第三章污染物的毒害作用及机制课件.ppt
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1、1,污染生态学 Pollution Ecology,第三章 污染物的毒害作用及机制(Chapter 3: Toxic effects and mechanisms of pollutants on organisms)主讲:环境科学与工程学院 王宏镔 2013年10月14日,2,二、污染物对人群健康的影响,内容提要,一、污染物对生物的毒害作用,三、污染物对生物产生毒害的机理及受害条件,3,一、污染物对生物的毒害作用,(一)污染物对细胞膜结构和功能的影响(二)污染物对植物的毒害(三)污染物对动物的毒害(四)污染物对微生物的毒害,4,(一)污染物对细胞膜结构和功能的影响,细胞膜是由磷脂双分子层和镶
2、嵌蛋白构成,细胞膜的主要功能有:参与细胞内外的物质交换;细胞膜上有多种受体(如某些激素受体、神经递质受体)和抗原(如红细胞膜上的血型抗原)等。生物细胞膜系统(包括质膜、液泡膜和细胞器膜)是细胞和外界环境进行物质交换和信息传递的界面和屏障,其稳定性是细胞进行正常生理功能的基础。,5,细胞膜,6,生物膜分子结构的流动镶嵌模型,7,(一)污染物对细胞膜结构和功能的影响,1. 污染物引起膜脂过氧化作用导致细胞膜的损伤;2. 污染物影响细胞膜的通透性;3. 膜的结合酶活性降低。,8,(二)污染物对植物的毒害,1对光合作用的影响;2对呼吸作用的影响;3对蒸腾作用的影响;4对水分代谢的影响;5对营养吸收的影
3、响;6对植物酶活性的影响;7对植物激素的影响;8对植化成分的影响;9对植物生长和发育的影响。,9,1对光合作用的影响,10,叶绿素叶绿素分子由碳和氮原子组成双羧酸酯。有一个卟啉环的头部(带正电,亲水性)和叶醇链尾部(亲脂性)。 叶醇链插入到类囊体膜中叶绿素a启动光反应,叶绿素不溶于水,但溶于酒精、丙酮、石油醚等有机溶剂叶绿素a中的CH3被CHO取代即成叶绿素b叶绿素a呈蓝绿色,叶绿素b呈黄绿色,11,叶绿素a与叶绿素b的区别,12,光合作用过程:光反应和暗反应,13,暗反应:卡尔文循环(Calvin Cycle),14,暗反应:卡尔文循环(Calvin Cycle),15,暗反应:卡尔文循环(
4、Calvin Cycle),16,1对光合作用的影响(小结),破坏叶绿体的超微结构,进而影响光合作用;重金属进入叶片内,与蛋白质上的SH等活性基团结合,或取代其中的Fe、Zn、Cu、Mg离子,直接破坏叶绿体的结构和功能;重金属通过拮抗作用干扰植物对Fe、Zn、Cu、Mg等生命元素的吸收、转移,阻断营养物质向叶部输送,阻碍叶绿素的合成;重金属使叶绿素酶活性增加,加速叶绿素分解。,17,有氧呼吸反应式:,无氧呼吸反应式:,2对呼吸作用的影响,18,2对呼吸作用的影响,线粒体结构示意图,19,呼吸作用的主要阶段,20,三羧酸循环(柠檬酸循环),21,3对蒸腾作用的影响,污染物对蒸腾作用有明显影响。在
5、低浓度刺激下,细胞膨胀、气孔阻力减少,蒸腾加速。当污染物浓度超过一定值后,可能诱发脱落酸(ABA)浓度增加,使得气孔蒸腾阻力增加或气孔关闭,蒸腾强度降低。如浓度太高,叶伤斑面积扩大,导致蒸腾急剧下降。这种情况下随毒物浓度升高,蒸腾比率明显按比例降低。,22,4对水分代谢的影响,(1)降低土壤水分的有效性,降低植物对水分的有效吸收。 在很多污染环境中,土壤环境中的溶质离子浓度远远大于植物体内离子浓度,则根部的水分外渗。高离子浓度时能够使细胞大量失水,发生质壁分离,甚至能够使细胞膜破裂。,23,4对水分代谢的影响,(2)影响植物的呼吸作用,使植物水分吸收能力下降,引起生理性干旱。 实验表明,植物对
6、水分的吸收是需要能量的,很多污染物能显著抑制植物的呼吸作用,从而使能量的产生能力和产生水平降低,从而使植物根系不能有效地吸收土壤中的水分。,24,4对水分代谢的影响,(3)损害叶片,降低蒸腾作用。 植物主要靠根压和蒸腾拉力来吸水,但当空气中SO2等气体过多时,将灼伤叶片,或使保卫细胞失水而关闭,减少甚至停止蒸腾作用。,25,5对营养吸收的影响,(1)污染物改变土壤环境的pH值,降低植物对营养吸收的平衡性和有效性。(2)污染物改变土壤微生物活性,且影响土壤酶活性,从而影响无机营养的可利用性。(3)污染物抑制植物根系的呼吸作用。(4)重金属通过元素之间的拮抗作用影响植物对某些元素的吸收。,26,6
7、对植物酶活性的影响,污染物胁迫可导致碳水化合物合成代谢、氮素代谢等失衡。有研究表明,高浓度汞(50mg/L)对萌发期内小麦种子内-淀粉酶活性有明显的抑制作用。另外,硝酸还原酶对重金属特别敏感,在Pb、Cd复合污染条件下,烟叶硝酸还原酶、过氧化氢酶活性显著下降; Cu能降低固氮酶的活性,大于0.125mmol/L的Cu2+会导致大叶相思固氮酶活性急剧下降,0.25mmol/L的Cu2+则完全抑制大叶相思固氮酶的活性。,27,7对植物激素的影响,Zn2+能使吲哚乙酸酶活性升高,加速吲哚乙酸的分解,从而使吲哚乙酸含量急剧下降,即Zn2+升高使吲哚乙酸合成受阻(Pratima,1984)。,28,8对
8、植化成分的影响,镉对植物叶片可溶性糖含量的影响,29,8对植化成分的影响,当蚕豆种子中镉积累量由1.15mg/kg增至2.16mg/kg时,蛋白质含量由25.22%降至23.48%;喷洒一次致死剂量的2,4-D后,能使一种毒性很高的杂草含糖量升高,以诱使动物啃食、中毒;用100mg/kg七氯喷洒豆类,能使植物Zn含量提高60%;每公顷使用1.15kg的2,4,5-T能使苏丹草体内的氰氢酸增加69%。,30,8对植化成分的影响,蚕豆种子中积累微量的镉能刺激必需氨基酸含量的增加。当镉积累量为1.15mg/kg时,必需氨基酸含量高出对照6.84% ;但当镉积累量超过5mg/kg后,种子必需氨基酸含量
9、低于对照。镉积累量与种子必需氨基酸含量间总的关系,仍然表现为显著负相关。,31,9. 对植物生长和发育的影响,污染物对植物生长的影响主要表现为生长缓慢,发育受阻、失绿泛黄和早衰等症状。有的还会引起异常的生长反应。如突发性的大剂量污染引起植物叶面部分坏死或脱落,光合面积减少,影响植株生长。污染物对植物发育的影响,以花期最为明显。用HF对草莓的熏气实验表明,凡是在开花受精期进行薰气的花,花托畸形率大大增加。,32,(三)污染物对动物的毒害,1对生长发育的影响在污染环境中,动物经常营养严重不良,个体偏小,体重偏轻,产生的后代数量少,质量低,生物种群往往不断走向衰退。水体中污染物对动物内脏的破坏作用极
10、明显。农药对鱼类肝脏有明显破坏作用,如氯丹可使湖泊中鳟鱼的肝脏退化;浓度为3.210-4mg/L的DDT可使鳟鱼鱼苗肝出现空泡。鳟鱼卵DDT含量大于0.4mg/kg时,幼鱼死亡率为30-90%。,33,(三)污染物对动物的毒害,2对呼吸作用的影响 污染物能严重影响和破坏动物的呼吸器官,导致呼吸机能减弱。在一般高等动物中,向组织细胞运输O2的是红细胞,红细胞的血红蛋白,是能与O2结合的含Fe蛋白。而污染物能与一些高等动物的红细胞结合,改变其结构,或与O2竞争,降低血液的输氧能力,导致细胞和组织缺氧。,34,(三)污染物对动物的毒害,3对营养元素代谢的影响动物生命活动需要很多元素的参与,污染条件下
11、影响动物对营养元素的吸收、转运和分配,从而影响动物的生理生化机能。有机氯农药能使许多鸟类蛋壳变薄,例如DDE能抑制输卵管内碳酸酐酶与ATP酶的活性,阻碍CaCO3在卵壳上的积累。原因是输卵管内钙的储量有限,要靠ATP酶的作用,使Ca能从血液中得到补充;同时输卵管内CO2与水结合,经过碳酸酐酶的作用变为H2CO3。如果ATP酶和碳酸酐酶的活性被抑制,CaCO3的形成将受到障碍。,35,(三)污染物对动物的毒害,4. 对神经系统的影响神经系统是动物区别于植物、能够灵敏感应外界环境的功能体系,构成这个功能体系最重要的物质基础就是神经递质。乙酰胆碱是神经突触传递信息的一种神经递质,是一种氨基酸的衍生物
12、,在动物体内维持着一定的水平。由于环境中污染物进入动物体,抑制胆碱脂酶的活性,因而使酶失去分解乙酰胆碱的作用,引起一系列的神经系统中毒。,36,(三)污染物对微生物的毒害,1对微生物数量和种类的影响土壤中的污染物能导致土壤微生物生物量的降低。对土壤微生物区系结构的研究表明,同样在As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn复合污染的土壤中,重金属总量达到658.7mg/kg时,细菌和真菌生物量分别较对照下降29%和54%;当总量达到3446.6mg/kg时,分别下降81%和85%。,37,(三)污染物对微生物的毒害,1对微生物数量和种类的影响 另有研究表明,土壤中Cu2+浓度小于100mg/kg时
13、,土壤中真菌的种类为35种,而中等污染土壤(Cu2+浓度为1000mg/kg)中为25种,在重度污染条件下(Cu2+浓度为10000mg/kg)时为13种。,38,酸雨对土微生物数量的影响(1000个/g干土)(周崇莲等,1987),39,2对土壤酶活性的影响,土壤酶是存在于土壤中、具有生物酶催化功能的蛋白质体系。土壤酶部分来源于植物根系的分泌和土壤中的有机残体,但主要来源于微生物的生命活动。研究发现大多数污染物能使土壤酶活性水平下降。对重金属污染下13种土壤酶的研究发现,与土壤碳循环有关的酶受到胁迫较小,与土壤N、P、S等循环有关的酶受胁迫显著。在轻度污染浓度下(Zn、Cu、Ni、V、Cd分
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