生态毒理学6课件

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

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。

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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。

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。

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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P45028三金属硫蛋白

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。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。

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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。

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。41九脱氧核糖核酸(DNA)变化

大量的研究表明，外源性化合物及其活性代谢产物能引起DNA损伤。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：①放射性标记法和薄层层析分析；②鉴定特异加合物方法，如分光光度法，层折技术、酶联免疫检测(ELISA)等。

③现代分子生物学方法：彗星实验，微核实验，SSCP，RAPD，DGGE，RFLP等。42

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、生物可利用性和解毒作用等，反映了机体对DNA损伤的修复能力。

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。九脱氧核糖核酸(DNA)变化43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310—500nm)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。九脱氧核糖核酸(DNA)变化44切除修复：

通过切除DNA的损伤部位，再重新合成，并恢复切除的DNA序列。主要有：内切、外切、修补DNA聚合酶催化三种方式。九脱氧核糖核酸(DNA)变化切除修复示意图45九脱氧核糖核酸(DNA)变化复制后修复：①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800-1000个核苷酸的缺口，然后，DNA分子的姐妹链发生重组，缺口与末损伤的姐妹链相对时，以此姐妹链作修复模板，由DNA聚合酶及连接酶进行修复并连结。②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。46

除此以外，还有诱导性修复和易错修复(又称SOS系统)。许多因