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1、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,第一节 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,生化反应：结构改变，形成新化合物，不可逆。分子作用：结合，改变功能，多数可逆。防护性反应：免疫（过敏反应）、应激（急）反应非防护性反应：不能自我调节；过量的情况（p69）,一、对生物机体酶的影响,1、什么是酶（enzyme）？酶是一种特殊的蛋白质，在生物体内对代
2、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。2、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。,3、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。,4、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
3、去活性。5、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。,6、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。7、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，也能与酶形成复合物，从而竞相和酶发生作用。,8、酶的诱导 许多环境污染物能诱导生物机体内一些酶活性和含量增加，在这些污染物中，大多属于有毒、有害的有机化合物，如：多氯联苯（PCBs）、多环芳烃（PAHs）、表面活性剂等。酶诱导的三基因假说：结构（转录mR
4、NA）、操纵（去阻遏，控制转录速度）、调节（形成阻遏蛋白，中止转录）外源物与阻遏蛋白形成复合物，不能中止转录过程，使酶蛋白合成增加。,a、混合功能氧化酶（MFO）是污染物在生物体内进行生物转化相过程的关键酶系。水平 命名法 marker DNA CYP1A1 mRNA CYP1A1 DNA探针 Pr P-4501A1 抗体（ELISA）酶活性 EROD/AHH 催化检验,b、抗氧化防御系统酶 活性氧：带有23个电子的分子氧还原产物，主要有：OH、O2 和H2O2 自由基：带有奇数电子的原子或基团（free radical）。脂质过氧化：多不饱和脂肪酸与自由基反应，形成脂质自由基。自由基的损害机
5、制：改变膜结构，膜蛋白变性，攻击DNA(1)超氧化物歧化酶（SOD）是一类高诱导酶，催化O2生成H2O2，消除活 性氧。,(2)谷胱甘肽过氧化酶（GPx）以H2O2为底物，催化形成H2O，消除H2O2(3)过氧化氢酶（Ct）只能分解H2O2 c、谷胱甘肽转移酶（GSTs）是污染物在体内生物转化相过程中的重要酶，具有许多同工酶。生理作用是与不同的亲电性化合 物或一些相代谢产物结合产生水溶性化合物，易 于排出体外，因此起到解毒作用。,9、酶的抑制作用与酶的诱导作用相反，一些环境污染物可抑制酶的活性。普通的情况是：低剂量的环境污染物起诱导作用，高剂量的环境污染物起抑制作用。酶的抑制作用分为：不可逆抑
6、制：与酶蛋白的活性中心功能基团不可逆结合。可逆抑制：污染物与酶蛋白的结合是可逆的。非竞争性抑制：增加底物浓度，不能使抑制作用减弱。竞争性抑制：增加底物浓度，抑制作用减弱。腺三磷酶乙酰胆碱酯酶-氨基乙酰丙酸脱氢酶蛋白磷酸酶,二、对生物大分子的影响,1、与受体结合 污染物及其活性代谢产物可直接与生物的膜受体或细胞质受体共价结合，如与糖蛋白、磷脂蛋白或其他特殊蛋白结合，导致化学性损伤，从而影响受体功能，引起一系列生物学反应。受体（receptor）：能正确识别固有的外界信息，并用适当方式将外界信息转换成生物信息的感受器。原义：生物体感受外界物理、化学刺激，并转变成神经冲动的感受器。,2、与蛋白质（酶
7、）结合 蛋白质中许多氨基酸带有的活性基团与污染物结合，导致蛋白质化学损伤。此外，还可以诱导一些功能蛋白的产生，如产生应激蛋白和金属硫蛋白。这些蛋白可以保护生物机体抵抗污染物的损害，是防护性生化反应。金属硫（巯）蛋白：位于胞液内的低分子蛋白，半胱氨酸（巯基）含量极高，对热稳定，金属含量高。可被Cd,Cu,Zn,Hg,Co,Ni,Bi,Ag所诱导。,3、对脱氧核糖核酸（DNA）的影响 外源化合物与DNA相互作用及产生突变的过程（四个阶段）：修复（改变）破坏被固定 DNA加合物 DNA突变,4、脂质过氧化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
8、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。,第二节 污染物在细胞和器官水平上的影响,一、对细胞的影响表现为对细胞结构和功能的改变1、对细胞膜的影响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、对细胞器的影响a、线粒体：膜系统损伤，嵴减少、变小b、光面内质网和糙面内质网：破坏膜结构，核糖体脱落3、坏死（necrosis)：疾病或损伤引起的细胞死亡。（个体死亡称为身体死亡s
9、omatic death,二、对组织器官的影响,1、靶器官 污染物进入机体后，只对部分器官产生毒作用，这些器官称为靶器官。*经积累最先达到效应阈值的器官。2、对组织器官的影响 a、表现效应的器官：可以是多器官，含受体，或间接作用。b、蓄积器官：污染物积累量（浓度）高于其他器官。,c、靶器官不同于效应器官，污染物的毒作用可以通过靶 器官表现出来，也可由另外的效应器官表现出来。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。d、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
10、脏、肾脏，导致骨痛病,3、炎症（inflammation）：热、红、肿、痛 热：与变温动物无关。红：只与红色血液动物有关。受损区域的血管膨胀，增加该区域的血液流量，导致红和热。肿：血液中液体经血管壁流入发炎组织的结果。痛：组织肿胀的压力所造成。白血球（中性粒细胞、单核细胞、淋巴细胞）可离开血管进入受损组织，这也可以指示炎症。,第三节 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,一、死亡1、衡量死亡的指标a、死亡率：死亡比例的
11、大小，为评价污染物毒性大小的生物学指标b、致死剂量/浓度（Lethal Dose/Concentration）：能引起动物死亡的污染物的剂量或浓度。c、半数致死剂量/浓度（LD50/LC50）：能引起50的动物死亡的污染物的剂量或浓度。,2、影响致死效应的主要因素：a、污染物的种类及其物理化学性质b、生物的种类c、作用时间、水质条件，如温度、硬度、溶解氧等d、多种污染物的综合作用,二、对行为的影响,1、行为毒性：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。2、对水生生物行为的影响（p84）：回避行为：主动避污捕食行为：选择、效率学习行为 警惕行为：逃避捕食社
12、会行为,3、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。,三、对繁殖的影响,1、繁殖影响表现 产卵数、孵化率、幼体存活率下降以及繁殖行为变化等2、蛋壳的厚薄指数：一个评价污染物对鸟类繁 殖影响的敏感指标。3、环境激素（p87）：指具有动物和人体激素的活性，能干扰和破坏野生动物内分泌功能，导致繁殖障碍、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：天然雌激素和合成雌激素、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
13、、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。,四、对生长、发育的影响,1、污染物对生长和发育的影响 影响摄食和生理代谢，消耗能量2、可通过生长指示器来测定，生长指示器（Scope for Growth,SFG）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：PSFG；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,五、（Selye）应激：在一个生物系统中，由所有非特异性的、诱导出来的变化组成的综合症（Selye，1956）。应激是在应激源的影响下，身体试图重新建立或保持内稳态的一组特殊的变化（Adams,1990）。可分为
14、3个阶段：警觉反应期、适应或抵抗期、衰竭期。,第四节 污染物在种群和群落水平上的影响,一、对生物种群的影响1、概念：种群（Population）是指在一定时空中同种个体的组合，具三个基本特征，空间特征、数量特征、遗传特征种群密度：单位面积或单位空间内的个体数量。,2、污染物对种群的影响表现为：1.数量(密度)：a.敏感物种(抗性差)，数量下降。b.耐性物种(抗性强)，有波动，但能保持。c.机会物种(往往是不需要的)，数量上升,2.结构：a.年龄（幼体死亡，繁殖率下降）b.性别比例（环境激素作用）3.遗传结构：基因多样性下降、遗传缺陷 4.竞争关系：种内（空间、食物）种间（食物网关系、生态位）生
15、态位（niche）：一个生物单位（个体、种群或物种）生存条件的总集合体。“适应性的总和”，“生物在群落和生态系统中的位置和状况”。5.对寄生影响：刺激、抑制、无作用,二、生物的适应机制 1.抗性：短期适应（耐性）外部排斥：回避、拒绝吸收内部忍耐：结合固定、代谢、蓄积2.适应与微进化：（种内的分化物种改变）多样性下降：三个水平（基因、物种、生态）对污染的适应：形态结构、生理、遗传适应的代价：生态、生理、进化,三、对生物群落的影响,1、基本概念（p90）群落（Community）优势种（Dominant Species）耐污种敏感种,2、污染物对群落的影响表现在：a、群落组成和结构改变：耐污种增多
16、，敏感种逐渐消失，狭污性种群逐渐被广污性种群取代b、生物量的影响c、物种多样性（Species Diversity）的影响：生态稳定性、异质性（时间、空间）、生物完整性（多个指标的综合）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）。,四、对受损系统的分析：1.干扰的强度：量效关系，环境质量评价 2.影响范围和规模：局部、小干扰的刺激作用 3.作用速度和干扰频度 4.干扰持续的时间和干扰发生的时刻,第五节 化学污染物对生物的联合作用,一、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。可发生在毒效应过程中的任何阶段，暴露阶段、动力学阶段、效应（作
17、用）阶段化学作用和生物学作用剂量与次序二、类型 独立作用（Independent Effect）：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。,相加作用（Additive Effect）：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（Synergistic Effect）：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。拮抗作用（Antagonistic Effect）：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。,三、定性模型：毒性单位的概念：TU=D/EDD：试验所用剂量；ED：某一效应剂量（标准）结果的表达：简单比较、等效线图,四、研究方法 尚无标准方法，常用方法有：过筛实验等效应图法计算法统计学方法直接描述，综合分析,R=预期值/实测值（假设为简单相加,R1）R 2.5（1.75）协同 0.4 R 2.5 相加（多数为部分相加）,思考题：,发生在生物大分子水平的毒性效应是否都能在生物个体或群体水平有所反映？为什么？,
