5章 污染的分子毒理与生态效应ppt课件

第五章污染的分子毒理与生态效应 2 环境问题 随着社会的发展和人们生活水平的提高 环境问题越来越受到人们的关注 因此对周围大环境的污染进行监测就成为了人们的迫切需要 同时随着科学技术的发展 监测水平也有了很大的进展 对环境的监测也越来越全面越微观 因此分子毒理学的研究越来越多 生态系统的毒害效应与评价也成为了热点 3 生态毒理 生态毒理效应是生态毒理学研究的核心问题 本章阐述的重点是 分子水平上的生态毒理效应并探讨环境污染物的生物标志物 论述细胞和器官水平上的污染生态毒理效应 以及污染对个体 种群和生态系统的毒害效应与评价 探讨景观生态毒理学的发展及其有关的科学问题 4 第一节环境污染物的生物标志物 一 概述污染物排入环境后经过环境的迁移 分布 扩散 转化 并通过不同的途径进入生物机体 污染物在生物机体内的作用路径如下 个体 生态系统 种群 群落 5 一概述 生态系统污染物进入机体后 首先将导致机体一系列的生物化学变化 这些变化广义上说可分为两种 一种是用来保护生物体抵抗污染物的伤害 称之为防护性生化反应 防护性生化反应的机理是通过降低细胞中游离污染物的浓度 从而防止或限制细胞组成部分发生可能的有害反应 消除对机体的影响 另一种不起这种作用 称之为非防护性生化反应 6 一概述 要确定某种污染物对环境造成的危害程度 就需要检测并衡量其引起的生物效应 这对污染物质的鉴定和来源分析十分有用 生物监测就是根据化学物质能够引起生物效应的原理进行的 作为生物标志物 生化水平的生物效应应该有着很明显的优势 与更高层次的生物组织水平相比较 生化系统的改变能更为灵敏地起到指示作用 7 一概述 下面将讨论对环境污染物质产生反应的一系列酶及蛋白质 首先考虑其在正常生物生命活动中的作用 然后对其作为生物标志物的可行性进行评估 最后讨论它们在环境监测方面的应用前景 同时 也指出了应该在哪些方面进一步加强研究 才能增强我们对这些系统的理解 从而提高它们作为生物标志物的可能性 8 所讨论的酶和蛋白质系统与特定的有毒化学物质产生的生物效应有关 在许多情况下 这些效应具有一定的普遍性 然而导致同样的毒性效应必然会有同一个或几个系统在起作用 目前对环境污染物产生效应的主要系统有 一概述 9 一概述 1 细胞色素P450单加氧酶是一种蛋白质 与有机化合物在体内的生物转化有关 导致分子变化和有毒代谢物的活化或是钝化 2 金属硫蛋白是一种低相对分子质量能与金属结合的蛋白质 与重金属的整合及代谢有关 3 应激蛋白或热冲击蛋白是一组可以用不同物理条件和化学制剂诱导合成的蛋白质 其中的一些被认为在保护细胞使其免受环境干扰中起着重要作用 另一些与各种基因的调节有关 10 一概述 4 相 结合 酶通过使外源化合物 包括细胞色素P450激活的代谢物 与水溶性的内源化合物结合 在外源化合物的解毒和排泄中起辅助作用 5 氧化剂媒介效应促进细胞中游离氧的产生 游离氧含量的增加会诱导一些抗氧化酶的产生 改变其他抗氧化物质的浓度 而且产生与氧化伤害相关的生化损伤 6 亚铁血红素和卟啉的合成对生命活动至关重要 尽管对于非哺乳动物生物体内的这种酶促反应所知甚少 大量有关哺乳动物的文献著作都记录了其对有机和无机化学物质的敏感性 这种酶促反应的混乱与明显的细胞损伤有直接关联 11 二细胞色素P450 细胞色素P450 或简称P450 指的是转化有机化学物质结构混合功能氧化酶反应的一系列酶 由这些酶催化的反应一般被统称为或是单加氧化酶反应 通过影响化学物质的结构 细胞色素P450酶可能会产生某种特定的无毒化合物 但是也可能大大增强化学物质的毒性 P450的诱导能对有机体承载的毒物含量或是有机体对环境中化学诱导物暴露程度起到灵敏的指示作用 12 用P450诱导来进行污染物的监测有很多优点 1 大多数的有毒物质都能诱导P450作用 2 P450是生物暴露在有毒物质中产生效应最及时 最敏感的指标 3 可以应用很多现代技术进行监测 因此 这种方法在未来几十年中仍然有着很大的发展潜力 二细胞色素P450 13 三金属硫蛋白 金属硫蛋白指的是一些相对分子质量低的 富含半胱氨酸的 能够结合金属的蛋白或多肽 无论在动物界 还是在植物界和真核生物界 都能够发现金属硫蛋白 镐 铜 锌 汞 钻 镍 钮 银等重金属都能够诱导金属硫蛋白的合成 由于已经有一些科学基础和测定金属硫蛋白的合成与金属化合物的方法 金属硫蛋白可以作为指示过度暴露于有毒金属的生物标志物 并且具有一定的优势 14 不足之处 金属硫蛋白的生物学功能至今仍未能研究透彻 因此就今天的技术水平而言 不可能在金属硫蛋白的改变量与细胞或机体组织水平上的损伤之间建立清晰的联系 为了使金属硫蛋白成为较为适用的毒性指示物 有必要进一步研究金属硫蛋白的生物学功能 三金属硫蛋白 15 四应激蛋白质 近来 日益明显地作为对环境胁迫的反应 所有细胞都经历着基因表达的变化 由于最开始发现于高温暴露中 因此将这种反应最初被称为热冲击反应 同时这种反应能被包括缺氧症 金属 外源异生物质在内的多种物理和化学胁迫诱导 所以现在它被称为应激蛋白反应 与这种反应相联系的基因表达的变化相当迅速 并导致应激蛋白质的诱导合成与积累 16 四应激蛋白质 应激蛋白质作为生物标志物 主要是热冲击蛋白质和葡萄糖调节蛋白 许多被特定压力因素 包括血红素氢氧基和金属硫蛋白 诱导的蛋白质 也可以被归入应激蛋白质的广义种类 但是这些蛋白质将在其他部分加以讨论 应激蛋白质可以作为环境污染生物标志物的理想候选指标 其原因有三个 一是它们是细胞自我保护反应的一部分 二是它们被多种多样的环境压力因子所诱导 三是从微生物到人的所有生物中的高度保守性 17 五第二阶段酶 外来化合物的生物转化常常是有顺序的反应 第一步 阶段1 通常是一个氧化过程 引入了一个如羟基基团的极性部分 其后的反应包括一个第二类酶催化反应 称其为第二阶段反应或连接反应 第二阶段酶 又称结合酶 将代谢产物与细胞中多种高浓度水溶性内生化合物连接 研究最广而且或许是最重要的第二阶段酶是谷胱甘肽转移酶 UDP 葡萄糖醛酸基转移酶和硫转移酶 18 六以氧化为介质的反应 近些年生物医学领域中关于自由基生物学和氧化压力方面的研究已得到加强 这些研究阐述了由内源性或外源异生物质引起氧自由基形成 抗氧化防御机理和超越解毒途径的氧自由基流的毒性 近些年 对各种生物中 特别是水生动植物 暴露于环境污染物的生物体中有关氧化压力的反应的比较研究结果表明 在该领域有可能形成有用的生物监测方法学 19 如今研究所得结果大大推动了这一领域中的持续研究 在基于自由基生物学的实用生物标志物得到广泛应用以前 还需要继续研究 1 对相关系统的正常生理学和环境的影响研究 2 由暴露于多种外源异生物质而引起的效应研究 值得注意的是氧化压力包含了一系列复合的现象 因此一个单独的反应也许不可能为此提供一个广谱的标志物 六以氧化为介质的反应 20 生物对氧化的反应为评价各种强氧化的化学污染物效应提供了有用的方法 这一类化合物不仅包括了大气氧化物 如O3 NOX和SO2 还有其他的直接氧化剂 如H2O2 亚硝酸盐 氯等 以及具有氧化活性的化合物 如芳香醌 硝基芳香化合物等 六以氧化为介质的反应 21 七血红素和卟啉 在过去的15年中 哺乳动物生态毒理学中一项关键性研究是利用化学性诱导产生的血红素的改变作为暴露和效应的生物标志物 其所阐明的许多化学反应已被证明在低剂量和早期检测中十分有效 这一基本的细胞途径的改变在反应金属 非金属和有机物效应十分明显 22 七血红素和卟啉 血红素 卟啉途径是血红素蛋白和各种细胞色素合成的必要途径 研究表明 一些试剂如铅 砷 汞 PCBS 二 六氨苯和乙醇等化合物都会高度特异性地导致某一血红素途径的酶发生变化 并同时伴随有尿样中的血红素前体和卟啉的增加 并研究了这种干扰与细胞损伤的联系 以及与细胞损伤相关的微结构 形态变化等 23 八污染对酶的抑制作用 与酶的诱导作用相反 一些环境污染物可抑制酶的活性 如腺苷三磷酸酶 乙酰胆碱酯酶 蛋白磷酸酶等 酶活性的抑制可分为不可逆性抑制 非竞争性抑制和竞争性抑制 除上述抑制外 有些污染物是通过生成中间代谢产物抑制酶活性 造成生物化学损害 24 不可逆性抑制是由于污染物与酶蛋白的活性中心功能基团不可逆性结合而引起的 如有机磷农药对胆碱酯酶的抑制作用 非竞争性抑制是一种可逆抑制 污染物与酶分子的结合位置不是底物的结合位置 因此增加底物浓度 不能使抑制作用逆转 竞争性抑制一般取决于抑制剂的浓度与底物浓度的相对比例 八污染对酶的抑制作用 25 九脱氧核糖核酸 DNA 变化 脱氧核糖核酸是生物体内重要的大分子 也是生物体内重要的遗传物质 DNA可以受到不同途径的损伤 如正常细胞活动过程中的损伤 紫外线和放射性物质的直接损伤 外源性化合物及其活性代谢产物与DNA结合等 DNA发生损伤的生物学后果是严重的 但细胞本身具有修复能力 一旦损伤发生 修复能力迅速被诱导 各种修复酶增加并被活化 如果损伤的DNA不能被修复 则产生DNA结构和功能影响 导致细胞死亡或细胞突变 产生遗传疾病 26 九脱氧核糖核酸 DNA 变化 大量的研究表明 外源性化合物及其活性代谢产物能引起DNA损伤 对生物机体暴露于污染物后DNA加合物形成有不同的研究方法 放射性标记法和薄层层析分析 鉴定特异加合物方法 如分光光度法 层折技术 酶联免疫检测 ELISA 等 现代分子生物学方法 彗星实验 微核实验 SSCP RAPD DGGE RFLP等 27 化学物质导致的DNA损伤不仅反映了作用于DNA的多种化合物质的综合效应 也反映了化学物质在体内的代谢 组织中的分布 生物可利用性和解毒作用等 反映了机体对DNA损伤的修复能力 DNA损伤的修复是生物保持遗传机构相对稳定的重要因素 目前了解比较清楚的修复途径有以下几种 九脱氧核糖核酸 DNA 变化 28 光复活修复 是最简单 最特异性的酶催化修复过程 由可见光 波长310 500nm 提供能量 光复活酶与嘧啶二聚体结合 催化解聚 使DNA恢复到原来状态 酶即释放 继续参与下次修复 在原核细胞和真核细胞中均发现此种光复活酶 九脱氧核糖核酸 DNA 变化 29 切除修复 通过切除DNA的损伤部位 再重新合成 并恢复切除的DNA序列 主要有 内切 外切 修补DNA聚合酶催化三种方式 九脱氧核糖核酸 DNA 变化 切除修复示意图 30 九脱氧核糖核酸 DNA 变化 复制后修复 复制后重组修复 DNA聚合酶进行复制时 于亲链损伤区子链留下800 1000个核苷酸的缺口 然后 DNA分子的姐妹链发生重组 缺口与末损伤的姐妹链相对时 以此姐妹链作修复模板 由DNA聚合酶及连接酶进行修复并连结 分支移动修复 当DNA复制在损伤处受阻时 新合成的子链分支移动 原已解螺旋的亲链重新缠绕 因损伤而复制受阻的短子链利用正常子链为模板修补合成 31 除此以外 还有诱导性修复和易错修复 又称SOS系统 许多因素能影响DNA修复能力 主要因素有 种属差异 个体差异 年龄 组织和器官差异 DNA损伤的部位 DNA受损伤的程度 目前也已发现一些污染化合物能影响机体的修复功能 例如 对修复过程酶活性的抑制等 九脱氧核糖核酸 DNA 变化 32 十生物标志物的讨论 一 生物标志物的相互联系生物化学系统是错综复杂联系在一起的 这点可通过以下几个例子来看 1 细胞色素P450酶能通过产生活性氧 也可以通过氧化反应的代谢物传导化合物的毒性 2 通过谷胱甘肽转移酶可以去除反应性代谢物的毒性 3 细胞色素P450活性的形成完全依赖于血红素的生物合成途径 33 十生物标志物的讨论 4 有证据表明谷胱甘肽转移酶在合成位点 线粒体 与含血红素的蛋白质之间运输血红素起着一定的作用 5 特定的化学物质的毒性 一种金属或一种含氧基 对血红素途径的酶的抵抗影响了血红素对P450合成的可利用性 6 相反 对P450的化学破坏将诱导血红素降解酶 血红素氧酶的活性 7 血红素氧酶最近被定义为32kDa应激蛋白质 这也被广泛的种金属感应 34 从这些例子就可以看出作为生物标志物的蛋白质系统间有着功能相互关系 从已有的讨论中同样清楚的是 在所讨论的各种生物标志物之间也存在着许多相关性 各种类别的生物标志物之间的明显联系 可以拓宽其在任何所给定的环境污染问题的使用性和研究范围 在实际应用的基础上 通过单一生物标志物得到的结论就可以由其他生物标志物的研究再加以独立地确认 十生物标志物的讨论 35 二 与更高等级效应的结合理解各种生物标志物间联系的特性 可以揭示生物标志物与有机体更高水平效应的联系 因为这些蛋白质的功能与其他毒害损伤有联系 随着对基础特征研究的进展 将会揭示它们与更高生物水平效应的直接联系 十生物标志物的讨论 36 三 生物标志物特征每一个系统都是多组分系统 所列举标志物的反应特征只适应这些组分中的有限的一部分 这些系统中对污染的反应绝大部分基于从传统哺乳类获得的知识 或者虽然是其他物种但是未涉及环境问题 利用蛋白质作为生物标志物 方法学很重要 对由于化学暴露而出现的变化的解释也很重要 十生物标志物的讨论 37 四 蛋白质系统作为生物标志物的应用生物标志物的变化大小和暴露大小的关系十分明显 生物标志物与健康的可能相关性亟待需要鉴别 在许多情况下这些蛋白体系的反应可能是最敏感且最先可检测到的效应 生物标志物完全可以评价自然界污染中的化学危险 在各种生物水平的研究中 可考虑应用这些蛋白 十生物标志物的讨论 38 在筛选新的或未测化合物中 每一个体系都可利用 P450和金属硫蛋白的诱导十分明确 对于这些系统最有意义的应用是化学物的毒性作用机理的研究 十生物标志物的讨论 39 五 需要进一步的研究分析方法基本理论的发展和技术进步 提高了利用蛋白质系统作为生物标志物的可能 为提高作为生物标志的这些蛋白的实用价值 需要在基础研究和应用方面进一步在以下两方面得到加强 十生物标志物的讨论 40 具体如下 基础研究的需求 要建立在各种体系中化学污染物引起反应的分子机制 确定结构 活性关系 研究影响这些体系的生物和环境变量的分子生物学基础 以及它们对化学物的反应 需要理解 在这些各种体系之间的联系 也需要了解蛋白质系统中其他生理生化以及细胞的变化 各种生物化学系统的变化之间的联系 生理上和更高组织水平上的毒性影响是长期的研究目标 十生物标志物的讨论 41 应用方面 这些系统的反应需要有机地联系 而且在野外研究中需要检测生物体内外的污染物的剂量或浓度 野外研究就是让生物标志物方法更具有实用性 同时比较生物化学体系与其他生物标志物的反应的异同 十生物标志物的讨论 42 第二节污染物在细胞和器官水平上的影响 一 对细胞的影响细胞是生物的结构单位 不同种类的细胞 具有不同的形态结构和功能 对污染物的敏感性也不一样 污染物对细胞的损伤 可表现为细胞结构和功能的改变 研究污染物与细胞结构和功能损伤的关系 不仅可以阐明污染物毒害作用的本质 而且可以评价污染物有害性及在早期警报污染物对生态系统的影响 43 一 对细胞的影响 常用的分子及细胞生态毒理方法有 PCR SSCP技术荧光原位杂交技术DNA损伤试验基因芯片技术一般代谢酶的活性测定解毒系统酶类诱导作用的检测抗氧化防御系统检测 44 一 靶器官当污染物进入机体后 它们可能被分布到机体的特殊器官 产生对组织器官的影响 污染物进入机体后 对各器官并不产生同样的毒作用 而只对部分器官产生直接毒作用 这些器官称为靶器官 targetorgan 二 对组织器官的影响 45 二 对组织器官的影响植物吸收大气污染物后 导致叶组织的坏死 表现为叶面出现点 片伤害斑 造成叶 蕾 花 果实等器官脱落等 农药污染也能对植物组织和器官产生影响 其主要影响有 叶发生叶斑 穿孔 焦枯 黄化 失绿 褪绿 卷叶 厚叶 落叶等 果实脱落 畸形等 花发生花瓣焦枯 落花等 根发生粗短肥大 缺少根毛 表面高厚发脆等 二 对组织器官的影响 46 第三节个体及种群水平的毒性效应 如果环境所面临的问题只是确定污染负荷的极限并保护生物不受侵害 那么仅仅个体水平的毒性研究就足够了 以种群的观点来看 一个生物的个体的损伤或死亡意义不大 因为大多数的生物在简短的生命之后都会死亡 只有极少数的生物能充分发挥生殖潜力和个体成长 生态风险评价中所涉及的问题是有关种群 生态系统 产量和持续性效应 这些更高水平组织上的反应不能仅仅从个体毒性试验来预测 47 一 对个体的毒性效应 污染物对动物个体水平的影响主要有死亡 行为改变 繁殖下降 生长和发育抑制 疾病敏感性增加和代谢率变化 而对植物的影响主要表现为生长缓慢 发育受阻 失绿黄化 早衰等 48 1 概述种群 population 是在一定时空中同种个体的组合 具有三个基本特征 空间特征 数量特征和遗传特征 种群密度 populationdensity 是指单位面积或单位空间内的个体数量 一般来说 污染物可导致个体数量的减少 种群密度下降 二 对种群的毒理效应 49 2 对群落中种群的组成和结构改变环境污染后 原有生物与环境中多种物质关系发生变化 出现新的生物与环境的物质循环关系 一般是耐污种在污染环境中增多 而敏感种逐渐消失 狭污性种群被广污性种群所代替 群落组成和结构发生改变 二 对种群的毒理效应 50 3 对物种多样性的影响群落中物种多样性 speciesdiversity 是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 群落中所含种类数越多 群落的物种多样性就越大 污染物可导致敏感种的消失 群落中物种的数量下降 严重污染时将导致物种的绝迹 使物种多样性下降 污染物也可导致群落中种的相对密度的变化 改变物种的多样性 二 对种群的毒理效应 51 在过去的几十年中 发展了一系列的种群分析方法 本节将简单介绍几种主要的方法 重点在于它们的概念上的联系和过去的应用 三 种群分析的方法 52 1 繁殖能力种群分析最简单的方法是对繁殖力的定量分析 这种理论是由Lotka 1924 Fisher 1930 和Cole 1954 发展到目前这种形式的 20世纪60年代以前 渔业管理中的有关种群动力学的唯一方法就是繁殖力方法 这种方法需要 生物从一个年龄段存活到下一个年龄段的比例 一个生物在给定年龄生后代的平均数 三 种群分析的方法 53 2 预测矩阵年龄结构或者生命阶段结构的预测矩阵与繁殖潜力模型有密切关系 这两种方法几乎在同一时间内由同一批人发展 自从20世纪40年代后期 繁殖潜力分析是种群分析的首要方法 而矩阵模型直到60年代才被经常使用 并在70年代才在教科书中出现 Caswell把这种原因归结于两点 生态学者对于矩阵代数学的不熟悉 直到最近才广泛研究 对计算机的接受不足 虽然计算机简化了很多计算 三 种群分析的方法 54 3 集合模型Logistic模型在种群生物学中有很长的历史 因为Logistic方程极其简单 绝大多数应用种群生物学家认为它和它的变量是没有实用价值的 有一种Logistie的特殊形式 一般称为Shaeffer过剩产量模型 用于渔业管理 由鱼类种群生物学家发展 这些模型可以看做年龄结构模型的特定实例 在里面通常有一个或两个年龄组 三 种群分析的方法 55 第四节污染的群落与生态系统效应 一 概述在生态系统水平上进行生态毒理学效应的评价主要有两个原因 第一 评价的终点可以是生态系统的特性 第二 生态系统水平的方法可以对低水平的终点进行评价 生态系统方法的特殊之处在于它可以运用多层次的例证来增加它们的可信度 用以补充低水平方法在评价方面的不足 因此 很显然生态系统水平的试验和模型在生态风险评价中占有一席之地 56 二 生态系统水平的效应试验 生态系统水平的毒性效应研究有物种之间相互关系试验 微宇宙试验 中宇宙试验和现场试验 物种之间关系试验被认为是生态系统动力学的基本单位 但是 在种群水平试验和真正的生态系统水平试验上它却不能进行 如果所有对自然界的分类都是人工的 会导致杂乱无章的结果 57 生态系统模型主要是应用于评价生态风险 力图去表示在微宇宙 中宇宙和实地试验中所提出的大部分相同的生态结构和过程 和毒性试验不同 数学模型不受自然范围 时间范围和可在这些人工生态系统中被分开研究的生物种类的限制 即生态系统模型可被用来评价用于特定环境考虑的时空范围的风险 主要的模型有 能量流动模型 物质循环模型 自然主义的模型 选择和发展模型 三 生态系统模型 58 第五节景观生态系统在生态毒理学研究中的应用 一景观生态学的概念近年来 生态学家们不仅研究个体 群落和生态系统水平的自然过程 而且对整个景观系统给予充分的重视 景观生态学同时具有空间性和时间性 其特点是 1 景观结构 包括景观生态在内的生态系统的空间安排 往往有多个不同类型的生态系统组成 2 景观功能 通过能量 物质 和组织流在生态系统中的相互作用 受到它低层次的潜在行为和高层次的环境所控制着 3 结构和功能的改变必须按照相应的过程来评估 59 二生态毒理学对景观认识的必要性 污染物可以在很广泛的区域中影响自然系统 化学物质能够通过很多的途径对整个景观系统造成生态威胁 虽然一个毒物只能直接影响某一个生态系统 但也可以间接地影响其它生态系统 导致作用于景观水平的影响 60 1 景观毒理学发展的障碍首先是缺乏大量的数据 我们对于非干扰系统的了解很不完整 而且一般情况下 自然过程的控制范围不是很清晰 在景观组织水平上 很少有毒性指示物被查用 随着更多的实验在更广泛的时间和空间范围内完成 但是这种信息的缺乏是景观生态毒理学的唯一障碍 2 污染物的影响作用可以在不同的组织层次上监测 要明显的区分化学胁迫作用在不同层次之间的影响是十分困难的 三景观毒理学发展 61 3 地球生态系统的主要部分已经被干扰了 以致很难确定是哪一种有毒物质或几种有毒物质