第五章污染物对生物的影响

1、第五章 污染物对生物的影响内容提要：本章阐述了污染物对生态系统在各级生物学水平上的影响，重点介绍了污染物在分子、生化、细胞和个体水平上影响。介绍化学污染物对生物联合作用的基本概念。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。污染物进入生物机体后，经过生物体内的代谢，一些污染物被代谢成无毒的物质排出体外，另一些污染物或一些污染物的代谢产物产生对生物的不利的影响。生物系统包含不同的生物学水平，如表2-1。大量的研究表明，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，如图2-1所示。下面分别阐述

2、污染物在各级生物学水平上的影响。第一节 污染物在生物化学和分子水平上的影响污染物进入机体后，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；另一种不起保护作用，称之为非防护性生化反应，表2-2列出这两种类型的一些例子。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。例如，有机污染物常常可以诱导一些酶的生成，使新陈代谢发生变化。在机体酶系统中最重要的是细胞微粒体酶系统，如混合功能氧化酶系统，它的功能是增加水溶性代谢物和结合物的生成速率，从而很快地被排泄

3、到体外，在这种情况下，代谢起解毒作用。然而，同样主要的是新陈代谢的变化可导致活性代谢物(如致癌物或有机磷杀虫剂)的生成，可使细胞受到比母体化合物更大的伤害。非防护性生化反应有多种多样，其作用机理也多样化。非防护性生化效应的结果之一是产生对生物体有害的影响，例如乙酰胆碱酯酶的抑制。一、对生物机体酶的影响生物机体的生物化学过程是构成整个生命活动的基础，酶在这一过程中起着重要的作用。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相互作用。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

4、活性。酶数量和活性的影响将导致生物机体体内一系列的生物化学变化。(一)酶活性的诱导早在30年前，有人在研究氨基偶氮染料N一脱甲基化作用时发现，用这种物质和其他外源化合物处理哺乳动物，能明显提高动物代谢偶氮染料的能力。后来证明，是由于微粒体酶含量增加的结果。至今发现有许多不同化学结构的化合物，能诱导混合功能氧化酶和其他酶。这些化合物包括药物、杀虫剂、多环芳烃和许多其他化合物，其中大量是存在环境中的污染化合物。这些能诱导酶的化合物大都属有机亲脂性化合物，并且有较长的生物半衰期。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。在诱导过程中，细胞光面内质网明显增生，微粒体蛋白含量增加及RNA与磷

5、脂含量增加。还发现肝细胞有丝分裂增加，肝脏增大。当加入蛋白质合成抑制剂后(如放射菌素D，嘌呤霉素)，诱导作用消失。当用放射性同位素标记的氨基酸进行研究时，发现在酶诱导活性增加时微粒体蛋白合成的速度增加。应用RNA和DNA代谢抑制剂，发现诱导作用发生在转录水平上，并不需要新的DNA合成。有人认为，外源性化合物诱导酶蛋白合成，主要是操纵基因去阻遏作用(Depression)。酶蛋白的合成受结构基因、操纵基因和调节基因三种基因的控制。结构基因含有酶蛋白合成信息，通过转录和翻译过程指导酶蛋白的合成。结构基因DNA转录成mRNA的速度由操纵基因控制。调节基因形成内源基因阻遏(调节)蛋白，作用于操纵基因使

6、之失活，中止结构基因的转录过程，进而使酶蛋白合成停止。外源性化合物与阻遏物形成复合物，使阻遏作用失效，故操纵基因不受阻遏，结构基因指导酶蛋白合成增加。目前已发现许多环境污染物能诱导生物机体体内一些酶活性增加，在这些环境污染物中，大多属于有毒有害的有机化合物，它们来自各种工业废水、生活污水、农业废水和固体废弃物，例如有机氯杀虫剂、多氯联苯(PCBs)、多环芳烃(PAHs)、表面活性剂、增塑剂和染料中间体等等。目前研究较多的被诱导酶有：污染物在生物体内进行生物转化过程中的相I和相酶，如混合功能氧化酶系(MFO)、谷胱甘肽转移酶(GST)和尿二磷酸葡萄糖苷转移酶(UDPGT)等等；抗氧化防御系统的酶

7、系，如过氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶等等，以及动物血清中的酶类。下面举例说明污染物对一些酶的诱导作用。1.混合功能氧化酶(MFO)混合功能氧化酶是污染物在体内进行生物转化相I过程中的关键酶系。也许早在20亿年前，生物为抗衡自然产生的有毒物质就发展了这一酶系统，现在它们对人工合成化学品解毒发挥了重要的作用。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：细胞色素P450、NADPH细胞色素P450还原酶(或NADH-细胞色素b，还原酶)和磷脂。混合功能氧化酶引起的生物转化的反应特征相同，但底物、产物的化学特性差

8、别很大，即具多种催化功能。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。细胞色素P450是电子传递系统末端氧化酶，是底物直接连接部分，因而决定反应的专一性。多克隆抗体和cDNA探针研究已表明：细胞色素P450基因有多种形式，根据基因序列和染色体定位，确定了总族、族、亚族，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。尽管在哺乳动物、鸟类、爬行类、两栖类、鱼类和一些无脊椎动物中都具有混合功能氧化酶，但具有明显的物种差异性和多样性，如多环芳烃诱导在不同鱼中的混合功能氧化酶(表2-3

9、)。许多学者从酶活性、酶蛋白和mRNA三个水平上研究发现，许多外源性化合物能诱导生物体内混合功能氧化酶，例如研究发现，被多氯联苯和多环芳烃污染的河水对鱼混合功能氧化酶(CYPlAl)具有诱导作用。混合功能氧化酶的活性诱导剂主要有三类：药物诱导剂苯巴比妥型，包括许多药物、杀虫剂等；致癌物诱导剂3-甲基胆蒽型，主要包括苯并(a)芘等多种多环芳烃类；甾族诱导剂如螺王内酯。苯巴比妥型诱导剂诱导的肝脏混合功能氧化酶活性大量增加，包括对硝基甲醚的O-脘甲基化作用、甲基苯异丙基苄胺的N-脱甲基作用、戊巴比妥化作用、艾化剂环氧化作用，以及许多其他的氧化作用，但芳烃羟化酶活性的增加不显著。3-甲基胆蒽型诱导剂诱

10、导的混合功能氧化酶活性范围较小，主要是芳烃羟化酶。甾族诱导剂主要使NDDPH-细胞色素P450还原酶活性增加。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，其参与的重要化学反应(详见第一章第三节)。从生理作用来看，它参与体内的胆固醇、胆汁酸、类固醇、激素、维生素D的生物合成和代谢；从解毒作用来看，许多外源性化合物，如多环芳烃和药物，都经该酶系统代谢，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

11、癌物，混合功能氧化酶及其他代谢酶的诱导对化学致癌作用的影响，目前正在进行进一步研究。由于环境中污染物众多，有时含量极低，用化学法往往无法检出，因而，污染水平与生物效应之间的关系也很不清楚。然而，应用混合功能氧化酶活性的诱导作用，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。例如，许多研究表明鱼体内的混合功能氧化酶的诱导反应极为敏感，在污染水体中鱼的EROD和AHH活性都有明显升高，并且鱼体内混合功能氧化酶的诱导有很好的剂量一效应关系。早在20世纪70年代中期，就建立了

12、以诱导鱼体内混合功能氧化酶活性来监测海洋石油污染的方法。然而，混合功能氧化酶的诱导不仅受大量的天然化合物、人造化合物的诱导，也受到其他因素的影响，如温度、食物等，因此，利用混合功能氧化酶的诱导监测环境质量的变化和污染物对生态系统的危害，目前在野外现实环境中未广泛开展，还在不断地研究之中。2.抗氧化防御系统酶在长期进化中，需氧生物发展防御过氧化损害的系统(Antioxidant Defense)，其组成包括：水溶性组分如谷胱甘肽(GSH)、维生素C；脂溶性组分，如维生素E、-胡萝卜素，酶如谷胱甘肽过氧化酶(GPx)，超氧化物歧化酶(SOD)，过氧化氢酶(Ct)等。在生理状态下，许多体内代谢可产生

13、活性氧(Activiated Oxygen或Oxyradicals)，活性氧是带有23个电子的分子氧还原产物，主要有·OH、O2-和H2O2。这些体内代谢包括不同酶活性反应(如葡萄糖氧化酶)；线粒体、微粒体和色素体的多酶电子传递链(如混合功能氧化酶)；白细胞的吞噬作用(如巨噬细胞)。例如，在生理条件下，·OH可由离子催化Haber-Weiss反应产生(2-1和2-2)。由体内代谢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。然而，当某些种类污染物如醌类、多环芳烃、多氯联苯和金属螯合剂等在生物体内进行生物转化时，同时产生了氧化还原循环(Redox cycle

14、)，这样，不仅母体化合物产生的中间体产物本身是自由基代谢物，可与核酸、蛋白质共价连接，产生毒害，而且在氧化还原循环中产生了大量的活性氧。在一定范围内，这些活性氧能被体内抗氧化防御系统清除。但当体内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(Oxidative Stress)或氧毒性，如图2-2。在这些活性氧产生和转化中，抗氧化防御系统酶起着非常重要的作用，它们可被参与氧化还原循环的污染物所诱导。(1)超氧化物歧化酶(SOD)：超氧化物歧化酶(Superoxide Dismutases，SOD)在抗氧化防御系统中起重要的作用，催化O2

15、生成H2O2(2-3)，是一类高诱导性酶。超氧化物歧化酶存在于多种需氧生物中，有三种典型的同工酶，并具不同的金属中心(表2-4)。已发现许多化学污染物能诱导SOD活性，例如当植物菌根菌(赭丝膜伞)暴露于酸性条件和铝离子下，能诱导菌根体内SOD升高。这些化学污染物包括：大气污染物，如O3；直接作用氧化物，如H2O2和有机超氧化物；氧化还原循环化合物，如多环芳烃。SOD活性诱导不仅可提示污染物的作用机理，而且可以监测和评价污染物对生态系统的损害。(2)谷胱甘肽过氧化酶(GPx)：谷胱甘肽过氧化酶(Glutathione Peroxidase， GPx)是以H2O2作为底物，催化形成H20，消除H2

16、02(24)。它也能催化有机过氧化氢物还原成相应的醇，例如ROOHROH。前者在抗氧化防御系统中起重要的作用，后者在脂质的氧化过程中起重要的作用。许多研究表明，当植物暴露于大气污染物O3、SO2和NO2以及SO2和NO2混合物时，植物体内谷胱甘肽过氧化酶活性显著地增加，已有学者(Petit)根据植物体中谷胱甘肽过氧化酶活性的变化绘制大气污染图谱。相对植物而言，污染物对动物体内谷胱甘肽过氧化物酶的影响研究较少。但已发现不同鲤科鱼类，暴露于百草枯(Paraquat)时，不同组织中谷胱甘肽过氧化酶活性明显升高。当大鼠暴露于O3时，其肺组织中谷胱甘肽过氧化酶活性也明显升高。(3)过氧化氢酶(Ct)：过

17、氧化氢酶(Catalases，Ct)是通过下列反应去除H2O2(25)。一些过氧化酶能还原脂质过氧化物和H202，但过氧化氢酶仅能分解H2O2。一些研究表明，暴露于百草枯(Paraquat)的鼠和兔细胞组织中过氧化氢酶活性明显升高；水生生物(鲶鱼)暴露于两种混合污染物后，过氧化氢酶活性增加1.5到2.5倍；鱼类暴露于漂白纸浆废水后，过氧化氢酶升高27倍。此外，水生生物暴露于受多环芳烃(PAH)污染的底泥后，其过氧化氢酶也明显升高。3.谷胱甘肽转移酶(GSTs)谷胱甘肽转移酶(Glutathione Transferases，GST)是污染物在体内生物转化相过程中的重要酶，具有许多同工酶。该酶的

18、生理作用是与不同的亲电性化合物或一些相I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。迄今的研究发现GSTs存在于所有的动物之中，肝是脊椎动物中GSTs的主要场所。鼠肝中的GSTs占可溶性肝蛋白的10%，而鱼肝中的GSTs也是可溶性肝蛋白的主要成分。GSTs被许多污染物诱导，如有机氯农药、多环芳烃(PAH)、和多氯联苯(PCBs)等。在哺乳动物，经PAH处理后，其肝脏中GSTs活性比对照组高1.52.0倍。在不同水生动物体内GSTs可被PAH诱导，其活性高于对照组2倍。野外研究发现，在同一条河流中，污染断面鱼体内肝组织和消化管组织中的GSTs含量和活性比清洁断面高出34倍。然

19、而。研究也发现 GSTs活性诱导受环境条件、生物种类和化合物性质的影响，存在着较大的差异。(二)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。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而引起的。典型的例子是有机磷农药对胆碱酯酶的抑制作用。有机磷农药分子中具有亲电子性的磷原子和带正电荷部分。正电荷部分与胆碱酯酶的负矩部分(氨基酸残基的侧链羟基)结合，亲电子性磷与活性中心酯解部分(丝氨酸残基的羧基)结合，形成磷酰化胆碱酯酶，结合相当稳定，因而使酶失去分解乙酰胆碱的作用，引起一系列的中毒反应。铅、汞等重金属

20、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，是不可逆性抑制。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。非竞争性抑制剂能与游离的酶结合，也可能与酶一底物复合物结合。最常见的非竞争性抑制是某些污染物与酶分子中半胱氨酸残基的巯基可逆性结合，引起酶构型改变，使酶活性受到可逆性但非竞争性抑制。CO、氰化物、H2S和叠氮化合物，能与细胞色素氧化酶的铁结合，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。竞争性抑制作用的强弱取决于

21、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。例如，氨基喋呤、氨甲喋呤、5-氟尿嘧啶、6-巯基嘌呤等，它们抑制合成氨基酸以及嘌呤和嘧啶衍生物所必须的酶系统。嘌呤和嘧啶衍生物是合成核酸所必需，氨基酸是合成蛋白质所必需，这一作用就抑制了细胞的增殖。除上述抑制以外，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。例如，有机氟代烷的毒性，取决于是否经体内-氧化生成氟乙酸。偶数碳的氟代烷，通过-氧化生成氟乙酸，氟乙酸可活化成氟乙酰辅酶 A，进入三羧酸循环，生成氟柠檬酸，而氟柠檬酸抑制了乌头酸酶，阻

22、断细胞内重要的产能途径(三羧酸循环)。还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-酮酸氧化脱羧反应受阻。此外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CS2代谢生成的二乙基二硫代氨甲酸，能结合铜离子，使多巴胺-羟化酶活性下降，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。下面举例说明污染物对酶的抑

23、制作用。1.腺三磷酶(ATPase)腺三磷酶是生物体重要酶，存在于所有的细胞中，包括由不同离子活化及存在于不同细胞结构中的ATPase，在细胞供能活动、离子平衡等过程中起重要作用。早在研究有机氯农药如DDT的作用机制时，就发现DDT对Na+ K+ATPase，Mg-ATPase有抑制作用。至今已发现多种水生生物、鸟类、哺乳类等的多种组织，如脑、鳃、肾和肌肉等多种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。无论是离体实验和活体暴露，都表明有一定的剂量-效应关系存在，有的具有典型的毒性效应曲线。研究还发现，不同生物、不同组织对污染物反应有很大差异。经过近三十

24、年的研究， ATPase抑制已作为一项评价污染压力的指标。 2.乙酰胆碱酯酶(AchE)乙酰胆碱酯酶(Acetylcholinesterase，AchE)在神经系统的信息传导中起重要的作用。早在50年代，人们就发现有机磷农药和氨基甲酸酯农药对高等和低等动物的AchE具有明显的抑制作用，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、摄食能力和社会关系；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。对于野生脊椎动物研究的器官通常是大脑，这是有机磷和氨基甲酸酯农药的作用部位。研究发现AchE抑制具

25、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。一般认为，20%以上AchE抑制证明暴露作用存在，50%以上的 AchE抑制表明对生物的生存有危害。3.-氨基乙酰丙酸脱氢酶(ALAD) -氨基乙酰丙酸脱氢酶(Delta-aminolevulinic Acid Dehydratase，ALAD)存在于许多组织的细胞质中，其生理作用在合成血红蛋白中起重要作用。铅(Pb)能直接抑制鱼类、鸟类和哺乳类ALAD活性。血液中铅浓度与ALAD活性抑制具有典型的剂量-效应关系，随着血液中铅浓度增加，ALAD活性不断降低。由于ALAD测定方法简单和精确，目前把ALAD作为一

26、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酶(Protein Phosphatase，PP)广泛存在于细胞中，对任何一种蛋白质进行脱磷酸化作用。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一系列生化反应的紊乱，包括促进肿瘤形成过程。目前已发现，促癌物豆蔻酸乙酸大戟二萜酯(TPA)以蛋白激酶C为受体，而蛋白磷酸酶是逆转蛋白激酶C的主要酶，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

27、肿瘤剂。人们研究发现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酸，是迄今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。由于微囊藻毒素毒性大，易在软体动物、甲壳类等水生生物体内积累，而且可通过食物链迁移和生物放大，因此，微囊藻毒素的危害受到了广泛重视。近年来发现，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 污染物及其活性代谢产物可直接与生物大分子反应，共价结合，如蛋白质、核酸、脂肪酸等，导致生物大分子的化学性损伤，从而影响生物大分子的功能，引起一系列生物学反应，产生毒性效应。最早，Miller发

28、现化学物质与蛋白质的共价结合，其后Boyland等提出化合物与生物大分子共价结合学说。近年来这一学说有很大发展，成为中毒机理的重要理论之一。污染物及其活性代谢产物与核酸、蛋白质和脂质等不同生物大分子结合，其生物学后果不同。这种作用受到了污染物理化性质、生物机体、污染物代谢途径等多种因素的影响。例如，代谢活性产物与生物大分子结合取决于代谢物量，而代谢物量又取决于母体化合物的剂量、代谢酶活性、代谢产物与各种大分子轭合物的修复速率或被其他新的大分子取代的速度。并且活性代谢产物与生物大分子的结合也取决于靶相对分子质量，这是相当复杂的生物学和化学过程。在污染物及其活性代谢产物与生物大分子结合中，最典型的

29、方式是污染物及其活性代谢产物作为生物合成的“原料”，掺入生物大分子，导致生物大分子组成的功能性异常。如D-半乳糖胺在通常情况下，以乙酰化物存在于结构多糖中，给动物大剂量的D-半乳糖胺，D-半乳糖胺代谢物掺入糖蛋白及糖脂，产生细胞膜损害，最终发生动物肝损害。除与生物大分子结合外，污染物及其活性代谢产物还可以抑制生物大分子的合成，例如，蛋白质合成抑制、RNA合成抑制和DNA合成抑制。 1.对蛋白质影响蛋白质中许多氨基酸带有活性基团，如-OH基、胍基、-NH2、巯基等，这些氨基酸活性基团在维持蛋白质的构型和酶的催化活性中起重要作用。然而，这些基团易与污染物及其活性代谢产物发生反应，导致蛋白质化学损伤

30、，引起一系列的生物学后果(表2-5)，对细胞膜和亚细胞的损伤作用，最终可导致细胞死亡和组织坏死。近年来研究发现，污染物除导致蛋白质化学损伤作用外，亦可诱导生物机体内一些功能蛋白产生，如应激蛋白(Stress Proteins)和金属硫蛋白(Metallothionein)。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。金属硫蛋白是一种位于胞浆内的低分子蛋白，半胱氨酸含量极高，约30%，相对分子质量一般在6 0007 000，对热稳定，金属含量高。金属硫蛋白首次在马肾中被分离，目前已发现这种蛋白质广泛存在于原生动物、真菌、植物和所有的无脊椎动物和脊椎动物中。例如，水生生物的金属硫

31、蛋白最早在20世纪70年代报道，现在发现至少有80种鱼和水生无脊椎动物有金属硫蛋白，并有8种金属硫蛋白的一级结构已被证明。金属硫蛋白对二价金属离子具极高的亲和力，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。它可以被环境中的金属所诱导，如Cd，Cu，Zn， Hg，Co，Ni，Bi和Ag，而且这种诱导与环境中的金属浓度有相关性。例如，鱼类暴露于Zn，Cu，Cd等重金属均能诱导体内的金属硫蛋白；鱼暴露于Cd后，肝中金属硫蛋白与水体Cd浓度呈正相关；对贝类研究发现，Cd积累

32、与金属硫蛋白有关，金属硫蛋白在细胞内Cd解毒中起重要作用等等。因此，金属硫蛋白的诱导是一种保护性生化反应。 2.对脱氧核糖核酸(DNA)影响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，如正常细胞活动过程中的损伤，紫外线和放射性物质的直接损伤，外源性化合物及其活性代谢产物与DNA结合等等(图2-3)。DNA发生损伤的生物学后果是严重的，但细胞本身具有修复能力，一旦损伤发生，修复能力迅速被诱导，各种修复酶增加并被活化。如果损伤的DNA不能被修复，则产生DNA结构和功能影响，导致细胞死亡或细胞突变，产生遗传疾病。大量的研究表明，外源性化合物及其活性

33、代谢产物能引起DNA损伤。外源性化合物及其活性代谢产物与DNA相互作用及产生突变有一定的顺序，可分为四个阶段：第一阶段，形成DNA加合物(DNA Addeuts)；第二阶段，可能会发生DNA的二次修饰，如链断裂或DNA修复率提高；第三阶段，DNA结构的破坏被固定。在此阶段，受影响的细胞常表现出功能的改变，最常见的染色体异常是姊妹染色体交换；第四阶段，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。由此可见，外源性化合物及其活性代谢产物与DNA相互作用形成DNA加合物是产生DNA损伤最早期的作用，随后产生的最重要的影响是DNA结构改变，包括碱基置换、碱基丢失、链断裂等。

34、DNA分子中，碱基、或糖及磷酸均可受到化合物的攻击，造成化学性损伤。碱基是最常见、最重要的靶，亲电性化合物主要攻击鸟嘌呤(G)的N7和C8、胞嘧啶(C)的N3和腺嘌呤(A)的-NH2基。亲核性化合物主要攻击胞嘧啶、胸腺嘧啶(T)的CT5位。自由基主要攻击腺嘌呤(A)和鸟嘌呤的C8位和嘧啶碱基的5，6位双链(表2-6)。化合物与DNA最常见的结合是共价结合。目前国内外学者大量研究生物中DNA加合物形成。例如，许多研究发现，污染严重的水体沉积物导致底栖鱼类中DNA加合物形成，并表明DNA加合物形成与鱼类肿瘤形成有很好的相关性。对生物机体暴露于污染物后DNA加合物形成有不同的研究方法：放射性标记法和

35、薄层层析分析；鉴定特异加合物方法，如荧光光度法，色谱技术、酶联免疫检测(ELISA)等。两类方法反映不同的信息，前者反映整体的共价结合程度，后者反映一些特定成分的实际结合程度。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。然而，环境污染水平与DNA加合物形成的程度以及最终效应(遗传疾病)之间的关系相当复杂。例如，尽管吸烟程度和DNA-BaP加合物数量之间关系明确，但DNA-BaP加合物与肺癌发生率之间的关系仍不能很确定。实际上，化学物质导致的DNA损伤不仅反映了作用于DNA的多种化合物质的综合效应，也反映了化学物质在体内的代谢、组织中的分布、生物可利用性

36、和解毒作用等，也反映了机体对DNA损伤的修复能力。外源性化合物及其活性代谢产物与DNA作用形成DNA加合物和其他化学损伤，最终产生DNA突变和基因功能的改变。然而受损的DNA可以被机体自身修复，因此，DNA损伤的修复是生物保持遗传机构相对稳定的重要因素。目前了解比较清楚的修复途径有以下几种： (摘自毛德寿等.环境生化霉理学.沈阳：辽宁大学出版社，1986.)(1)光复活修复：是最简单、最特异性的酶催化修复过程。由可见光(波长310500 nm)提供能量，光复活酶与嘧啶二聚体结合，催化解聚，使DNA恢复到原来状态，酶即释放，继续参与下次修复。在原核细胞和真核细胞中均发现此种光复活酶。(2)切除修

37、复：通过切除DNA的损伤部位，再重新合成，并恢复切除的 DNA顺列。主要有：内切，内切核酸酶识别DNA分子损伤而出现变形部位，在5-端切开DNA链。外切，外切核酸酶切除损伤的核苷酸及邻近的核酸。修补DNA聚合酶催化，以互补链为模板，修补被切除的DNA片断。连接，切除修复的最后一步，是将修补后3-OH与5磷酸连接成二酯键，DNA恢复原来状态。这步反应由DNA连接酶催化。(3)复制后修复：此修复分成两类：复制后重组修复。DNA聚合酶进行复制时，于亲链损伤区子链留下8001 000个核苷酸的缺口，然后，DNA分子的姐妹链发生重组，缺口与未损伤的姐妹链相对时，以此姐妹链作修复模板，由 DNA聚合酶及连

38、接酶进行修复并连接。分支移动修复。当DNA复制在损伤处受阻时，新合成的子链分支移动，原已解螺旋的亲链重新缠绕，因损伤而复制受阻的短子链利用正常子链为模板修补合成。最后，亲链DNA重新解螺旋，子链再移回，与亲链相应的碱基配对继续进行半保留复制。除此以外，还有诱导性修复和易错修复(又称SOS系统)。许多因素能影响 DNA修复能力，主要因素有：种属差异、个体差异、年龄、组织和器官差异、DNA损伤的部位、DNA受损伤的程度。目前也已发现一些污染化合物能影响机体的修复功能，例如对修复过程酶活性的抑制。3.脂质的过氧化细胞和亚细胞膜系统的磷脂富含多烯脂肪酸侧链，这些多烯脂肪酸侧链可使脂蛋白膜对亲水性物质具

39、有一定的通透性。但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、H202)，攻击多烯脂肪酸，引起脂质过氧化(Lipid Peroxidation)。脂质过氧化是一个链索的系列反应，多烯脂肪酸上不形成双链的亚甲基碳(-CH2-)，易受到自由氧基的攻击，形成脂质自由基(L·)。脂质自由基直接或经共振后与分子氧反应，生成脂质过氧自由基(LOO·)。在脂蛋白膜的碳氢中心，脂肪酸侧链是交错对插的，故在一个磷脂脂肪酸侧链上的脂质过氧自由基，经夺氢反应攻击相邻的饱和脂肪酸的亚甲基碳上的氢，生成一个脂质过氧氢(LOOH)

40、和一个新的脂质过氧自由基(LOO·)，脂质过氧氢(LOOH)经分子内环化和酯解生成丙二酯、其他酯类和酮类，导致多烯脂肪酸的迅速降解。目前已发现多种污染物进入机体后能导致脂质过氧化，如大气污染物O3、NO2，水体污染物CCl4、PCB、 PAH、Cd等，并发现水生生物的脂质过氧化机理与哺乳类相同。脂质过氧化将导致严重的生物后果。例如：导致各种亚细胞结构的损伤，如细胞膜的通透性、流动性改变；光面内质网扩张；糙面内质网上核糖体脱落；线粒体崩解；溶酶体破裂等。脂质过氧化使多种与脂蛋白结合的酶活性降低或消失，如微粒体上混合功能氧化酶破坏。第二节 污染物在细胞和器官水平上的影响一、对细胞的影响细

41、胞是生物的结构单位。不同种类的细胞，具有不同的形态结构和功能，对污染物的敏感性也不一样。污染物对细胞的损伤，可表现为细胞结构和功能的改变，研究污染物与细胞结构和功能损伤的关系，不仅可以阐明污染物毒作用的本质，而且可以评价污染物有害性及在早期警报污染物对生态系统的影响。(一)对细胞膜的影响细胞膜是由脂质双分子层和镶嵌蛋白构成，细胞膜的主要功能有：参与细胞内外的物质交换；细胞膜上会有多种受体，如某些激素受体、神经递质受体；细胞膜携带有某种抗原，如组织相容性抗原及红细胞膜上血型抗原等。许多环境因素作用于细胞膜，引起细胞膜结构和功能的改变。首先，污染物引起的膜脂过氧化作用导致细胞膜的损伤。例如，大气污

42、染物SO2经气孔进入叶组织后，溶于浸润细胞壁的水分中，产生SO32-或HSO3-，然后被细胞氧化成SO42-，由于 SO42-的毒性远小于SO32-和HSO3-，因而削减SO2的毒性作用；然而，在SO32-氧化为SO42-的过程中，产生了自由氧基，引起了膜脂的过氧化，从而伤害了膜系统。其次，污染物可影响细胞膜的离子通透性。例如，神经信息传导依赖于神经细胞膜的Na+或K+通透，拟除虫菊酯杀虫剂和DDT均可作用于细胞膜的 Na+通道，干扰Na+通过细胞膜，影响神经传导。再者，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.线粒体在真核细胞中，线粒体是氧化磷酸化部位，是

43、细胞能量提供的场所。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。例如，大鼠子宫内给甲基汞，肝线粒体密度降低，伴有14C亮氨酸掺入，线粒体膜结构蛋白下降；呼吸功能和膜标志酶活性抑制。又如，杀虫双是一种含氮类杀虫剂，是沙蚕毒素的衍生物，在我国农业生产上广泛应用，然而，杀虫双对家蚕具有极高的毒性，在低剂量和长期暴露后，可导致家蚕绢丝腺细胞线粒体形态结构改变，电镜观察发现线粒体嵴减少、线粒体变小。2.光面内质网和糙面内质网光面内质网的重要功能之一，是激素和外源性化合物的代谢。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体膜的一些重要组分如

44、混合功能氧化酶的破坏。糙面内质网是蛋白质合成的部位。多核糖体可附着于网上或游离于胞浆中，内质网通过附着或解离核糖体，控制蛋白质合成。多种结构的化学致癌物，如黄曲霉毒素、芳香胺和PAH等，能引起核糖体脱落，导致蛋白质合成控制的改变。除影响线粒体和内质网外，污染物还可影响微管、微丝、高尔基体、溶酶体等其他细胞器。例如，污染物导致溶酶体解体，有损害性的水解酶异常释放，产生细胞损害。二、对组织器官的影响(一)靶器官当污染物进入机体后，它们可能被分布到机体的特殊器官，产生对组织器官的影响。污染物进入机体后，对各器官并不产生同样的毒作用，而只对部分器官产生直接毒作用，这些器官称为靶器官(Target Or

45、gan)。例如，放射性碘积累在哺乳动物的甲状腺中，可能引起甲状腺癌；镉积累在哺乳动物肝和肾中，破坏肾细胞，引起蛋白尿(蛋白质从尿排出)；甲基汞作用于哺乳动物的脑，引起神经性疾病(水俣病)。靶器官不一定是效应器官。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。但这种毒作用也可以通过某种病理生理机理，由另一个效应器官表现出来，例如，有机磷农药作用于神经系统，会抑制胆碱酯酶活性，造成胆碱能神经突触处乙酰胆碱积累，结果表现为瞳孔缩小、流涎、肌束颤动等。因此，有机磷农药的靶器官是神经系统，而效应器官则是瞳孔、唾液腺和横纹肌等。靶器官也不同于蓄积器官，蓄积器官是污染物毒物在体内

46、的蓄积部位。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。如DDT等有机氯农药的靶器官虽是中枢神经系统和肝脏，但这类农药主要蓄积在脂肪组织中。靶器官可以是接触、吸收毒物的器官，也可以是远离接触、吸收部位的器官。如大气污染物中的二氧化硫可直接刺激上呼吸道及气管、支气管，而大气污染物中的铅经肺吸收后，却主要作用于神经系统和造血器官。(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，如SO2、O3、氟化氢、乙烯等。氟化氢污染时，植物吸收的F-随蒸腾流转移到叶尖和叶缘，在那里积累至一定浓度后就会使组织坏死，

47、出现叶片脱落。乙烯使洋玉兰(Magnolia grand)的花瓣和花萼脱水枯萎。农药污染也能产生植物组织和器官产生影响，其主要影响有：叶发生叶斑、穿孔、焦枯、黄化、失绿、褪绿、卷叶、厚叶、落叶等；果实脱落、畸形等；花发生花瓣焦枯、落花等；根发生粗短肥大，缺少根毛，表面高厚发脆等。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别。以重金属污染为例，铅(Pb)可损害动物造血器官(骨髓)和神经系统。对造血器官的损害是通过干扰血红素合成，引起贫血。对神经系统的损害是引起末梢神经炎，出现运动和感觉障碍。镉(Cd)主要影响动物的肝脏和肾脏，引起骨痛病。汞(Hg)主要影响动物的神经系统，引

48、起水俣病。污染对动物损伤的器官很多，常用于研究的器官有肝、肾、神经、繁殖器官、血液、呼吸器官、消化器官和内分泌器官。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、早衰等。下面以动物为例，阐述污染物在个体水平上影响。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剂量或致死浓度。死亡比例的大小(死亡率)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

49、不同种动物不同的死亡率。例如，铜引起50%水生生物死亡的浓度范围：枝角类为5300 gL，软体动物为409 000 gL。而汞引起这两类生物50%死亡的浓度范围分别为0.0240 gL和902 000 gL。许多因素能影响污染物对动物的致死效应。以水生生物为例，主要的影响因素有：污染物的种类及其物理化学性质、生物种类、污染物作用的时间、水质条件和多种污染物的综合作用。污染物的种类和理化性质影响了污染物的生物可利用性、体内的代谢和毒作用机理等。不同生物种类对污染物的反应具有很大差异性，生物不同的生理状态、年龄、发育阶段等也影响污染物的致死作用，例如镍在9 6小时引起刚孵化出的鲤鱼苗死亡的浓度为6

50、.10 mgL，而对体长45 cm的幼鱼为35.0 mgL。水质条件包括水温、pH、硬度和溶解氧等。例如温度增高会增加污染物的致死效应；氮在碱性条件形成非离子氨(NH3)对生物致死效应明显，而在酸性条件下形成铵离子，对水生生物则无明显毒害。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到污染物的影响。当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时，就产生了行为毒性(Behavioral Toxicity)。水环境污染可影响的水生生物行为主要有：对污染物的回避行为、捕食行为、学习行为、警惕行为和社会行为。研究较多的是回避行为、捕食行为和警

51、惕行为。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，游向未受污染的清洁水区的行为。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，从而打乱原有生态系统的平衡。一些经济鱼类失去索饵场和产卵场，一些仍留在污水中的鱼类会出现更多的病鱼。目前已知能对污染物产生回避反应的水生动物主要是各种鱼、虾、蟹，此外，水生昆虫也有一定的回避能力。不同的水生动物对同一种污染物的回避能力差异很大。如杂色鳟(Cyprincdon variegatus)对DDT有较强的回避能力，阈值为0.005 mgL；食蚊鱼(Gambcisia affinis)次之，阈值为0.1

52、 mgL；草虾(Palaenometes pugio)完全不回避。水生生物的活动类型、生理状态和水温变化都能影响回避反应的强度，如细鳞大麻哈鱼(Oncorhynchus garbuscha)在海水中对原油的回避阈值，11.5时仅为1.6 mgL，7.5时达16 mgL。一般来说，水生生物对污染物的回避阈值低于污染物对水生生物的致死浓度。如鲫鱼(Carassius auratus)对杀螟松(农药)的回避阈值是10gL，比致死浓度低两个多数量级。但有的污染物超过致死浓度，生物也不回避，如异狄氏剂浓度超过致死浓度时，食蚊鱼和草虾也不回避。水生生物的回避能力在实验室和野外也存在差异性，如在受铜、锌污染

53、的一条加拿大河流中，野外现场观测的阈值为实验室阈值的18倍。 2.捕食行为水生生物的捕食行为可受到污染物的影响。图2-4是水生生物捕食行为的组成，所有这些过程都可以受污染物的影响。捕食行为的破坏可导致生物机体获得资源减少，最终引起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。大型水生动物的捕食能力取决于许多因素，其中最重要的是搜索猎物的策略和感觉系统。化学污染物可影响搜索猎物策略和感觉系统，降低捕食能力。化学污染物也可影响对猎物的选择，降低捕捉猎物的效率。污染物还可以影响捕捉后处理的时间，降低捕食能力。例如，用铜喂蓝鳃鱼、用铅和锌喂斑马鱼和烷基苯磺酸去垢剂喂旗鱼

54、，均发现捕捉后处理时间被这些重金属所延长，最终导致拒食和捕食能力下降，这可能是污染物引起动物的味觉阻断而产生。这些捕食动物用视觉来鉴别、搜寻和捕捉、处理它们的猎物，例如拒食可能是由于缺乏味觉而不能证实这一被捕猎物是否可食。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。例如，电离辐射和汞可以增加食蚊鱼被鲈鱼捕食的危险性。研究报道认为，温度、杀虫剂、五氯苯酚和镉等污染物均能增加一些水生生物被捕食的危险性。(二)对鸟类行为的影响对鸟类行为影响最典型的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

55、酯酶(AchE)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。例如受有机磷农药污染的欧惊鸟(Sturnus Vulgaris)，当脑组织中AchE活性被抑制50%时，一些行为发生改变，表现为姿态效应改变。这里的姿态是指欧惊鸟休息时一足站立。受污染的欧惊鸟在休息时一足站立时间明显改变(姿态效应)，这是由于有机磷农药影响了欧惊鸟的神经系统，导致了鸟的平衡和协调性的损害。鸟类行为改变还表现在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

56、，不能维持它们的领地，失去对原有领地的控制。若受伤害的鸟类处在繁殖期，则表现为破坏和舍弃了孵蛋和不照顾它们的后代，导致繁殖率下降和幼鸟的死亡率增加。例如，Bushy等研究有机磷杀虫剂对加拿大新不伦瑞克(New Brunswick)地区云杉中的白喉麻雀(Zonotrichia albaicollis)的影响。在他们的研究中，对13对喷洒农药区的鸟和7对附近未喷洒农药对照区的鸟进行跟踪，结果表明，喷洒区的成年白喉麻雀减少三分之一，主要是在喷洒区白喉麻雀放弃了它们领地或死亡。同时发现处在繁殖期鸟的育雏方式受到了破坏和舍弃了孵蛋，结果是幼鸟的数量只有对照区的四分之一。三、对繁殖的影响环境污染可造成生物

57、机体繁殖的影响。对动物而言，一般表现为产卵(仔)数、孵化率和幼体存活率下降以及繁殖行为变化等。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。表2-7列出了水环境污染对鱼类繁殖及不同幼鱼发育时期的影响。又如有机磷杀虫剂可影响家燕的精子数量，在连续4个1.5小时喂食含有机磷杀虫剂的食物后，家燕精子数下降了30%。在鸟类中，污染物影响鸟类繁殖一个典型的效应是鸟蛋壳变薄。有机氯碳氢化合物如 DDT能引起某些鸟类的蛋壳变薄，使得蛋易碎和易破，导致鸟类繁殖损害。最早发现使鸟类蛋壳变薄的污染物是有机氯杀虫剂，随后人们又发现许多污染物能产生鸟蛋壳变薄的效应，如多氯联苯、汞、铝等。有机氯杀虫剂导致鸟蛋

58、壳变薄的机理也已清楚，主要是阻碍了钙(Ca)向壳腺细胞的运输。目前，蛋壳变薄已作为一个敏感指标评价污染物对鸟类繁殖的影响，称之为蛋壳的厚薄指数(Thinness Index)，它等于壳的重量(mg)与壳长宽积(mm2)之比。近年来研究发现，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野生动物和人内分泌功能，导致野生动物繁殖障碍，甚至能诱发人类重大疾病，如肿瘤。这些物质被称为环境激素，或外源性雌激素(Xenogenous Estrogen)，或环境内分泌干扰物(Environmental Endocrine Disrupters)。环境激素主要包括以下三类：1.天然雌激素和合成雌激素天然雌激素是从动物和人尿中排出的一些性激素，如17-雌二醇、孕酮、睾酮。合成激素包括与雌二醇结构相似的类固醇衍生物，如二甲基已烯酚(DES)、己烷雌酚、乙炔基雌二醇、炔雌醚等，也包括结构简单的同型物，即非甾体激素。这些物质主要来自口服避孕药和促家畜生长的同化激素。早在70年代环境学家就开始研究水环境中天然雌激素和合成激素对饮用水的污染问题。例如，英国曾对9条河流和8种饮用水样进行检测，在二条河水中检出了炔诺酮，浓度为17 ngL，在一条河水样品和饮用水样中检出了孕酮，浓度为6 ngL。2.植物雌激素这类物质是某些植物产生，并具弱激素