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)

1、2022-4-17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l对生物机体酶的

2、影响l对生物大分子的影响l酶的诱导污染物诱导酶活性的机制去阻遏作用操纵基因结构基因（酶基因）阻遏蛋白污染物污染物转录操纵基因结构基因（酶基因）阻遏蛋白转录Xl酶的诱导混合功能氧化酶（MFO）l组成：细胞色素细胞色素P450、细胞色素还原酶、磷脂l功能：解毒解毒、致毒l在环境监测中的应用：生物标记物生物标记物抗氧化防御系统酶l组成：SOD 、GPx、Ct、GSTs 、GSH 、VC、VE等l功能：消除活性氧（自由基），解毒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

3、学特性差别很大，即具有多种催化功能。 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。l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）l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-、H2O2l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

4、。l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。l超氧化物歧化酶（SOD）l O2- SOD H2O2+O2l 2H+l谷胱甘肽氧化酶（G P x）l 2GSH+H2O2 GPX GSSG+2H2l过氧化氢酶（Ct）l 2H2O2 Ct 2H2O+O2l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。l生理作用：与不同的亲电性化合物或一些代谢产物结合成水溶性化合物

5、，易于排出。 l酶的抑制作用不可逆性抑制可逆性抑制l非竞争性抑制l竞争性抑制 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。 l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。 l l非竞争性抑制：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 。l竞争性抑制：竞争性抑制：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。l1 污染物对酶辅助

6、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。l2 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l3 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。l4 与酶激活剂作用有些酶需要激活剂才能表现活性。酶激

7、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。l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l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）l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）l脂质的过氧化导致细胞膜和亚细胞膜的受损（如细胞器破裂）l对细胞的影响l对组织器官的影响l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l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

8、它细胞器：溶酶体（细胞自溶）l靶器官：污染物直接作用的器官l效应器官：表现出中毒症状的器官l蓄积器官：污染物在体内的蓄积部位l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、肾脏，导致骨痛病。l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l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l导致个体死亡l对个体行为的影响l对繁殖的影响l对生长和发育的影响l衡量死亡的指标死亡率死亡率：死亡比例的大小，为评

9、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 90-2000 ug/Ll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l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l回避行为的定义：生物主动避开污染区域，迁移到清

10、洁区域的行为l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l影响回避行为的因素：污染物种类、生物种类和状态、环境因素l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l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l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l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。l效应：产卵（仔）数、孵化数、幼体存活率下降， 繁殖行为变化等l水环境污染对鱼类繁殖影响的位点（阶段）配子合子胚胎幼体

11、l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。l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l分布广泛的主要污染物，可导致野生动物的繁殖障碍l通过污染饮用水，危害人类的生殖健康，诱发癌变l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。l常见的环境激素包括有机锡、二乙基人造雌性激素、多溴联苯醚(PBDEs)、六溴环十二烷(hexabromo

12、cyclododecane，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。 l2005年11月16日02:22 现代快报l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。一些雄性鱼长出了卵巢甚至带有卵子。l

13、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。l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。l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。 l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

14、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。 l2010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”的壬基酚和辛基酚壬基酚和辛基酚，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

15、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。l“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。l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)l生长发育不良（SFG减小）的原因A减小R（U）增大l5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国国家科学院院刊（PNA

16、S）上发表的研究论文。该文章研究发现，我国I级保护动物、珍稀濒危的野生中华中华鲟鲟( (Acipenser sinensisAcipenser sinensis) )幼鱼幼鱼中出现了严重的畸形现象，其中出现了严重的畸形现象，其中眼睛缺陷发生率有中眼睛缺陷发生率有1.2%1.2%，躯，躯体畸形发生率有体畸形发生率有6.3%6.3%。通过一系列的研究，这种畸形现象被证实与一种广泛应用于船舶涂料、木材防腐的含锡化合物三苯基锡三苯基锡有关。“一只青蛙一张嘴，两只眼睛四条腿，两只青蛙两张嘴，四只眼睛八条腿”一只青蛙八条腿？l化学品未必是危险的，那如何了解你拿到的东西是不是危险呢？两个安全信息查询渠道：l

17、ICSC（世界卫生组织编写的国际化学品安全卡片，中文网址http:/）lMSDS（材料安全数据表，中文网址http:/）。l从中可以了解不同化学品的安全性、毒性和在化工行业中的特性。l对生物种群的影响l对生物群落的影响l种群（Population）：一定时空中同种个体的组合，具有空间、数量和遗传特征。l污染物对生物种群的影响对种群密度的影响：增大或减小结构和性别比例的变化：年龄结构、种群大小、性逆转遗传结构的改变：在进化过程中通过改变基因频率以适应环境的改变竞争关系的改变l群落（Community）：l在一定时期内，居住在一定区域或生境的各种生物种群构成的有规律的结构单元优势种：群落中优势度大

18、的物种耐污种：适应某种污染条件的物种敏感种：对环境条件变化敏感的物种l污染物对群落组成和结构的改变耐污种逐渐成为优势种，敏感种逐渐消失狭污性种群被广污性种群取代l污染物对种群多样性（Species Diversity）的影响敏感种绝迹，生物多样性下降1.生物多样性的概念和层次2.生物多样性的分布3.生物多样性的丧失4.灭绝的群落和种群生物学理论l生物多样性(Biodiversity)生命有机体及其赖以生存的生态综合体间的多样性和变异性。生命有机体、生命有机体群体以及它们生存的生态综合体之内和之间的多样性和变异性的总和。l生物多样性的层次1.物种多样性代表物种演化的空间范围和对特定环境的生态适应

19、性2.遗传多样性种内个体之间或种群内个体之间的遗传变异的总和1.染色体水平的多样性：数目变异、结构变异2.DNA水平的多样性：缺失、重复、倒位、易位3.生态系统多样性生境（差异）、生物群落、生态过程（变化）的多样性l生物多样性的形成（起源和进化）新基因的形成l基因重复、基因延长、杂种基因、基因突变新种的形成l渐变式：突变自然选择隔离l爆发式：染色体畸变新生境的形成l太阳与地球的物理、化学作用l生物体自身的作用l影响生物多样性分布的因素1.纬度2.海拔3.降雨4.地质年龄5.地质复杂程度l生物多样性的关键区域热带雨林1.面积大2.物种丰富3.群落结构复杂4.能量和物质流速很高海洋1.面积巨大2.

20、特有性高3.生物多样性高l物种的灭绝速度自然灭绝人为灭绝l物种的脆弱性物种受威胁等级的划分l灭绝种、濒危种、易危种、稀有种、未定种类群灭绝种濒危种易危种稀有种未定种总数植物384332530226749558919078无脊椎动物982212341886141355爬行类2137394132170鸟类113111671226241037哺乳类831721413764497l物种的脆弱性容易灭绝物种的特性1.地理分布区狭窄2.只有一个和少数几个种群3.种群规模小4.需要较大生活空间5.体型较大6.种群个体数增长速率低7.有效扩散能力弱8.很少遗传变异9.需要特殊生态位10.必须稳定的生态系统11

21、.长期或暂时群聚12.经济价值高l栖息地丧失和片段化对生物多样性的影响栖息地丧失生境片段化l限制生物的活动范围l边际效应l过度开发对生物多样性的影响l环境污染对生物多样性的影响水体污染土壤污染空气污染全球气候变化l温带气候区向两极迁移l温度和雨量的变化l海平面上升l外来种对生物多样性的影响岛屿上的外来种水生生境的外来种外来病害l协同作用l相加作用l独立作用l拮抗作用l定义：两种或两种以上的化学污染物同时或顺序与机体接触后，其毒性效应远高于它们单独作用时所产生效应的总和l 1 + 1 2l定义：多种化学污染物混合所产生的生物学作用强度等于各成分分别作用的总和通常这些污染物的作用机制相同l1 1

22、= 2l定义多种化学污染物各自对机体产生毒性作用的机理不同，互不影响。l1 1 1 2l定义：两种或两种以上的化学污染物同时或顺序与机体接触后，其中的某些成分可以干扰其它成分的生物学毒性，使混合物的总毒性低于任一单独组分的生物学毒性l1 1 11.电离辐射及其生物效应2.紫外辐射及其生物效应3.微波和射频辐射及其生物效应4.红外辐射的生物效应5.超声波的生物效应6.噪声的生物效应l电离辐射具有足够的能量以引起物质电离的射线。l射线类型射线：带正电，穿透力弱，电离里能力强，内照射损伤大射线：带负电，穿透力较大，体内危害次于射线射线 X射线不带电荷，穿透力很大，外照射危害大，内照射较小l具有环境放

23、射性的人为来源核工业核爆炸试验其它人为来源l煤粉、煤渣、地热流体、l 医学诊断、作物育种、科学研究l电离辐射的生物化学效应1.核酸的辐射损伤lDNA分子的损伤lDNA合成的抑制lDNA分解代谢增强2.染色质的辐射效应l染色质的降解l组蛋白合成和磷酸化的抑制l电离辐射的生物化学效应3.细胞膜的辐射效应l对膜组分的影响l对细胞膜物理化学性质的影响l对细胞器膜通透性的影响l对膜结合酶活性的影响l对膜受体功能的影响l对膜DNA复合物的效应4.能量代谢的障碍l线粒体氧化磷酸化的抑制l细胞核氧化磷酸化的抑制l电离辐射对细胞的影响杀伤细胞并影响细胞周期l杀伤细胞：细胞核改变、染色体畸变、细胞器改变（线粒体最

24、敏感）、形成多倍体及巨核型细胞l影响细胞周期（阻断或延长细胞周期）l电离辐射对细胞的影响细胞的辐射敏感性lBergonie-Tribondeau定律1. 敏感性与细胞增殖率和分裂率正相关2. 敏感性与具有的细胞核分裂潜能正相关3. 敏感性与细胞形态和功能分化程度负相关l辐射敏感型细胞的分类1. 营养性分裂间期细胞（各类T细胞，最敏感）2. 分化中的分裂间期细胞（造血与生殖系统的，很敏感）3. 多向性结缔组织细胞（内皮细胞、间叶细胞，中等敏感）4. 回复性分裂后细胞（内分泌腺细胞，不敏感）5. 定型的分裂后细胞（神经细胞，耐受力最高）l电离辐射的躯体效应电离辐射对人及动物的损伤l致死效应l急性放

25、射病 骨髓型、肠型、脑型放射病电离辐射对植物的损伤低剂量电离辐射的刺激作用l紫外辐射污染源人造光源（温度在2500K以上的物质都能发射紫外辐射）l气体放电：汞灯、金属卤素灯、氘灯、焊弧等l白炽光源：钨卤素灯l荧光灯：荧光管等l混合光源：碳弧灯等太阳辐射（臭氧空洞加剧）l紫外辐射的波段划分UV-A 320400nm 单独作用时无生物学效应】UV-B 280320nm 极端有害】UV-C 200280nm 未到达地面】l生物组织对紫外线的吸收和传输影响因素l紫外线的波长l肤色紫外辐射对躯体的损伤l非随机效应 皮肤和眼睛的急性效应l皮肤长期接受紫外辐射的效应l紫外辐射对的损伤嘧啶二聚体的形成合成和复

26、制的抑制l合成的抑制l受阻于二聚体的合成及其复制机理l紫外辐射对蛋白质的影响氨基酸的光化敏感性（芳香族比脂肪族敏感）酶的光化学钝化（一级结构敏感或三级结构敏感）芳香族氨基酸与蛋白质的光离解l微波和射频污染源电视和调频、调幅广播雷达辐射人造卫星通讯系统其它工业、医疗、科研射频微波设备民用设备：手机、微波炉等l微波辐射的热效应热效应的现象影响因素1.功率密度2.辐射频率3.与辐射源的距离4.辐射时间5.环境温度与湿度6.机体表面覆盖情况7.辐射的器官组织对象8.生物体的性别、年龄、生理状态9.生物体的个体差异l微波和射频辐射的非热效应（热外效应）场力效应生物体中的超导电性其他作用机制l细胞膜的半导

27、体性、谐振吸收等l微波和射频辐射对机体结构与功能的影响1.对神经系统和行为的影响对组织和细胞的损伤对血脑屏障的影响行为效应2.对神经内分泌的影响下丘脑垂体肾上腺反应下丘脑垂体甲状腺反应l微波和射频辐射对机体结构与功能的影响3.对感觉器官结构与功能的影响对眼睛的影响听觉效应4.对造血和免疫活性细胞系统的影响血细胞生成效应免疫应答效应5.代谢效应6.对生殖和发育的影响对性腺的影响对发育的影响l对眼睛的损伤直射可引起白内障l对皮肤的损伤限于近红外线，灼伤、血管扩张、色素沉积l其他效应呼吸道受损、阻滞神经传导、免疫反应衰退、染色体断裂l超声波：超过人耳听力上限频率范围的机械振动频率高于20000赫兹的

28、声波，方向性好，穿透能力强，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。 l分子效应纯化学效应：空化作用机械降解：断裂l对细胞的影响细胞结构：细胞破裂、细胞膜与细胞器的变化细胞功能：抑制鞭毛运动，刺激蛋白质合成l对机体的影响对动物的致畸作用对植物组织的损伤l噪声污染的概念环境中不协调的，使人厌烦并对人类生活和生产有妨碍的声音。l噪声污染源工业噪声交通噪声建筑施工噪声社会生活噪声l对听觉的影响暂时性听觉减退（听觉疲劳）永久性听力损伤：耳损伤，耳聋影响因素l声级、暴露时间l其他生理效应失眠、疲劳、头痛、心电异常、器官出血、痉挛死亡l心理效应烦躁情绪、睡眠深度、工作效率 以上奇异的事情如果出现了，以上奇异的事情如果出现了，你认为可能吗？你认为可能吗？ l不管您愿不愿意，您己经或正在把转基因食品吃进肚里l转基因食品已经走进我国百姓的生活l我国已经成为世界上第四大转基因食品生产国家转基因转基因耐寒耐寒西红柿西红柿抗病毒抗病毒转基因甜椒转基因甜椒转基因转基因金大米金大米中含胡中含胡萝卜素萝卜素转入转入BTBT毒蛋白基因毒蛋白基因的的转基因转基因抗虫棉抗虫棉转入与花青素代谢相关基因的转