第五章 生物对污染物的抗性.ppt.ppt

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1、第五章 生物对环境污染物的抗性,环境中各种各样的污染物对生活于其中的生物是一种逆境胁迫因子，它们在分子、细胞、组织、器官、个体、种群、群落以及生态系统等各个组织层次上对生物产生多方面的影响。一般说来，生物对各种不良环境具有一定的适应性和抵抗力，称为生物的耐性(tolerance)或抗性(resistance)。,生物对污染物的抗性机制是外部排斥和内部忍耐的综合结果。生物处于污染胁迫条件下，一方面通过形态学机制、生理生化机制、生态学机制等将污染物阻挡于体外；另一方面通过结合固定、代谢解毒、分室作用等过程将污染物在体内富集、解毒，这两方面的综合结果形成抗性。其中生物的解毒是抗性的基础，解毒能力强的

2、生物一般都具有较强的抗性，但解毒不是抗性的全部，抗性强的生物不一定解毒能力就强。,“矿毒不知”的大麦品种，该品种生长在群马县渡良獭川流域的铜污染严重地区，在其他麦类均不能生长的情况下，这种大麦仍能够正常生长，因此，被命名为“矿毒不知”为了控制农田杂草和病虫害，人类投入了大量的各种各样的农药。在开始使用农药的时候效果很显著，基本上起到了控制作用。但连续使用几年之后，人们发现同类农药已经不能控制同类杂草或病虫害了，原因是杂革、害虫或病原微生物获得了对这类农药的抗性。在石油、洗涤剂等有机物污染严重的地方有些微生物能够正常生长并且大量繁殖。,生物获得抗性的途径可概括为以下几种：拒绝吸收，结合钝化，代谢

3、转化，排出体外，改变代谢途径等过程。生物对环境的抗性有利也有弊？,5.1植物的抗性机制,早在1937年苏联学者根据多年的研究将植物抗性划分为三大类：生物学抗性、形态解剖方面的抗性和生理生化方面的抗性 还有人将植物抗性划分为7类：结构、再生、生理、生化、休眠、种群及群落的抗性等,Macnair M R(1978)参考了大量文献后，将抗件途径归纳为三个方面*即：避性(avoldance)例如，植物可以防止重金属进入体内；鳌合或代谢转化进入体内的污染物，使其失去毒性；改变细胞的生理生化过程，使其对毒物的敏感性降低,1植物的避性,对生物来说，将污染物排斥于体外，使其不能进入体内是一种非常有效的方法。这

4、样就无须消耗大量物质和能量来结合、分解污染物。关闭气孔阻止气态污染物进入体内；分泌有机物质到根际，改变根际的理化环境，使污染物的可移动性降低；增厚植物的外表皮或在根周围形成根套等。,(一)植物对气态污染物的避性,气孔的阻碍作用,外表皮的阻碍作用,叶片角质层、表皮层、木栓层以及叶表附属物是植物的防御机构，可减少毒气进入叶内。厚的角质层及木栓层都可提高植物对气态污染物的抗性。,(二)植物对土壤污染物的避性,不吸收或少吸收污染物是生物抵抗污染胁迫的一条重要途径，但目前有关这一抗性途径的分子机制仍知之甚少，一些实验结果甚至相互矛盾。,一般认为生物不吸收或少吸收污染物的机制与生物外分泌物有关，如植物的根

5、分泌物 研究玉米对铝的抗性时发现，铝胁迫可激发抗铝型玉米根尖迅速释放大量柠檬酸和无机磷酸盐 研究小麦抗金属性时也发现，铝胁迫可引发小麦根尖释放苹果酸，并且这种苹果酸的释放可被阴离子通道拮抗剂所抑制，故推测苹果酸是通过阴离子通道释放的，此离子通道受铝离子调节,植物对重金属的吸收还被认为与植物根系的阳离于交换量(CEC)有关，有研究认为细胞壁阳离子交换量越小，植物对重金属的吸收量也越少。根是植物体分布在地下的主要吸收器官，土壤中的污染物主要通过根进入体内。因此，根的屏蔽作用对植物体耐受土壤污染的贡献是很大的。在土壤污染的情况下，有些植物具有不吸收或少吸收污染物的特性，即避性较强，而另一些植物却没有

6、这种能力或能力较弱，土壤污染物容易进入体内。,抗性植物可以通过多种方式排斥根对污染物的吸收，例如分泌化学物质到根际环境，改变根际的理化性质如pH、氧化还原性质等，从而降低污染物的生物有效性。同时，根分泌的化学物质对微生物有利，大量的微生物聚集在根周围，其中有些微生物具有吸收、富集、分解污染物的作用，这种“根际效应”对污染物的屏蔽作用也是不可忽视的。一般说来，植物至少有三种不同的过程可以改变根际污染物的浓度或活度：向根际分泌鳌合剂；形成跨根际氧化还原梯度；形成跨根际pH梯度,1 根际pH的变化,根际PH的变化从多方面影响着根际环境，影响着诸如植物生长以及根际土壤中各种矿质养分的化学和生物学有效性

7、；根系对重金属元素毒害作用的忍耐程度；根系对营养元素的吸收作用；根系分泌物的种类和数量；根际微生物的种类、数量以及根际酶的活性等。根际pH值的变化在一定程度上调节着植物对土壤污染物的吸收。,研究表明，在环境污染条件下，植物具有主动调节根际pH的能力；例如，有些植物在遭受铝毒害时，根系分泌OH-增多，使根际pH上升。形成根际到土体pH由高到低的梯度分布，使铝沉淀在根表，减少根系对铝的吸收(张福锁，1993),2氧化还原性质的改变,不同价态的重金属的生理生态毒性不同，而金属价态的变化与土壤氧化还原状态有关。有的植物具有改变根际氧化还原状态的机制，如生长在锰污染土壤上的植物能够分泌具有氧化作用的物质

8、到根际环境，将Mn2+氧化成Mn4+而减轻毒性。,3根分泌物对污染物的结合、降解作用,根分泌物中含有有机酸、氨基酸、糖类物质、蛋白质、核酸以及大量其他物质。这些物质能同根际土壤中的污染物结合，使其移动性降低。根际游离金属离子如果与从原生质膜中分泌到根际的鳌合剂形成稳定的金属鳌合物复合体，其活度就会降低(严小龙等，1997)。,有些受到金属污染的植物根尖能够分泌出胶状物质(主要成分为多糖)，这些胶状物质与铝、铜、镉等金属离子有比较强的亲和力，能够将大量的金属离子滞留在根外,土壤中的酶类对土壤污染物的分解转化至关重要。在土壤农药的降解过程中有许多酶的参与。如过氧化氢酶、多酚氧化酶、转化酶等。许多污

9、染物在根际土壤酶的联合作用下被降解成为无毒或低毒的物质。植物根分泌的酶类是土壤酶的主要来源。姜岩等(1992)的研究表明，种植作物的土壤酶活性明显高于非种植土壤，出现酶活性的高峰期也在作物生长旺盛期。土壤酶的这种作用对减少植物对污染物的吸收具有重要作用。,4根际效应的作用,根分泌物可为微生物提供能源物质，将大量具趋化作用的微生物聚集在根周围，从而产生“根际效应”，其中有些微生物具有净化土壤中污染物的作用。凤眼莲以其高效、清洁、极强的降酚和耐酚性能而较广泛地应用于含酚污水的治理中，而根际细菌的存在提高了凤眼莲对酚的抗性,对菌根的研究表明，菌根真菌与植物在长期的生物进化过程中形成了互利关系，菌根真

10、菌从植物获得其生长所必需的糖类、维生素和氨基酸等。而菌根的形成可以明显改善植物对水分、营养物质的吸收，也大大增强了植物对根系病害、干旱、土壤温度变化等环境压力的抵抗能力。植物受到环境污染物的胁迫时，菌根真菌在缓解污染物的毒害作用方面具有重要作用。菌根真菌和其他微生物一样，能够降解、转化环境污染物，如多氯联苯、除草剂等有机污染物，而且能够吸收、富集环境中的金属等无机污染物，从而降低根际环境中污染物的浓度，减少了污染物进入植物体的机会,5.1.2植物对污染物的结合钝化作用,污染物进入植物体内以后，还会遇到生物体其他的抵抗作用。抗性植物具有使进入到体内的污染物变成安全、低毒的结合态的机制，使污染物不

11、能达到敏感分子或器官，也不参加代谢，正常的新陈代谢可免遭扰乱。细胞壁、细胞膜和细胞中的其他成分均具有这种结合钝化作用。,(一)细胞壁的作用 细胞壁是结合、固定污染物的重要部位。因为细胞壁果胶质中的多聚糖醛酸和纤维素分子的羧基、醛基等基团都能够与重金属等毒物结合。林治庆等(1989)研究了木本植物对汞的抗性，发现木本植物根细胞壁对汞存在较强的亲和力，在木本植物对低浓度汞的抗性方面具有重要意义。,(二)细胞膜的作用 细胞膜上的蛋白质、糖类和脂质也能够结合透过细胞壁的污染物。研究表明当环境中的铅浓度相当大时，也有部分铅透过细胞壁，在细胞膜上沉积下来。,(三)细胞质和液泡的作用,细胞质和液泡中具有许多

12、能够与污染物结合的“结合座”，当部分污染物突破细胞壁和细胞膜进入细胞质后，就能够和细胞质中的蛋白质、氨基酸的羧基、氨基、琉基及酚基等官能团结合，形成稳定的鳌合物，从而起到钝化作用。其中难溶性硫化物的络合作用尤显重要(Bella，l975)。农药及其代谢产物的分子结构中含有OH-、-COOH、-NH2、NH、-SH和活性氯极性基团都有可能与细胞质及液泡中的这些物质结合成各种农药轭合物(王焕校，1990)。一般认为，扼合作用是生物抗性的一个重要机制。,金属离子与细胞质中蛋白质和其他有机化合物中的琉基以及其他基团有很强的亲和力，因此，进入体内的金属离子常与蛋白质结合而降低毒性。杨居荣等(1995)的

13、研究表明，耐铜性较强的作物(如小麦)，其诱导蛋白质结合镉的能力也比较强。,生物将污染物运输到体内特定部位，使污染物与生物体内活性靶分子隔离是生物产生抗性适应性的又一途径，这一作用被称为生物的屏蔽作用(seques-tration)或隔离作用(conpartmentalization)。有关此适应途径的分子机制目前还不太清楚，研究结果也不太一致，尚需进一步深入的研究。有些污染物及其扼合物被输送进入液泡，在一定程度上不能扩散出来，也不能主动地输送回细胞质中，因此，液泡在植物抗性中承担着隔离有毒污染物及其代谢产物的重要作用。,液泡对百草枯及其代谢产物的隔离作用是这种植物具有对百草枯抗性的原因之一(黄

14、建中等，1995)。Fuerst等(1990)研究指出，植物对除草剂百草枯的抗性与植物对百草枯的屏蔽作用有很大关系。植物细胞内一种未知成分与百草枯结合，并将其运至液泡内储藏，使其与叶绿体中的作用位点隔离，使百草枯的毒性不能发挥,Brooks等用离心的方法研究抗重金属植物体内重金属的分布，结果表明抗Ni的庭芥属植物Alyssum sepyllifolium细胞中72的Ni分布在液泡中 Vazquez利用电子探针技术研究了抗重金属的遏蓝菜属植物Thalaspi caerulesuens体内锌离子的分布，结果显示根内的锌离子大部分分布在液泡中，细胞壁上相对较少，叶片组织内，在低锌处理时液泡与质外体中

15、的锌浓度几乎相等，但用高浓度锌处理时，液泡内的锌离子浓度明显高于质外体 液泡是生物储藏有害物质的主要场所,5.1.3植物对污染物的代谢转化作用,虽然植物具有拒绝吸收、结合钝化环境污染物的抗性机制，但在污染物浓度较高，体内的“结合座”达到饱和的情况下，为了避免受害，植物对污染物的代谢转化作用就变得必不可少了。,不少外来有毒物质通过机体内酶促反应，可以转化成低毒或无毒物质，或转化为水溶性物质而利于排出体外，生物对外来毒物的这种防御机能称为解毒作用。污染物在生物体内酶的作用下，通过氧化、还原、水解、脱烃、脱卤、羟基化和异构化作用，逐步代谢为毒性较低或完全无毒的物质。植物对农药有机物的代谢转化作用是很

16、强的，许多有机物如酚、氰等进入植物体后，可以被降解为无毒的化合物，甚至降解为二氧化碳和水。植物对二氧化硫的氧化作用也很典型，二氧化硫在植物体内能够形成一种毒性很强的亚硫酸，但在植物体内又很快被氧化成硫酸根离子，使毒性降低凤眼莲对酚、毒杀酚、灭蚊灵及氰等多种有机污染物都具有降解能力。,(一)植物对农药的分解转化作用,l 氧化作用 农药的氧化作用在植物体内非常普遍，常常是导致农药毒性降低的主要反应。主要的氧化反应有：脱烃作用、芳香族羧基化作用、烃基氧化作用、环氧化作用、硫氧化作用和脱氢作用等。芳香族羧基化作用在除草剂代谢中可能是最普遍的反应。2，4-D在禾本科杂草和阔叶植物种类中发生芳香基的羧基化

17、作用形成4甲基-2，5-D，是2，4-D代谢的主要途径。4-羟基-2，5-D没有像其母体2，4-D那样的生长素活性，被认为是解毒作用的一个产物。N-脱烃作用也是除草剂代谢中非常普遍的氧化作用。灭草隆的N-脱甲基作用是在植物体内的氧化酶作用下的代谢解毒反应。,2还原作用 芳基氮还原反应是植物中最重要的除草剂反应。不过从解毒的角度来说，这种作用在植物中不是一个重要的解毒机制。3水解作用 在植物中酯、酰胺等类除草剂的水解作用很普遍。许多羧酸酯类除草剂在植物中易于水解成为游离酸的形式。2，4-D形成的酯类很容易被水解，清草津可以被水解成酰胺类和酸类化合物，氯取代基水解作用形成羧酸代谢物羧基-s-三氮苯

18、类似物。这些过程都可使农药在植物体内得到分解转化而解毒。事实上，植物对同一种农药的分解转化作用涉及到许多代谢作用，是许多步反应的综合结果。其中既有氧化、还原作用，也有羟基化或脱烷基作用。,(二)植物对其他有机污染物的分解转化作用,除农药外，环境中的有机污染物还有石油、洗涤剂、塑料和其他大量造纸、印染等工业生产带来的有毒物质。藻类和高等植物都具有分解转化这些有机物质的作用。,邻苯二甲酸酯类是广泛使用的人工合成有机物，主要作为塑料和橡胶等化工产品的增塑剂，苯胺是印染工业中广泛使用的染料。中国环境监测总站根据有机化合物的污染特征及分布，结合国内外的文献资料。已将两者列为我国优先控制的有机污染物。阎海

19、等(1995，1998)通过实验证实了蛋白小球藻、斜生栅藻具有很强的降解邻苯二甲酸酸类和苯胺的能力。,风眼莲等其他水生和陆生高等植物对有机污染物的分解转化作用也很强。风眼莲对液体燃料偏二甲苯、甲基肼和无水肪(三肼)具有很强的降解能力，当用风眼莲将污水中的肼浓度从1060 mg/L净化至0.1mg/L时，肼的降解速率是自然降解的二倍以上(曾健等，1997)。,四、植物在污染物存在下改变代谢途径、发生遗传变异、降低污染物与靶分子的亲和力,改变代谢方式是生物抵抗环境污染物毒害的有效措施之一(一)D-1蛋白 是三氮苯类和脲类除草剂的靶分子，这两类除草剂是光合作用抑制型除草剂，它与光系统2反应中心的D-

20、1蛋白结合，竞争质体醌在D-1蛋白上的结合位点，从而打断了植物体中正常的光合电子传递，抑制植物的光合作用。,发现叶绿体PsbA基因在抗药型与敏感型的核苷酸序列间有三处差异，其中两处差异为无义突变，不导致氨基酸的变化，而另一处变化是使原来敏感型中的丝氨酸变为抗药型中的甘氨酸。在对龙葵的研究也发现敏感野生型D-1蛋白肽链第264位的丝氨酸变成抗性突变型中的甘氨酸(朱守焊等，1989)。D-1蛋白基因PsbA具有高度保守性，发生部分位点突变只产生除草剂抗性生物型，而不导致光合能力的散失、所有突变体均可进行光合自养。,五、植物对污染物及其代谢产物的排出作用,(1)生物体对污染物来说只是一个通道，污染物

21、进入体内后不经过任何转化即排出体外。(2)污染物进入体内后很快与体内物质结合后排出体外。(3)污染物经过氧化、还原、水解后直接排出体外。(4)污染物经过体内氧化、还原、水解后再与其他物质结合后排出体外。,植物虽然没有类似动物那样专门的排泄系统，但是可以通过其他的途径将污染物及其代谢物排出体外。活的植物对于金属、类金属的排出往往通过根系分泌作用，而气态污染物可以通过叶面呼吸带走对于农药等有机共扼化合物则可以通过叶片或其他器官的衰老脱落而排出体外。,六、植物的其他保护系统,已知环境污染、逆境伤害导致的机体老化、死亡和有关的酶反应中，都可能涉及到自由基对植物膜系统的伤害。例如，除锈剂Paraquat

22、能够诱生有害的自由基，特别是生成氧自由基，从而伤害植物细胞的膜系统。但是植物体自身有一种保护系统来清除产生的自由基，以减轻环境污染物带来的危害。SOD、POD、CAT是保护系统的主要酶，它们和谷肮甘肽、多胺等物质一起，能够清除细胞内的自由基。,植物如何感知逆境胁迫，并如何快速作出反应，是人们一直十分关心的问题。已有证据表明，大多数已知的逆境响应基因均受ABA的诱导，在缺少ABA的情况下，许多逆境响应基因不能表达，而当施入外源ABA时这些逆境响应基因又重新表达。,七、植物的抗性指标,(1)形态解剖指标 如气孔构造、栅栏和海绵组织的比例、角质层和木栓层的厚度及根套的有无等。(2)生理生化指标 如细

23、胞膜透性、细胞质含水量、酶系统活性及细胞内结合物质(如谷胱甘肽、类金属硫蛋白等)的含量等。(3)生态学指标 如根的分布特性、根际效应状况等。,5.2 动物的抗性机制,5.2.1动物对污染物的避性王振中等(1990)对湘江流域工业区的土壤动物群落研究表明，接近污染源和污染物质富集的农田，土壤动物的种类和数量减少，土壤动物密度与重金属元素Hg、Cd、Zn、Cu、As和Pb的浓度密切相关。一般说来，没有受污染的自然土壤和耕作土壤中，土壤动物的垂直递减率非常明显，但是污染区的土壤，特别是受污染影响严重的土壤则完全不同，垂直变化异常，出现逆分布现象。这种现象部分是因为污染物进入土壤后大多在表层滞留富集，

24、土壤动物为避开污染环境而移到污染物浓度较低的下层土壤。,5.2.2动物对污染物的结合钝化毒物在机体内的吸收、分布、代谢和排泄过程是一个极为复杂的过程，涉及许多屏障、其中之一是污染物在动物体内经多种方式被结合、固定下来，使其不能达到敏感位点(称“靶细胞”或“靶组织”)；牡蛎是双壳类浅海底栖动物。翁焕新(1996)研究了重金属在牡蛎中的生物积累特性，发现重金属在贝壳中的积累量很高。这在一定程度上缓解了重金属对牡蛎机体的毒害。有些污染物进入动物体内后被固定在骨骼中。,各种脂溶性有毒污染物进入组织后，多数要与体内的某些化合物或基团结合，使毒性减低，极性和水溶性增加，从而可以迅速随尿液或汗液排出体外。动

25、物中常见的结合反应有6种，即葡萄糖醛酸、硫酸、乙酰化、甲基化、甘氨酰基和谷胱甘肽的形成。,谷胱甘肽是机体内存在的一种最重要的非蛋白巯基。它具有重要的生理功能，其解毒作用的机制主要有三个方面：(1)为亲电子物质或其他氧化代谢物提供巯基，形成无毒的加成物。例如，还原型谷胱甘肽中的巯基可以与污染物中的碳原子结合，还可以与亲电子的金属离子结合，所以是重要的解毒物质。(2)阻断亲电子污染物及其代谢物与重要的生物大分子的共价结合，使其保持正常代谢。(3)对脂质过氧化作用的抑制及对自由基的清除。,金属硫蛋白(Metallothionein，MT)的形成是生物解毒的重要方面。金属硫蛋白的生理学作用很多，这里主

26、要强调它对金属离子的解毒作用。目前研究最多的是Cd-MT。实验证明动物经口或腹腔吸收Cd时，其肝、肾等器官中MT的含量增加。MT能够与Cd等金属离子结合，使这些金属离子失去毒性。,5.2.3动物对污染物的分解转化污染物进入动物体后，在体内经过水解、氧化、还原或加成等一系列代谢过程，改变其原有的化学结构，生理活性也相对减弱，加速了从体内排泄的过程。,通常，转化是将亲脂的外源性污染物转变为亲水物质，以降低其通过细胞膜的能力，从而加速其排出。不少有机磷化合物主要以这种方式在体内解毒。如敌百虫或敌敌良等农药污染物进入动物体内后，尿中常有二甲基磷酸排出；对硫磷及其体内的氧化物对氧磷，在水解时均产生对硝基

27、酚，并由尿排出；乐果等含酰胺基的有机磷农药可经酰胺酶水解而解毒。,5.2.4动物对污染物的排泄作用(一)肾排泄(二)肝胆排泄(三)呼吸道排泄(四)其他途径排泄,5.3微生物的抗性机制,5.3.1微生物对污染物的避性(一)形态学性避性-荚膜(二)生理学避性 1沉淀作用，2胞外络合作用，3细胞壁结合作用5.3.2微生物对污染物的分解转化(一)微生物对金属离于的转化作用,(二)微生物对有机污染物的分解转化作用1微生物对农药的分解转化作用：脱卤作用、脱烃作用、酰胺及R基水解、氧化作用、还原作用、环裂解及缩合或共轭形成等几种方式。,2微生物对氰和脂的分解,分解氰和氰化物的微生物有诺卡氏菌属，腐皮镰孢霉属

28、、木霉属和假单胞菌属等14属。,3微生物对合成洗涤剂的分解转化,5.3.3微生物对污染物的结合、钝化作用,略,5.3.4微生物对污染物的外排,微生物除了分解、转化污染物外，还能够将进入体内的污染物排出体外。在金色葡萄球菌的革兰氏阳性细菌中存在对铜、锌离子外排的LadCA阳离子外排系统。CadCA基因位于质粒p1258上，编码两种蛋白，小蛋白由122个氨基酸组成，是含有三个金属结合部位的可溶性蛋白称CadC蛋白，其具体功能尚未确证，但推测可能从细胞中捕获镉、锌离子，将其输送至CadCA蛋白。CadCA蛋白为CadCA基因编码的大蛋白由727个氨基酸组成，是位于膜上的泵蛋白，具有E1E2型ATP水

29、解酶活性，在膜内有通道。CadCA蛋白在细胞内有4个结合位点ATP结合位点、蛋白激酶结合位点、能量传导结构域和底物结合位点。,5.3.5质粒与微生物的抗性抗性质粒与微生物对环境污染物的抗性关系密切。,5.6净化生物的筛选净化生物是指能够把环境中的污染物吸入体内，并且能够在体内富集、降解，从而减少环境中污染物含量的生物体。自然界几乎所有的生物都有净化环境的能力，但净化能力的强弱差别很大。净化生物必须有一定的抗性，能够在污染环境中正常生长,具体的筛选方法有：(1)实地调查污染环境：在污染环境中，调查、筛选优势植物、动物、微生物种群。一般说来，污染环境中的优势种都是抗性种。分析抗性生物的抗性机制，污染物含量对于那些富集、分解能力较强的生物可以被筛选为净化生物。,(2)人工染毒对比试验 在实地调查的基础上，对生物进行人工染毒处理，分析生物在模拟条件下的净化能力，评定净化等级。,为了避免污染物的二次污染问题，在筛选净化生物的过程中需要注意以下几个方面：不能把农作物作为净化植物：采用其他植物时，不能利用这些植物的残体还田；不能用肉用动物来净化环境：不能用病原微生物净化环境。,完,