗性指标植物的抗性指标有以下几个方面：–形态解剖指标：如气孔构造、栅栏和海绵组织的比例、角质层和木栓层的厚度及根套的有无等。–生理生化指标：如细胞膜透性、细胞质含水量、酶系统活性及细胞内结合物质的含量等。–生态学指标：如根的分布特性、根际效应状况等。植物的抗性机制生物对环境污染物的抗性外源性污染物进入动物体后，会给机体带来一系列损伤和病变，甚至死亡。动物与植物一样，能够对环境中的污染物作出一系列应答，以减少毒物对自身的伤害，从而获得对污染环境的抗性。动物的抗性机制也可以划分为拒绝吸收、结合钝化、分解转化及排出体外等几种途径。动物的抗性机制生物对环境污染物的抗性动物对污染物的避性动物对污染物的避性可以通过行为或生理的方式表现出来，通常毒物经吸收后方能产生效应。动物具有排斥环境中的污染物，使其不能进入体内的机制。但对于可以自由活动的动物来说，更为有效地措施是从行为上主动避开污染环境。动物的抗性机制生物对环境污染物的抗性动物对污染物的结合钝化污染物可以经消化道、消化管、皮肤和其他一些途径进入体内。毒物在体内的吸收、分布、代谢和排泄过程的是一个极为复杂的过程，涉及许多屏障，其中之一是污染物在动物体内经多种方式被结合、固定下来，使其不能达到敏感位点（称“靶细胞”或“靶组织”）。各种脂溶性有毒污染物进入组织后，多数要与体内的某些化合物或基团结合，是毒性减低，极性和水溶性增加，从而可以迅速随尿液或汗液排出体外动物的抗性机制生物对环境污染物的抗性动物对污染物的分解转化污染物进入动物体后，在体内经过水解、氧化、还原或加成等一系列代谢过程，改变其原有的化学结构，生理活性也相对减弱，加速了从体内[排泄的过程。通常，转化是将亲脂的外源性污染物转变为亲水物质，以降低其通过细胞膜的能力，从而加速其排出（见p120表4—4）。毒物在动物体内的生物转化可分为两大类：第一类包括氧化、还原和水解反应，第二类是加成反应。大多数污染物经过这两类反应，但也有不少污染物只经过其中一种。动物的抗性机制生物对环境污染物的抗性动物对污染物的排泄作用p121污染物及其代谢产物从动物体内排出的主要途径是经过肾随尿排出，其次是经过肝、胆通过消化管随粪便排出。也通过皮肤随汗液排出。挥发性污染物及其代谢物可以通过呼吸道随呼出气体排出。动物的抗性机制生物对环境污染物的抗性与植物和动物一样，微生物对污染物环境也具有抗性，甚至更强。由于微生物的形态、生理生化和生态上与植物、动物很不相同，所以它对环境污染物的抗性机制在某些方面有别于前两类生物。一般来说，微生物对污染物的抗性也可以分为避性、分解转化等途径。微生物物的抗性机制生物对环境污染物的抗性微生物对污染物的避性环境污染物对微生物各个部分都会受到不同程度的影响，而微生物则有避开污染物的能力，这取决于微生物的生理学、形态学和生态学特性。–形态学避性有些微生物具有荚膜，它是污染物进入细胞内最终要的屏障。生活于污染条件下、具有耐污性的微生物，其荚膜有增厚的趋势，这就使它们在形态学上能够避开对其生存和繁殖不利的环境污染物。微生物物的抗性机制生物对环境污染物的抗性–生理学避性p123微生物在环境污染胁迫下，能够从体内分泌出某些具有络合或分解转化污染物能力的有机物质，使污染物的移动性降低或极性改变，从而不容易进入微生物体内。或者污染物在微生物分泌的胞外酶作用下，在体外就被分解转化成无毒无害的物质。微生物物的抗性机制生物对环境污染物的抗性微生物对污染物的分解转化微生物对环境污染物的抗性途径主要是分解和转化，将它们转变成为无毒害或低毒害作用的物质，甚至将污染物作为营养或获得能源的物质。–微生物对金属离子的转化作用环境中金属离子长期存在的结果使自然中形成了一些特殊微生物，它们对有毒金属离子具有抗性，可以使金属离子发生转化。对微生物而言，这是一种很好的解毒作用。表4-5是微生物对某些金属或金属离子的转化作用。微生物物的抗性机制生物对环境污染物的抗性–微生物对有机污染物的分解转化作用当前已知的环境污染物达数十万种，其中大部分是有机化合物。微生物能够分解转化这些物质，降低污染物的生物毒性或使其毒性完全消失。长期生活于污染环境中的微生物甚至对这些污染物产生了依赖性，它们以各种各样的有机污染物为碳源或氮源。微生物物的抗性机制生物对环境污染物的抗性微生物分解转化污染物的能力是很强的，但环境中有新的化合物存在时，它们能够逐步改变自身条件以适应变化的环境，这种适应性变化涉及到形态学、生理学和生态学等。由于微生物具有个体微小、繁殖迅速、比表面积大等特点，它们较之植物和动物更容易适应环境。因此，目前在环境污染治理中，微生物的净化作用正日益受到重视。微生物除了分解、转化污染物外，还能够将进入人体内的污染物排出体外微生物物的抗性机制生物对环境污染物的抗性–微生物对污染物的结合、钝化作用p129–微生物对污染物的外排–质粒与微生物的抗性质粒（plasmid）是细菌或细胞染色质以外的，能自主复制的，与细菌或细胞共生的遗传成分。其特点如下：①是染色质外的双链共价闭合环形DNA，可自然形成超螺旋结构；②能自主复制，是能独立复制的复制子（autonomousreplicon）。一般质粒DNA复制的质粒可随宿主细胞分裂而传给后代。③质粒对宿主生存并不是必需的。微生物物的抗性机制生物对环境污染物的抗性净化生物是指能够把环境中的污染物吸入人体内，并且能够在体内富集、降解，从而减少环境中污染物含量的生物。自然界几乎所有的生物都有净化环境的能力，但净化能力的强弱差别很大。净化生物必须有一定的抗性，能够在污染环境中正常生长。净化生物的筛选生物对环境污染物的抗性具体的筛选方法有：–实地调查污染环境在污染环境中，调查、筛选优势植物、动物、微生物种群。一般来说，污染环境中的优势种都是抗性种。分析抗性生物的抗性机制，污染物含量对于那些富集、分解能力较强的生物可以被筛选为净化生物。–人工染毒对比试验在实地调查的基础上，对生物进行人工染毒处理，分析生物在模拟条件下的净化能力，评定净化等级。净化生物的筛选生物对环境污染物的抗性–定点对比栽培法在污染源附近栽培若干植物，经过一段时间自然适应性筛选，根据受害的程度确定抗性的强弱。净化生物的筛选生物对环境污染物的抗性为了避免污染物的二次污染问题，