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1、生物对污染物的抗性,污染生态学,内 容,一、概述 二、植物对污染物的抗性 三、动物对污染物的抗性 四、微生物对污染物的抗性 五、参考资料,一、概述,环境污染物对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层次上对生物产生多方面的影响。一般说来，生物对各种不良环境具有一定的适应性和抵抗力，称为生物的耐性或抗性。,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。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。解毒是生物抗性的基础，但
2、不是全部，抗性强的生物不一定解毒能力强。,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，排出体外，改变代谢途径等过程。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。生物的抗性对人类有利？有弊？,Macnair M R将抗性途径归纳为三个方面：避性，植物可以防止重金属进入体内；鳌合或代谢转化体内污染物，使其失去毒性；改变细胞的生理生化过程，使其对毒物的敏感性降低。,二、植物对污染物的抗性,1 植物的避性,将污染物排斥于体外。关闭气孔阻止气态污染物进入体内；分泌有机物质到根际。改变根际的理化环境，使污染物的可移动性降低；增厚植物的外表皮或在根周
3、围形成根套等。,1.1植物对气态污染物的避性,气孔的阻碍作用:花生与蚕豆对SO2的抗性不同。外表皮的阻碍作用：叶片角质层、表皮层、木栓层以及叶表附属物是植物的防御机构，可减少毒气进入叶内。,1.2植物对土壤污染物的避性,生物外分泌物可使生物不吸收、少吸收污染物。植物对重金属的吸收与阳离子交换量(CEC)有关，细胞壁阳离子交换越小，植物对重金属的吸收也越少。土壤中的污染物主要通过根进入植物体内。因此，根的屏蔽作用对植物体耐受土壤污染的贡献是很大的。抗性植物至少通过三种不同方式排斥根对污染物的吸收：分泌化学物质到根际环境，改变根际的理化性质如pH、氧化还原性质等。以及“根际效应”。影响根际污染物浓
4、度或活度的过程：向根际分泌整合剂；形成跨根际氧化还原梯度；形成跨根际pH梯度。,根际pH的变化：,根际pH影响着矿质养分的化学和生物有效性；根系对重金属毒害的忍耐程度、对营养元素的吸收；根系分泌物、微生物的种类和数量以及根际酶的活性等。根际pH调节着植物对土壤污染物的吸收。有些植物在遭受铝毒害时，根系分泌OH-增多，使铝沉淀，减少根系对铝的吸收。,氧化还原性质的改变：,有的植物有改变根际氧化还原状态的能力，如生长在锰污染土壤上的植物能够分泌具有氧化作用的物质将Mn2+氧化成Mn4+而减轻毒性。,根分泌物对污染物的结合、降解作用：,根分泌物含有有机酸、氨基酸、糖类物质、蛋白质、核酸以及大量其他物
5、质。这些物质与根系外的污染物结合，使其移动性降低。根际游离金属离子与原生质膜中分泌的鳌合剂形成稳定的金属鳌合物，其活度就会降低。有些受到金属污染的植物根尖能够分泌动胶状物质(主要成分为多糖)，这些熟胶状物质与金属离子亲和，将金属离子滞留在根外。土壤中的酶类对土壤污染物的分解转化至关重要。许多污染物在根际土壤酶的联合作用下被降解成为无毒或低毒的物质。,根际效应的作用：,根分泌物可为微生物提供能源物质，将微生物聚集在根周围，产生“根际效应”，其中有些微生物具有净化土壤污染物的作用。菌根真菌与植物在生物进化中形成了互利关系，菌根真菌在缓解植物受污染物毒害作用方面具有重要作用。菌根真菌和其他微生物一样
6、，能够降解、转化环境污染物，而且能够吸收、富集环境中的金属等无机污染物，从而降低根际环境中污染物的浓度，减少污染物进入植物体的机会。,2 植物对污染物的结合钝化作用,污染物进入植物体后，会遇到生物体其他的抵抗。抗性植物能使进入体内的污染物变成安全、低毒的结合物，使污染物不达到敏感分子或器官，不参与代谢，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。,2.1细胞壁的作用,细胞壁是结合、固定污染物的重要部位。细胞壁果胶质中的多聚糖醛酸和纤维素分子的羧基、醛基等基团都能与重金属等毒物结合。木本植物根细胞壁对汞存在较强的亲和力。,2.2细胞膜的作用,细胞膜上的蛋白质
7、、糖类和脂质也能够结合透过细胞壁的污染物。当环境中的铅浓度相当大时，有部分铅透过细胞壁，在细胞膜上沉积下来。,2.3细胞质和液泡的作用,细胞质和液泡中具有能够与污染物结合的“结合座”，污染物能和细胞质中的蛋白质、氨基酸的羧基、氨基、巯基及酚基等官能团结合，形成稳定的鳌合物，起到钝化作用。其中难溶性硫化物的络合作用尤显重要。农药及其代谢产物也会与这些物质结合，形成轭合物。,金属离子与细胞质中蛋白质和其他有机化合物中的巯基以及其他基团有很强的亲和力，从而降低毒性。生物将污染物运输到体内特定部位，使污染物与生物体内活性靶分子隔离，称为生物的屏蔽作用或隔离作用。有些污染物及其轭合物被输送到液泡，不会扩
8、散出来、不会主动回到细胞质中，因此，液泡在植物抗性中承担着隔离有毒污染物及其代谢产物的重要作用。液泡是生物储藏有害物质的主要场所。,3 植物对污染物的代谢转化作用,植物具有拒绝吸收、结合钝化污染物的抗性机制，当体内的“结合座”达到饱和时，植物会对污染物进行代谢转化。有毒物质通过机体酶促反应，转化成低毒或无毒物质，或转化为易排出体外的物质，称为解毒作用。包括：氧化、还原、水解、脱烃、脱卤、羟基化和异构化作用。,4 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。发生遗传突变，降低生物靶分子与污染物的亲和力：只发生部分位
9、点突变，只产生抗性生物型。,5 植物对污染物及其代谢产物的排出作用,植物虽然没有类似动物那样专门的排泄系统，但是可以通过其他的途径将污染物及其代谢物排出体外。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。对于农药等有机共扼化合物则可以通过叶片或其他器官的衰老脱落而排出体外。,6 植物的其他保护系统,植物体自身有一种保护系统来清除产生的自由基，以减轻环境污染物带来的危害。SOD、POD、CAT是保护系统的主要酶，它们和谷胱甘肽、多胺等物质一起，能够清除细胞内的自由基。大多数已知的逆境响应基因均受ABA（脱落酸）的诱导，在缺少ABA的情况下，许多逆境响应基因
10、不能表达，而当施入外源ABA时这些逆境响应基因又重新表达。,7 植物的抗性指标,(1)形态解剖指标：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。(2)生理生化指标：细胞膜透性、细胞质含水量、酶系统活性及细胞内结合物质(如谷胱甘肽、类金属硫蛋白等)的含量等。(3)生态学指标：根的分布特性、根际效应状况等。,三、动物的抗性机制,动物与植物一样，能够对污染物作出应答，以减少毒物对自身的伤害，从而获得抗性。动物的抗性机制也分为拒绝吸收、结合钝化、分解转化及排出体外等。（一）动物对污染物的避性：动物对污染物的避性可通过行为或生理方式表现出来。但对于可以自由活动的动物来说，更为有效
11、的措施是从行为上主动避开污染物，使其不进入体内。,毒物在机体内的吸收、分布、代谢和排泄是一个极为复杂的过程，涉及许多屏障，污染物在动物体内可被结合、固定下来，使其不能达到敏感位点(“靶细胞”或“靶组织”)。各种脂溶性有毒物进入组织后，多数要与体内的某些化合物或基团结合，使毒性减低，极性和水溶性增加，可迅速随尿液或汗液排出体外。,（二）动物对污染物的结合钝化：,污染物进入动物体内，经过水解、氧化、还原或加成（结合）等一系列代谢过程，改变其原有的化学结构，生理活性相对减弱，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，加速其排出。,（三）动物对污
12、染物的分解转化：,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。以及其他途径排泄。,（四）动物对污染物的排泄作用：,四、微生物的抗性机制,微生物对污染物也具有抗性。微生物对污染物的抗性也可分为避性、分解转化等途径。1 微生物对污染物的避性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。,1.1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重要的屏障。荚膜增厚就使其在形态学上避开污染物。1.2生
13、理学避性 微生物能分泌络合或分解转化污染物的有机物，使其移动性降低或极性改变，从而不易进入体内。或者污染物在胞外酶的作用下分解转化成无毒无害的物质。它包括：沉淀作用、胞外络合作用、细胞壁结合作用。,微生物对环境污染物的抗性途径主要是分解和转化，将它们转变成无毒或低毒的物质，甚至将污染物作为营养或获得能源的物质。2.1微生物对金属离子的转化作用环境中一些特殊微生物对有毒金属离子具有抗性，可使金属离子发生转化。这个作用包括：甲基化；还原作用；氧化作用。,2 微生物对污染物的分解转化作用,2.2微生物对有机污染物的分解转化作用,微生物对农药的分解转化作用：脱卤、脱烃、酰胺及酯的水解、氧化、还原、环裂
14、解及缩合或共轭。微生物对氰和腈的分解：对洗涤剂的分解：,3 微生物对污染物的结合、钝化、外排,在重金属胁迫环境中，生物体内普遍存在金属硫蛋白、类金属硫蛋白和重金属螯合多肽。微生物能够改变自身条件以适应新环境，这种适应性涉及到形态学、生理学和生态学等。微生物个体微小、繁殖迅速、比表面积大，更容易适应环境。目前，微生物的净化作用日益受到重视。微生物除了分解、转化污染物外，还能将进入体内的污染物排出体外。,4 质粒与微生物的抗性,质粒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：双链共价闭合环形DNA；能自主复制，传给后代。对宿主生存并不是必需的。在特殊环境中，质粒有时
15、起着关键性作用，抗性质粒与微生物对污染物的抗性关系密切。,5 净化生物的筛选,净化生物是指能够把环境中的污染物吸入体内，并且能在体内富集、降解，从而减少环境污染物含量的生物体。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，具体的筛选方法有：(1)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。(2)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。,一般说来，污染环境中的优势种是抗性种。分析抗性生物的抗性机制，污染物含量对于那些富集、分解能力强的生物可被筛选为净化生物。为了避免污染物的二次污染问题，在筛选净化生物的过程中需要注意以下几个方面：不能把农作物作为净化植物；采用其他植物时，不能利用这些植物的残体还田；不能用肉用动物来净化环境；不能用病原微生物净化环境。,谢谢观赏!参考资料 1.王校焕,污染生态学(第二版),北京:高等教育出版社,2002.07 2.乔玉辉主编,污染生态学,北京:化工工业出版社,2008.04 3.孙铁珩,周启星,李培军主编,污染生态学,科学出版社,2001,
