环境生物学 02 污染物对生物的影响(及物理因素对生物体的损伤)讲义

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1、第二章 污染物对生物的影响,2019/10/22,生物系统的各级生物学水平,生态系统 群落 种群 个体 器官系统 器官 组织 细胞 细胞器 生物分子,提纲,第一节 污染物在生化和分子水平上的影响 第二节 污染物在细胞和器官水平上的影响 第三节 污染物在个体水平上的影响 第四节 污染物在种群和群落水平上的影响 第五节 污染物对生物多样性的影响 第六节 化学污染物对生物的联合作用,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,表21 对污染物的防护性和非防护性生化反应,第一节 污染物在生化和分子水平上的影响,对生物机体酶的影响 对生物大分子的影响,1.1 污染物对生物机

2、体酶的影响,酶的诱导 污染物诱导酶活性的机制去阻遏作用,1.1 污染物对生物机体酶的影响,酶的诱导 混合功能氧化酶（MFO） 组成：细胞色素P450、细胞色素还原酶、磷脂 功能：解毒、致毒 在环境监测中的应用：生物标记物 抗氧化防御系统酶 组成：SOD 、GPx、Ct、GSTs 、GSH 、VC、VE等 功能：消除活性氧（自由基），解毒,酶活性的诱导,1.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中发挥了重要作用。 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:

3、,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。,2.抗氧化防御系统酶,需氧生物发展出的防御过氧化损害的酶系统。 超氧化物歧化酶（SOD） 谷胱甘肽氧化酶（G P x） 过氧化氢酶（Ct） 活性氧（Activiated Oxygen） 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

4、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。,超氧化物歧化酶（SOD） O2- SOD H2O2+O2 2H+ 谷胱甘肽氧化酶（G P x） 2GSH+H2O2 GPX GSSG+2H2 过氧化氢酶（Ct） 2H2O2 Ct 2H2O+O2,3.谷胱甘肽转移酶（GSTs）,是相过程中的重要酶，具多种同工酶。可由有机氯农药、多环芳烃、多氯联苯等诱导。 生理作用：与不同的亲电性化合物或

5、一些代谢产物结合成水溶性化合物，易于排出。,1.1 污染物对生物机体酶的影响,酶的抑制作用 不可逆性抑制 可逆性抑制 非竞争性抑制 竞争性抑制,不可逆性抑制,不可逆性抑制作用的抑制剂以共价键与酶的活性中心功能基团结合，使酶的活性降低或丧失。丧失活性的酶不能用透析、过滤等物理的方法解除。,如某些重金属（ Hg+、Ag+、Pb 2+ ）对巯基酶的作用，有机磷农药对胆碱酯酶的抑制。,不可逆抑制,可逆性抑制：抑制剂以非共价键与酶结合，可用物理的方法解除。,非竞争性抑制：抑制剂可逆地与酶活性中心以外的基团结合（不与底物竞争酶的活性中心），故酶与抑制剂形成 EI 后，还可结合底物形成 EIS 。 竞争性抑

6、制：抑制剂的化学结构与酶作用的底物十分类似，它们都能与酶的活性中心结合，两者对酶的结合有竞争作用。,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，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。,污染物对生物体内酶的影响,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

7、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。 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。,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机制 共价结合学说： 污染物及其活性代谢产物与核酸、蛋白质和脂质等结合后，产生不同的生物学效应,1.2 污染物对生物大分子的影响,污染物蛋白质的影响 导致蛋白质的化学损伤 诱导机体生成功能蛋白对抗污染物（如金属硫蛋白） 污染物对DNA的影响 导致DNA结构改变（如碱基置换、丢失、链断裂） DNA损伤的修复（如光修复、切除修复、SOS修复） 脂质

8、的过氧化 导致细胞膜和亚细胞膜的受损（如细胞器破裂）,第二节 污染物在细胞和器官水平上的影响,对细胞的影响 对组织器官的影响,2.1 污染物对细胞的影响,对细胞膜的影响 过氧化导致细胞膜损伤 影响细胞膜的通透性 对细胞器的影响 线粒体：结构和功能均发生变化 内质网：结构破坏、核糖体脱落 其它细胞器：溶酶体（细胞自溶）,2.2 污染物对组织器官的影响,靶器官：污染物直接作用的器官 效应器官：表现出中毒症状的器官 蓄积器官：污染物在体内的蓄积部位,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、

9、肾脏，导致骨痛病。,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,导致个体死亡 对个体行为的影响 对繁殖的影响 对生长和发育的影响,3.1 污染物导致个体死亡,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 不同污染物，同种生物，死亡率不同； 同一污染物，不同生物，死亡率不同。 50%死亡 枝角类 软体动物 铜 5-300 ug/L 40-9000 ug/L 汞 0.02-40 ug/L

10、 90-2000 ug/L,3.1 污染物导致个体死亡,影响致死剂量的因素 污染物的种类、理化性质及作用时间 生物的种类、状态和个体差异 环境因素：温度、pH、光照、营养等 多种污染物的综合作用,3.2 污染物对个体行为的影响,行为毒性（Behavioral Toxicity） 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、捕食、警惕、学习、社会行为,3.2 污染物对个体行为的影响,回避行为的定义： 生物主动避开污染区域，迁移到清洁区域的行为 回避行为的效应： 改变生态系统中的生物分布，打乱原有的生态平衡 影响回避行为的因

11、素： 污染物种类、生物种类和状态、环境因素,3.2 污染物对个体行为的影响,捕食行为被破坏的效应 生物机体获得的资源减少，生长、发育和繁殖受阻 捕食行为被破坏的原因 污染物影响捕食者的感官和策略系统 污染物影响捕食者的运动系统 污染物影响食物的消化,3.2 污染物对个体行为的影响,警惕行为被破坏的结果 容易被捕食，死亡率上升，种群数量下降 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。,3.3 污染物对繁殖的影响,效应：产卵（仔）数、孵化数、幼体存活率下降， 繁殖行为变化等 水环境污染对鱼类繁殖影响的位点（阶段）

12、 配子 合子 胚胎 幼体,概念：环境激素（Environmental Endocrine Disrupters） 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。,3.3 污染物对繁殖的影响,3.3 污染物对繁殖的影响,环境激素的种类与特性 天然与合成雌激素 植物雌激素 具有雌激素活性的环境化学物质 分布广泛的主要污染物，可导致野生动物的繁殖障碍 通过污染饮用水，危害人类的生殖健康，诱发癌变,据科学研究初步证实，目前在社会生活中对人和动物起着类似于激素作用的有害物，已经发现至少三百余种。 常见的环境激素包

13、括有机锡、二乙基人造雌性激素、多溴联苯醚(PBDEs)、六溴环十二烷(hexabromocyclododecane，HBCD)、二恶英(dioxin)、双酚A（Bisphenol A）与其衍生物、多氯联苯（Polychlorinated biphenyls ，PCB)、Methomyl、烷基酚聚氧乙烯醚（APE）、壬基酚(Nonyl phenol，NP)等，另外有研究指出环境污染物中的镉 (Cd)、铅 (Pb)和汞 (Hg)等重金属产物亦为可疑的内分泌干扰物。,海水化学污染 雄性鱼类变性,2005年11月16日02:22 现代快报 据新华社洛杉矶11月14日电 美国科学家最新研究发现，在洛杉矶

14、附近海域捕捞的鱼类出现了奇特的“变性”现象，一些雄性鱼长出了卵巢甚至带有卵子。 美国加州大学河边分校等研究机构14日发布的三项研究成果显示，在洛杉矶附近橙县海域捕捞出的大比目鱼和鲆鱼中，三分之二的雄性鱼都产生了雌性鱼才有的卵蛋白。 生态学家施伦克说，洛杉矶周边地区每天向附近海域排放大量污水。研究人员在海水中检测出了几十种类激素化学物质。这类化学污染物能产生相当于雌性激素的效果，是造成海中雄性鱼“雌性化”的罪魁祸首。,北极熊性畸变,挪威科学家对90头北极熊进行了调查，发现：有4只幼熊既有雄性生殖器官，又有雌性生殖器官，成了两性熊。 他们以前也做过调查，雌雄同体的北极熊也偶尔见过，但没有如此之高的

15、比例。经过环境检测，他们认为这种现象和环境被环境激素有机氯农药和多氯联苯污染有关。北极熊和人类一样，都处在食物链的上层。有机氯农药在海鱼内脏中积累，海豹食鱼，有机氯农药再沉积在海豹的脂肪之内，北极熊的主要食物又是海豹，有机氯农药再积累于北极熊体内，干扰熊体的内分泌系统，使生殖系统紊乱，产生熊幼崽两性畸变。在北极熊的体内已检测出较高水平的有机氯化合物。,报告称长江食野生鱼可致性早熟 因化学污染所致,2010年8月25日，一家国际环保组织发表了24页纸的题为“毒”隐于江长江鱼体内有毒有害物质调查的报告。调查报告显示，在取自长江上、中、下游不同城市的鲤鱼和鲶鱼体内，均测出了被称为“环境激素”的壬基酚

16、和辛基酚，这两种物质可导致雌性性早熟等性发育和生殖系统问题。 28日，记者从整篇调查报告中发现，该组织在来自重庆、武汉、南京以及马鞍山四市的野生鲤鱼与鲶鱼体内，检测出了广受国际关注的持久性有机污染物全氟辛烷磺酸，部分鱼体内还检测出了汞、铅和镉等重金属。 “壬基酚和辛基酚是洗涤剂、纺织产品和皮革涂饰中极为常见的化学原料，属于环境激素，即可以干扰内分泌并影响性发育水平的内分泌干扰素。,3.4 污染物对生长和发育的影响,生长指示器（Scope for Growth，SFG） P = A - ( R + U ) SFG = 从食物获得的能量 - (呼吸耗散的能量排泄耗散的能量) 生长发育不良（SFG减小）的原因 A减小 R（U）增大,日本海域 大量S形海鱼 祸是污染所致,5月27日的Science新闻专栏（ScienceNOW）详细报导了北京大学城市与环境学院胡建英课题组在美