第二章第二章 污染物对生物的影响污染物对生物的影响本章将讨论以下内容：n污染物在生物化学和分子水平上的影响n污染物在细胞和器官水平上的影响n污染物在个体水平上的影响n污染物在种群和群落水平上的影响n化学污染物对生物的联合作用1第一节第一节 污染物在生物化学和分子水平上的影响污染物在生物化学和分子水平上的影响n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2污染物进入机体后导致的生物化学变化包括：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21 对污染物的防护性和非防护性生化反应3一、一、 污染物对生物机体酶的影响污染物对生物机体酶的影响n什么是酶（enzyme）q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基质质（底底物）物），在酶作用下的反应称为酶促反应酶促反应。p污染物进入机体后，一方面在酶酶的的催催化化下，进行代谢转化，另一方面也导致体内酶酶活活性性改改变变，影响酶的数量和活性。（一）污染物对酶活性的诱导q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。41.混合功能氧化酶（混合功能氧化酶（MFO）n混合功能氧化酶（MFO）qMFO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。qMFO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。n混合功能氧化酶（MFO）的作用qMFO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。q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。52.抗氧化防御系统酶抗氧化防御系统酶n活性氧（Activiated Oxygen）q在生理状态下，许多体内代谢可产生活性氧，它是带有23个电子的分子氧还原产物，主要有：OH、 、H2O2n活性氧的控制和消除q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。q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。n抗氧化防御系统酶q超氧化物歧化酶（SOD）q谷胱甘肽过氧化酶（GPX）q过氧化氢酶（Ct）63. 3. 谷胱甘肽转移酶（谷胱甘肽转移酶（GSTsGSTs）n谷胱甘肽转移酶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。n该酶的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，起到脱毒作用。n研究发现，GSTs存在于所有的动物中，肝是脊椎动物中GSTs的主要场所。7（二）污染物对酶活性的抑制n酶的抑制分为：q不可逆性抑制有机磷农药对胆碱酯酶的抑制q非竞争性抑制可逆性抑制q竞争性抑制当底物浓度增加时，抑制作用减弱n污染物对一些酶的抑制作用1. 腺三磷酶（ATPase）2. 乙酰胆碱酯酶（AchE）3. -氨基乙酰丙酸脱氢酶（ALAD）4. 蛋白磷酸酶（PP）8二、二、 污染物对生物大分子的影响污染物对生物大分子的影响n污染物及其活性代谢产物可直接与生物大分子反应，共价结合，如蛋白质、核酸、脂肪酸等，导致生物大分子的化学性损伤，从而影响生物大分子的功能，引起一系列生物学反应，产生毒性效应。nMiller发现化学物质与蛋白质的共价结合，其后Boyland等提出化合物与生物大分子共价结合学说，近年来，这一学说成为中毒机理的重要理论之一。n在污染物及其活性代谢产物与生物大分子结合中，最典型的方式是污染物及其活性代谢产物作为生物合成的“原料”，掺入生物大分子，导致生物大分子组成的功能性异常。如D-半乳糖胺在通常情况下，以乙酰化物存在于结构多糖中，给动物大剂量的D-半乳糖胺， D-半乳糖胺代谢物掺入糖蛋白及糖脂，产生细胞膜损害，最终发生动物肝损害。除与生物大分子结合外，污染物及其代谢产物还可抑制生物大分子的合成，如下91. 污染物对蛋白质的影响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：n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n诱导生物机体内一些功能蛋白的产生：如应应激激蛋蛋白白（Stress Proteins）和金金属属硫硫蛋蛋白白（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。q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。102. .污染物对污染物对DNA的影响的影响n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：q形成DNA加合物（DNA Addcuts）q发生DNA的二次修饰qDNA结构的破坏被固定q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nDNA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结结构构的的改改变变，如碱基置换、碱基丢失、链断裂等。nDNA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。113. 脂质的过氧化多烯脂肪酸使蛋白膜对亲水性物质具有一定的通透性污染物，如卤代烃、多环芳烃等自由基代谢作用脂质过氧化脂质过氧自由基12第二节第二节 污染物在细胞和器官水平上的影响污染物在细胞和器官水平上的影响一、一、 对细胞的影响对细胞的影响（一）对细胞膜的影响主要表现在以下方面：q污染物引起的脂质过氧化作用导致的损伤q污染物可影响膜的离子通透性q污染物与膜上的受体结合，干扰正常的生理功能13（二）（二） 对细胞器的影响对细胞器的影响n线粒体q线粒体是氧化磷酸化部位，是细胞供能的场所。q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n光面内质网和糙面内质网q光面内质网是进行激素和外源性化合物的代谢场所。q糙面内质网通过附着或解离核糖体，控制蛋白质的合成。q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。14二、二、 污染物对组织器官的影响污染物对组织器官的影响n三个概念：靶器官、效应器官和蓄积器官靶器官、效应器官和蓄积器官 化学物质被吸收后可随血流分布到全身各个组织器官，但其直接发挥毒作用的部位往往只限于一个或几个组织器官，这样的组织器官称为靶器官；所谓靶靶器器官官，就是因某种毒物或环境污染物的进入，机体内首先达到毒作用的临界浓度的器官，称为该毒物的靶器官。 效效应应器器官官：是外来化合物作用于机体，产生在动物实验或临床上所观察的毒性效应的器官。 15蓄蓄积积器器官官：是毒物在体内的蓄积部位。毒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。 q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。q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。n对组织器官的影响q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q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。16第三节第三节 污染物在个体水平上的影响污染物在个体水平上的影响n污染物对植物在个体水平上的影响：q主要表现为生长减慢、发育受阻、失绿黄化、早衰等n污染物对动物在个体水平上的影响：q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17一、一、 死亡死亡n衡量死亡的指标q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。q致 死 剂 量 （ Lethal Dose） 或 致 死 浓 度 （ Lethal Concentration）：能引起动物死亡的污染物的剂量或浓度。q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。n影响致死效应的主要因素：q污染物的种类及其物理化学性质；q生物的种类、生物的生理年龄、生理状态、发育阶段等；q作用时间、水质条件，如温度、硬度、溶解氧等；q多种污染物的综合作用。18二、二、 对行为的影响对行为的影响n行为毒性（Behavioral Toxicity）的概念q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。n对水生生物行为的影响：q回避行为q捕食行为q警惕行为n对鸟类行为的影响q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。q受污染的鸟类还可表现出对领地的失控和不能照顾后代。19三、三、 对繁殖的影响对繁殖的影响n污染物对繁殖的影响q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n概念：环境激素（Environmental Endocrine Disrupters）q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。q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q 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。20四、对生长和发育的影响四、对生长和发育的影响n污染物对生长和发育的影响可通过生长指示器来测定q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当A（R+U）时，生物机体将利用能量进行生长发育和繁殖；反之，则不能生长发育或死亡n有些污染物不会危害生物的生长发育，但机体对污染物的解毒作用消耗了大量能量，仍能导致发育障碍21第四节第四节 污染物在种群和群落水平上的影响污染物在种群和群落水平上的影响一、对生物种群的影响一、对生物种群的影响n概念：种群（Population）q是指在一定时空中同种个体的组合，具有三个基本特征，即空间、数量、遗传。n污染物对种群的影响表现为：q种群数量的密度改变q结构和性别比例的变化：年龄结构、种群大小、性逆转q竞争关系的改变22二、对生物群落的影响二、对生物群落的影响n基本概念q群落（Community）：是指在一定时间内，居住在一定区域或生境内的各种生物种群相互关联、相互影响的有规律的一种结构单元。q优势种（Dominant Species）：在群落中优势度大的即为群落优势种，它在群落功能中占重要的位置。q耐污种：只在某一污染条件下生存的物种。q敏感种：指对环境条件变化反应敏感的物种。n污染物对群落的影响表现在：q群落组成和结构改变q对物种多样性（物种多样性（Species Diversity）的影响q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）。23第五节第五节 化学污染物对生物的联合作用化学污染物对生物的联合作用n联合作用(Combined Effect)的概念q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。n联合作用的类型：q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。如：农药马拉硫磷和苯硫磷，苯硫磷抑制了肝脏中降解马拉硫磷的酯酶，使马拉硫磷的降解受阻，毒性增强。 亚硝酸盐和某些胺化合物在胃内发生反应生成亚硝胺，毒性增大，且可能为致癌剂。 24p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。 机理：化学结构相近，性质相似，靶器官相同或毒性作用机理相同25q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。练习题：化学物质A和B，能分别引起某动物10%和40%的死亡率，在相加作用和独立作用两种条件下，100只动物中存活数分别是多少？1.相加作用：存活50只2.独立作用：存活54只26n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。 如：硒为汞的拮抗物，硒与镉、锌与镉、锌与铜等均有拮抗作用。 在酸雨地区的土壤中加入Ca2+，防治酸雨（Al3+）对植物菌根的毒性。 27某些外来化合物的联合作用28