第二章 污染物对生物的影响

第二章污染物对生物的影响本章将讨论一下内容：1污染物在生物化学和分子水平上的影响2污染物在细胞和器官水平上的影响3污染物在个体水平上的影响4污染物在种群和群落水平的影响5化学污染物对生物的联合作用第一节污染物在生物化学和分子水平上的影响污染物对生物机体的最早作用是从生物大分子开始的，然后逐步在细胞、器官、个体、种群、群落、生态系统各个水平上反映出来。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广义上可以分为两种：一种用来保护生物体抵抗污染物的伤害，称为防护性生化反应；另一种不起保护作用，称为非防护性生化反应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。非防护性生化反应有多种多样，其作用机理也多样化。污染物进入机体后，一方面在酶的催化下，进行代谢转化，另一方面也导致体内酶活性改变，许多污染物的毒作用就是基于与酶的互相作用。污染物可影响酶的数量和酶的活性。污染物对酶的诱导和阻遏影响酶的数量。对酶活性的激活和抑制影响酶的活性。一酶活性的诱导一些污染物能诱导酶的产生，其诱导作用是增加酶的合成速度或可能降低酶蛋白的分解1混合功能氧化酶（MFO）混合功能氧化酶是电子传递系统，存在于大多数组织的细胞内质网上，但肝脏中的活性较其他组织中活性要高得多。混合功能氧化酶的组成包括：①细胞色素P450②NADPH细胞色素P450还原酶③磷脂环境生物学中广泛研究的有：7-乙氧基异吩恶唑O-脱乙基酶（ECOD），7-乙氧基香豆素O-脱乙基酶（ECOD），芳烃羟化酶（AHH）等目前已确定细胞色素P450基因总族有27个P450基因族，共154个基因。活性诱导剂主要有三类：1.药物诱导剂苯巴比妥型2.致癌物诱导剂3-甲基胆蒽型3.甾族诱导剂混合功能氧化酶存在于所有的脊椎动物和大部分无脊椎动物中，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从生理作用来看，混合功能氧化酶参与体内的胆固醇、胆汁酸、类固醇、激素、维生素D的生物合成的代谢；从解毒作用来看，很多外源性化合物形成极性较大的产物而易于从体内排出。许多外源性化合物进入体内，经混合功能氧化酶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。然而有些则变成高毒甚至变成致癌物应用混合功能氧化酶活性的诱变作用，不仅能阐明污染物的作用机制、污染物的生物可利用性、污染物间的相互作用和生物机体的防御反应等，而且可以利用它作为分子水平上敏感性的生物指标，来监测污染物对生态系统的早期影响2抗氧化防御系统酶长期进化中，需氧生物发展防御过氧化损害的系统，其组成包括水溶性组分，脂溶性组分和酶。在生理状态下，许多体内代谢可产生活性氧，主要有·OH、O2-和H2O2。这些体内代谢包括不同酶活性反应；线粒体、微粒体和色素体的多酶电子传递链；白细胞的吞噬作用。①超氧化歧化酶（SOD）：许多化学污染物能诱导SOD活性：大气污染物，直接作用氧化物，氧化还原循环化合物②谷胱甘肽过氧化酶（GPX）：它能催化有机过氧化氢物还原成相应的醇。③过氧化氢酶（Ct）3谷胱甘肽转移酶(GSTs)谷胱甘肽转移酶是污染物在体内进行生物转化相Ⅱ过程中的重要酶，具有许多同工酶．该酶的生理作用是与不同的亲电性化合物或一些相Ι代谢产物结合，产生水溶性化合物，易于排出体外，因此起到脱毒作用。222222SODHOHOO22222XGPGSHHOGSSGH222222CtHOHOO（二）酶的抑制作用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．不可逆性抑制是由于污染物与酶蛋白的活性中心功能基因不可逆性结合引起的。例如有机磷农药对胆碱酯酶的抑制作用。铅、汞等重金属能与酶活性中心上的半胱氨酸残基的巯基结合，抑制酶的活性，也是不可逆抑制。非竞争性抑制是一种可逆性抑制，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。如氰化物与Fe2+结合，生成氰化铁细胞色素氧化酶，阻断电子传递链，细胞不能利用氧，造成内窒息。竞争性抑制的特点是，当底物浓度增加时，抑制作用减弱．强弱取决于抑制剂的浓度与底物浓度的相对比例．这是因为竞争性抑制剂与酶的正常底物在化学结构上相似，与酶活性中心结合部位相同，但竞争性抑制剂不被酶所代谢。除上述抑制外，有些污染物是通过生成中间代谢物抑制酶活性，造成化学损害；如氟柠檬酸抑制了乌头酸酶，阻断细胞内重要的产能途径。有些污染物消耗辅酶或抑制辅酶的合成，导致酶活性抑制，如铅可使体内烟酸量下降，NAD+和NADP+合成减少；砷和有机锡与硫辛酸结合，造成硫辛酸缺乏，使a-酮酸氧化脱羧反应受阻。有些金属离子是酶的辅基或激活剂，污染物与这些金属离子结合抑制相应的酶。如二乙基二硫代氨甲酸，能结合铜离子，使多巴胺-β-烃化酶活性下降，干扰肾上腺素的合成，引起一系列神经系统症状。EDTA能与Mg2+等二价阳离子可逆络合，抑制需要这些二价阳离子的酶。氟化物与Mg2+形成复合物，使需Mg2+激活的烯醇化酶受抑制，也可抑制Na+/K+/ATP酶活性。1.腺三磷酶（ATPase）DDT对Na+/K+/ATPase，Mg-ATPase有抑制作用。ATPase对不同污染物均有反应，如有机氯农药，增塑剂、多氯联苯、金属、炼油废水等。2.乙酰胆碱酯酶（AchE）有机磷农药和氨基甲酸酯农药对高等和低等动物的AchE具有明显抑制作用，从而产生对生物的神经功能破坏，导致一系列生物学效应．AchE抑制可改变水生生物呼吸作用、游泳能力、摄食作用和社会关系；改变鸟类的行为、内分泌功能、繁殖和对非污染环境变化的耐受力；导致无脊椎动物的死亡和种群变化，等等。AchE抑制具有较高的专一性和敏感性，用其作为指标可以表明生物受到有机磷农药和氨基甲酸酯农药的影响。3.δ-氨基乙酰丙酸脱氢酶（ALAD）它在合成血红蛋白中起重要作用。铅能直接抑制鱼类，鸟类和哺乳类ALAD活性。ALAD作为一个敏感的指标，应用于监测和评价铅污染对生态系统的影响。4.蛋白磷酸酶蛋白磷酸化与脱磷酸化是细胞内无所不在的反应，正是这两种反应的特定平衡协调着细胞内许多生化反应过程。若这两种酶中任意一种改变其活性，则随之而来的将是细胞内的一系列生化反应紊乱，包括促进肿瘤形成过程。因此，激活蛋白激酶C和抑制蛋白磷酸酶均会对肿瘤形成有促进作用，影响这两种酶的物质分别称TPA型促肿瘤剂和大田软海绵酸型促肿瘤剂。微囊藻毒素对蛋白磷酸酶的抑制作用远远超过大田软海绵酶，是迄今为止最强的蛋白磷酸酶抑制剂。微囊藻毒素是水华的主要成分蓝藻的次生代谢产物，是水体富营养化危害之一。用蛋白磷酸酶活性可检测微囊藻毒素的含量，而且方法具有很高的灵敏性。二、对生物大分子的影响1.对蛋白质影响污染物导致蛋白质化学损伤作用外，也可诱导生物机体内一些功能蛋白产生，如应激蛋白和金属硫蛋白。这些蛋白质可以保护生物机体抵抗污染物的损害，是防护性生化反应。2.对脱氧核糖核酸（DNA）影响外源性化合物及其活性代谢产物引起DNA损伤其可分为四个阶段：１）形成DNA加合物２）DNA可能会发生的二次修饰３）DNA结构的破坏被固定４）当细胞分裂时，外源性化合物造成的危害可导致突变及其基因功能的改变．对生物机体暴露于污染物后DNA加和物形成有不同的研究方法：１）放射性标记法和薄层层析法２）鉴定特异加和物法以DNA加合物作为生物指标来评价环境中化学污染物的遗传毒性，越来越受到人们的广泛重视。外源性化合物及其活性代谢产物与DNA作用形成DNA加合物和其他化合物损伤，最终产生DNA突变和基因功能的改变。修复DNA途径:1）光复活修复2）切除修复3）复制后修复3.脂质的过氧化多烯脂肪酸很容易发生过氧化降解。某些污染物如卤代烃、多环芳烃等在细胞内代谢形成自由基，如自由氧基（·OH、H2O2），攻击多烯脂肪酸，引起脂质过氧化。脂质过氧化是一个链索的系列反应。第二节污染物在细胞和器官水平上的影响一、对细胞的影响污染物对细胞的损伤，可表现为对细胞结构和功能的改变（一）对细胞膜的影响1污染物引起的膜脂过氧化作用导致细胞膜的损伤．2污染物可影响细胞膜的离子通透性3污染物与细胞膜上的受体结合，干扰了受体正常的生理功能（二）对细胞器的影响1.线粒体污染物不仅可以引起细胞线粒体膜和嵴的形态结构的改变，而且可以影响线粒体的氧化磷酸化和电子传递功能．2光面内质网和糙面内质网某些污染物经代谢活化产生自由基，可导致内质网结构和微粒膜的一些重要组分如混合功能氧化酶的破坏二、对组织器官的影响（一）靶器官当污染物进入机体后，他们可能被分布到机体的特殊器官，产生对组织器官的影响。当污染物进入机体后，对各器官并不产生相同的毒作用，而只对部分器官产生直接毒作用，这些器官称为靶器官。污染物作用于靶器官后，其毒作用直接由靶器官表现出来，则此靶器官是效应器官。但这毒作用也可通过某种病理生理机理，由另一个效应器官表现出来。（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。污染物对动物组织器官的影响相当复杂，不同污染物的影响具有很大的差异。第三节污染物在个体水平上的影响污染物对动物个体水平的影响主要有死亡，行为的改变，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减慢，发育受阻，失绿黄化，早衰一、死亡在一定的剂量或浓度作用下，污染物能引起动物死亡，这样的剂量或浓度被称为致死浓度剂量或致死浓度．死亡率的大小常常被作为一个重要的生物学指标，用以评价污染物的毒性大小。不同的污染物可引起同一种动物死亡率各不相同，同一种污染物也可导致不同种动物不同的死亡率二、对行为的影响（一）对水生生物行为的影响水生生物所有的行为都易受污染物的影响。当一种污染物或其他因素使得动物一种行为改变超过正常变化的范围的时候，就产生了行为毒性。1.回避行为回避行为是指水生动物，特别是游泳能力强的水生动物，能主动避开受污染的水区，游向未受污染的水区。污染造成生物回避，使水环境中水生生物种类组成，区系分布随之改变，从而打乱原有的生态平衡。（2）捕食行为水生动物的捕食行为可受到污染物的影响。捕食行为的破坏可导致生物机体获得资源减少，最终影响生产量的下降或发育和繁殖受阻。污染物可影响水生动物的胃口，最终导致捕食的停止。（3）警惕行为水生动物本身也有逃避被捕食的能力，因此水生动物本身具有警惕行为。警惕行为的破坏，就导致容易被捕食，这样就增加了死亡率，使种群数量下降。对鸟类行为的影响对鸟类行为的影响最典型污染物是有机磷农药。有机磷农药可以抑制鸟类的乙酰胆碱酯酶的活性，引起神经系统中毒。当AchE活性下降到正常水平的50%时，鸟类的行为就会发生改变。鸟类行为的改变还表现为对领地的失控和不能照顾它们的后代。受污染的鸟类可能发生机体的某些伤害，受伤害的鸟类增加了它们被其他生物捕食的可能性，为了逃避被捕食，受损伤的鸟类常常退却到一个安全的地方，不能维持它们的领地，失去对原有领地的控制。若受伤鸟类处于繁殖期，则表现为破坏和舍弃孵蛋和不能照顾它们的后代，导致繁殖率下降和幼鸟的死亡率增加。三、对繁殖的影响环境污染可造成生物机体繁殖的影响，对动物而言表现为产卵数，孵化率和幼体存活率下降以及繁殖行为的变化。生物机体繁殖损害最终导致种群数量下降，甚至导致物种灭绝。在鸟类中，污染物影响鸟类一个典型的的效应是鸟蛋壳变薄，导致鸟类繁殖受损害。环境中存在一些天然物质和人工合成的环境污染物具有动物和人体激素的活性，这些物质能干扰和破坏生物和人内分泌功能，导致动物繁殖障碍，甚至能诱发人类重大疾病，这些物质被称为环境激素，或外源性激素，或环境内分泌干扰物。环境激素的分类：1）天然雌激素和合成雌激素2）植物雌激素植物激素对内源雌性激素和脂肪酸的代谢及其生物活性产生影响。3）具有雌激素活性的环境化学物质杀虫剂，多氯联苯，非离子表面活性剂中烷基苯酚化合物，塑料添加剂，食品添加剂，工业废水和生活污水