环境生物学第二章课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 污染物对生物的影响,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,图 1. 污染物在各级水平上对生物的影响,本章将讨论以下内容：,污染物在,生物化学和分子水平上,的影响,污染物在,细胞和器官水平上,的影响,污染物在,个体水平上,的影响,污染物在,种群和群落水平上,的影响,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,防护性生化反应：,用来保护生物体抵抗污染物的伤害。其反应,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。,如,混合功能氧化酶的诱导，金属硫蛋白的生成。,非防护性生化反应：,不起保护作用的生化反应。反应机理多样，结果之一是产生对生物体有害影响。,如,乙酰胆碱酯酶的抑制，,DNA,加合物的生成。,第一节 污染物在生物化学和分子水平上的影响,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,1、酶的诱导,许多环境污染物能,诱导生物机体内一些酶活性和含量增加,，在这些污染物中，大多属于有毒、有害的有机化合物，如：多氯联苯（PCBs）、多环芳烃（PAHs）、表面活性剂等,酶诱导的三基因假说：结构、操纵、调节,一、污染物对生物机体酶的影响,污染物存在时,不存在污染物时,A、混合功能氧化酶（MFO）,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发挥了重要作用。,混合功能氧化酶（MFO）的作用,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。,B、抗氧化防御系统酶,活性氧（Activiated Oxygen）,带有23个电子的分子氧还原产物，主要有：,OH、O,2,-,、H,2,O,2,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。,抗氧化防御系统酶,超氧化物歧化酶（SOD）,是一类高诱导酶，催化,O,2,生成H,2,O,2,，消除活性氧。,谷胱甘肽过氧化酶（G P x）,以H,2,O,2,为底物，催化形成H,2,O ，消除H,2,O,2,过氧化氢酶（Ct）,分解H,2,O,2,2、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。,普通的情况是：低剂量的环境污染物起诱导作用，高剂量的环境污染物起抑制作用。,酶的抑制作用分为：,不可逆抑制：与酶蛋白的活性中心功能基团不可逆结合。,非竞争性抑制：污染物与酶分子的结合位置不是底物的结合位置，,增加底物浓度，不能使抑制作用逆转,。,竞争抑制：,增加底物浓度，抑制作用减弱,。,1、与受体结合,污染物及其活性代谢产物可直接与生物的膜受体或细胞质受体共价结合，如与糖蛋白、磷脂蛋白或其他特殊蛋白结合，导致化学性损伤，从而影响受体功能，引起一系列生物学反应。,受体：,能正确识别固有的外界信息，并用适当方式将外界信息转换成生物信息的感受器。,原义：生物体感受外界物理、化学刺激，并转变成神经冲动的感受器。,二、 污染物对其它生物大分子的影响,2、与蛋白质（酶）结合,污染物对蛋白质的影响主要表现在以下方面：,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,诱导生物机体内一些功能蛋白的产生：如,应激蛋白,（Stress Proteins）,和,金属硫蛋白,（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。,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。,3、对脱氧核糖核酸（DNA）的影响,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：,形成DNA加合物（DNA Addcuts）,发生DNA的二次修饰,DNA结构的破坏被固定,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,DNA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结构的改变,，如碱基置换、碱基丢失、链断裂等。,DNA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。,第二节 污染物在细胞和器官水平上的影响,一、对细胞膜的影响,对细胞膜的影响主要表现在以下方面：,污染物引起的脂质过氧化作用导致的损伤,污染物可影响膜的离子通透性,污染物与膜上的受体结合，干扰正常的生理功能,二、对细胞器的影响,线粒体,线粒体是细胞供能的场所。,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,光面内质网和糙面内质网,光面内质网是进行激素和外源性化合物的代谢场所。,糙面内质网：通过附着或解离核糖体控制蛋白质的合成,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。,三、污染物对组织器官的影响,三个概念：,靶器官、效应器官和蓄积器官,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。,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。,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。,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,SO,2,对植物的伤害,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,一、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,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。,半数致死剂量（LD,50,）,或,半数致死浓度（LC,50,）,：能引起50的动物死亡的污染物的剂量或浓度。,影响致死效应的主要因素：,污染物的种类及其物理化学性质,生物的种类,作用时间、水质条件，如温度、,pH、,溶解氧等,多种污染物的综合作用,二、对行为的影响,行为毒性（Behavioral Toxicity）的概念,指一种污染物或其他因素（如温度、光照、辐射）使得动物一种行为改变超过正常变化的范围。,水环境污染可影响的生物行为：,回避行为,捕食行为,学习行为,警惕行为,社会行为,1、对水生生物的影响,某种农用化学剂96小时暴露处理对虹鳟行为的影响,化学剂（mg/L）,游泳能力（cm/s）,食入蚤类（%）,被捕食存活率（%）,西维因,0,24.7a,100a,85a,0.01,25.4a,70a,35c,0.1,23.6a,60a,50b,1.0,19.9b,30b,25c,2、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。,三、对繁殖的影响,污染物的繁殖的影响,主要表现为：产卵(仔)数、孵化率、幼体存活率下降以及繁殖行为下降等,蛋壳厚薄指数：一个评价污染物对鸟类繁殖影响的敏感指标。,表. 水环境污染物对鱼类繁殖的影响,概念：环境激素（Environmental Endocrine Disrupters）内分泌干扰,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。,环境激素的种类包括：天然雌激素、合成雌激素、植物雌激素 、具有雌激素活性的环境化学物质,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。,四、对生长和发育的影响,污染物对生长和发育的影响可通过生长指示器来测定,生长指示器（Scope for Growth）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,第四节 污染物在种群和群落水平上的影响,概念：种群（Population）,种群是指在一定时空中同种个体的组合。具数量特征、空间特征、遗传特征,污染物对种群的影响表现为：,种群数量（密度）改变,结构和性别比例的变化,遗传结构的改变,竞争关系的改变,对寄生影响：刺激、抑制、无作用,一、对生物种群的影响,1. 种群密度 (数量) Population density,：,种群密度指单位面积或单位空间内个体数量,a.敏感物种(抗性差)，数量下降。,b.耐性物种(抗性强)，有波动，但能保持。,c.机会物种(往往是不需要的)，数量上升。,物种竞争能力：,K-选择者：种群稳定，围绕K值波动。出生力低， 寿命长，个体大。（天敌）,r-选择者：机会种，与K-选择者相反。 （害虫）,中间类型：,r-K在自然界是一个连续系统，长期进化适应的结果,2. 结构,：a. 年龄（幼体死亡，繁殖率下降）,b. 性别比例（环境激素作用）,3. 遗传结构,：基因多样性下降、遗传缺陷,4. 竞争关系,：种内 （空间、食物）,种间 （食物网关系）,5.对寄生影响,：刺激、抑制、无作用,二、对生物群落的影响,基本概念,群落（Community）,优势种（Dominant Species）,优势度？,耐污种,敏感种,污染物对群落的影响表现在：,群落组成和结构改变,对,物种多样性,（Species Diversity）,的影响,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）。,第五节 化学污染物对生物的联合作用,联合作用(Combined Effect)的概念,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。,联合作用的类型：,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。,112,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。,112,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。,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。,