生态毒理学6.ppt

研究生物富集的方法,2.4 研究生物富集的方法,生物富集的研究，可在个体（单独生物种）和食物链两个水平上进行前述的许多富集规律就是在个体水平研究的基础上得出的 无论在哪个水平上的研究，都可以采取野外采样调查、室内分析的方法和室内模拟实验的方法 前者的优点在于污染物的富集是各种因素综合作用的结果，与实际情况相符；后者的优点在于影响富集的各种因素便于控制，便于分析各个因素各自的作用和它们的综合作用 也可以将两种方法结合，互相印证2.4.1模拟研究,模拟研究的方法是在一个容器内，栽培和放养若干种生物，并按食物、营养关系组成若干条食物链在这样的生态系统中，研究污染物在食物链中的迁移、富集规律实验设计,,玻璃缸一只（25cm×30cm×50cm）,内装15kg石英砂作陆相，加入一定量营养液做水相陆相中栽种50株高粱苗，并放入若干毛虫水相中放养一定量的藻类、浮游生物、瓶螺、孑孓和食蚊鱼组成两条食物链：,,,高粱→毛虫→硅藻→浮游生物→孑孓→食蚊鱼,→,→,↓,←,←,,高粱→毛虫→绿藻→瓶螺,,实验设计,,,,将放射性标记农药涂在石英砂、植物上或直接加入水相中间隔一定时间后，测定砂和水中各种生物的放射性标记农药及其代谢产物。

实验的目的是： (1) 水相中放射性农药的污染速度； (2) 在生态系统中．农药对生物的毒害作用； (3) 水相和各种生物体内，放射性农药代谢、变化情况； (4) 测定农药在各生物体内的富集系数 把5.0mg的14C-DDT（1%丙酮溶液）涂在高粱叶上，一个月后测定结果：,调查试验研究,确定一个污染区，以污染源为中心，调查污染物在环境(气、水、土)中的含量、时空分布规律；生物对环境中污染物的富集规律以及污染物在生态系统中沿食物链逐级富集的规律以及对人体的危害 （一）环境调查 大气、水、土壤 （二）植物调查 （三）动物调查,,,第六章环境污染物的生态毒理学效应,大纲,环境污染物生态毒性作用的特点 分子水平的生态毒理学效应 细胞、组织及器官水平的生态毒理学效应 个体水平的生态毒理学效应 种群、群落及生态水平的生态毒理学效应 景观及全球水平的生态毒理学效应,第一节 环境污染物生态毒性的特点,一、环境污染物的生态效应 环境污染物对动物、植物、微生物等非人类生物个体和群体的损伤作用统称为它的生态毒性作用，即生态效应(ecological effect)1.涉及面广、范围大，接触污染的生物种类多、数量大,环境污染物的生态效应特点,环境污染物的生态效应特点,2、在不同生物学水平上产生毒性作用,环境污染物的生态效应特点,2、在不同生物学水平上产生毒性作用,环境污染物的生态效应特点,3、低浓度、长时间、反复作用 结果 1）引起慢性中毒，影响机体的生理生化和免疫功能，使机体抵抗力降低，人和动物慢性疾病的发病率和死亡率增高。

对植物的影响对其生长发育及抗逆和适应能力，降低生产量和品质，甚至影响生态平衡,环境污染物的生态效应特点,3、低浓度、长时间、反复作用 结果 2）引起三致作用：某些环境污染物可进入怀孕母体，通过胎盘进入胎儿引起胎盘中毒，导致死胎或流产，或者影响胎儿生长发育而产生畸形环境污染物的生态效应特点,3、低浓度、长时间、反复作用 结果,1984年，12月3日，美国联合碳化物公司在印度的波尔市农药厂用异氰酸甲酯制造杀虫剂，由于毒气泄漏造成重大急性中毒事件致该市2500多人死亡环境污染物的生态效应特点,4、多种途径进入体内,环境污染物的生态效应特点,4、多种途径进入体内(高等植物),环境污染物的生态效应特点,5、多种污染物同时存在、作用类型多样、作用机制复杂 协同 相加 拮抗 独立,,19,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,,,,20,一 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21,一 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22,一 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23,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,24,一 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25,一 概述,4)相Ⅱ(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26,二 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27,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P450,28,三 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29,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,30,四 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31,四 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32,五 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。

33,六 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34,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,35,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,36,七 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37,七 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38,八 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39,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,40,九 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。