污染生态控制原理与方法

污染生态控制原理与方法3植物对环境污染的响应与反馈机制：1)植物抗氧化酶系统和非酶系统与环境污染2)环境污染与其他酶系统3)植物逆境蛋白4)环境污染对光合作用影响机理5)呼吸作用与环境污染6)植物P450与环境污染7)植物化学成分与环境污染8)环境污染分子反应和重金属污染与相关基因表达1)植物抗氧化酶系统和非酶系统与环境污染植物在生长发育过程中受到各种不良环境的影响，打破正常情况下的细胞内活性氧平衡，会导致细胞产生大量活性氧：H2O2、·OH、1O2、O2-·、RO·、ROO·等，生物体经过长期进化形成了完善的酶类和非酶类抗氧化保护系统来清除活性氧。非酶类抗氧化物质：β－胡萝卜素、维生素A、维生素E、维生素C、谷胱甘肽、黄酮类化合物，以及一些渗透调节物质脯氨酸，甘露醇等。维生素E可抑制类脂过氧化，清除O2-·、RO·、ROO·，焠灭1O2。甘露醇对O2-·和·OH的产生有抑制作用。植物抗氧化保护酶类有超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱甘肽还原酶(GR)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)、脱氢抗坏血酸还原酶(DHAR)、单脱氢抗坏血酸还原酶(MDHAR)等。SOD处于清除活性氧的核心地位;大气污染物导致谷胱甘肽过氧化物酶活性显著增加;APX和GR是植物形成抗坏血酸和谷胱甘肽的关键酶，直接清除H2O2;一些辅酶在抗氧化过程中也起到了重要作用，包括NADPH-醌氧化还原酶和氧化型谷胱甘肽(GSSG)-还原酶。植物细胞内的活性氧的产生和清除处于动态平衡，当活性氧累积过多时，它们与蛋白质、核酸和脂类发生作用，引起蛋白质失活和降解、DNA链断裂和细胞膜膜脂过氧化，导致细胞结构和功能的破坏。2)环境污染与其他酶系统污染物对植物的毒害作用还表现在对其它酶活性和结构的影响：一些污染物可以抑制酶活性。氟化物抑制烯醇化酶,是糖酵解过程受阻;臭氧导致蛋白质结构中的羧基氧化,是含羧基的酶如多聚糖合成酶、异柠檬酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶等因羧基氧化而失活。污染物还可以抑制植物体内的某些生化反应。Cd与叶绿素合成途径中的多种酶的－SH发生反应，阻碍叶绿素合成，使小麦叶片泛黄。3)植物逆境蛋白紫外线诱导产生紫外诱导蛋白；化学试剂诱导特殊蛋白；重金属诱导金属硫蛋白；4)环境污染对光合作用影响机理污染物对光合作用的影响主要为：抑制光合酶的活性(如SO2)降低光电子传递链效率(如SO2、Pb、Cd

)影响叶绿素的合成(如Cd)5)呼吸作用与环境污染线粒体内呼吸酶活性位点抑制。Mn3+与Fe3+有相似结构，可以替换呼吸酶活性中心的Fe3+使呼吸酶失活；对功能酶活性基团及辅基直接作用。酶的活性基团－SH、－COOH、－NH2等及其辅基也是污染物的作用靶体，使功能酶活性受到影响。NO和CO均可影响呼吸酶的活性基团或辅基，使酶活性下降。线粒体透射电镜图像6)植物P450与环境污染植物细胞色素P450(cytochromeP450或CYP450,简称CYP450)是分子量40-60kDa,结构类似的一类血红素—硫铁蛋白。具有代谢解毒和增毒的双重性,既是外来化合物的代谢转化中心,同时又是外来化合物的靶分子。在植物抵御污染物侵害方面具有重要作用。已克隆90多个P450基因。P450对污染物的代谢作用：氧化脱烷基：棉花对灭草隆(Monuron，一种除草剂)连续脱去两个N甲基二生成尿素。芳环的羟基化：玉米对苯达松(Bentazon)和Primisulfuron除草剂的芳基羟基化。脂肪族侧链的羟基化：小麦和玉米对绿麦隆(Chlorotoluron,除草剂)的甲基羟化。硫氧化：高粱中P450将除草剂二榛农的P-S脱硫氧化为P-O类似物。7)植物化学成分与环境污染可溶性糖含量增加。种子氨基酸含量会受污染物影响。七氯(杀虫剂)可增加谷物和豆类体内某些金属离子的含量。8)环境污染分子反应和重金属污染与相关基因表达：①有机汞裂解酶基因(merB)②汞离子还原酶基因(merA)③金属硫蛋白基因(Metallothioneins，MT)④植物螯合素合成酶基因(Phytochelatin,PCS)⑤铁离子还原酶基因(FRE)⑥离子转运蛋白基因(ZIP和ITR1)⑦汞转运蛋白基因（merT）大多数重金属的反应性对植物细胞会造成致命伤害，有限的溶解性会限制其在植物体根茎叶等各部位进行有效分配，有机酸、氨基酸、植物螯合素（配合素）和金属硫蛋白等离子螯合剂对重金属离子的螯合作用能够缓冲细胞质中金属离子的浓度，增加其溶解性，从而不同程度地提高了植物对重金属的抗性及其在植物体内的运输效率。①有机汞裂解酶基因（merB）在许多有抗汞性的革兰氏阴性菌中，存在一条汞转化的通路，其中有两个关键性的酶：有机汞裂解酶（merB编码），将有机汞转化为Hg2+，汞离子还原酶（merA编码），将Hg2+还原为金属汞。merB编码的酶催化甲基汞降解。Bizily(1999)用merB基因转化拟南芥，所得转化植株对甲基汞及其他有机汞的抗性显著增强。②汞离子还原酶基因（merA）merA编码汞还原酶[Hg,(Ⅱ)reductase,HR]，催化Hg2+还原为金属汞。Meagher&Rugh(1996)把merA基因转入拟南芥，结果表明，转化植株对Hg2+的抗性及HgO的挥发量都明显高于野生植株。③金属硫蛋白基因(Metallothioneins，MT)金属硫蛋白(Metallothioneins,MTs)是自然界中普遍存在的低分子量、富含半胱氨酸的多肽(Kagi&Schaffer,1988)。目前所发现的MTs分为3类。MT-Ⅰ为哺乳动物的金属硫蛋白通常由61个氨基酸残基组成,分子量为6～7kD,所含20个Cys残基分布相对固定。这种一级结构很相似的金属硫蛋白称为MT-Ⅰ。MT-Ⅱ亦为富含半胱氨酸的低分子量蛋白,但其Cys残基的分布与MT-Ⅰ不尽相同。MT-Ⅰ和MT-Ⅱ都是由基因直接转录合成。MT-Ⅲ是一类结构特殊的多肽,亦称为植物螯合肽(Phytochelatin,PC),结构多为(γ-Glu-Cys)n-Gly,n=2～11。PC不是由基因直接编码,必须在PC合成酶的催化下完成(麻密等,2000)。Nathalie等(2001)研究表明,MTs能够通过硫基与金属离子结合,从而降低重金属离子的毒性,它在植物对Zn2+和Cu2+的解毒过程中起着重要作用。小麦Ec蛋白是植物中最先分离得到纯化蛋白质的MT-Ⅱ(Laneetal.,1987),其Cys残基的分布主要为Cys-X-Cys形式,具有结合金属离子的能力。尽管已经证实MT基因存在于许多种植物中,但大多数植物对重金属都不表现耐性,它们在植物中的表达产物和功能仍然不清楚。对于MTs是否是植物高耐重金属的主要机制仍不明确。④植物螯合素合成酶基因(Phytochelatin,PCs)Grill等(1985)在Cd胁迫蛇根木(Rauvolfiaserpentina)的植物细胞中分离得到植物螯合肽(Phytochelatin,PC)。PC是一种由半胱氨酸、谷氨酸和甘氨酸组成的含巯基螯合多肽,分子量一般为1～4kD,结构多为(γ-Glu-Cys)n-Gly,n=2～11。由于其巯基含量高,对重金属的亲和力大,能够螯合多种重金属离子,使重金属离子失去活性。Grill等(1987)报道,在10多种高等植物中Cd2+诱导PC的作用最强,其它金属依次为:Pb2+>Zn2+>Sb3+>Ag+>Hg2+>As5->Cu2+>Sn2+>Au3+>Bi3+Kneer和Zenk(1992)发现,在Cd2+胁迫下耐Cd植物体内Cd2+-PC含量比对照高10～1000倍。Zenk(1996)的进一步研究表明,重金属离子经细胞壁和细胞膜进入细胞质,激活PC合酶,在胞质内以GSH为底物酶促合成PC,PC螯合重金属离子,形成重金属-PC螯合物,从而使重金属离子失去活性。目前为止,在蛇根木(Rauwolfiaserpentina)、烟叶(Nicotianatabacum)、毛曼陀罗(Daturainnoxia)、菜豆、番茄(Lycopersiconesculentum)、甘蓝(Brassicaoleracea)、玉米和小麦等植物中均发现PC的存在。⑤铁离子还原酶基因（FRE）三价铁对植物有较强的毒性,拟南芥是铁高效利用植物,能通过还原机制转化并吸收土壤中的三价铁而加以利用。Samuelsen等(1998)将从酵母中分离出来的两个铁离子还原酶基因FRE1、FRE2转入烟草，分别在正常供铁和贫铁条件下研究转化植株的酶活性及铁的累积情况。结果表明，在贫铁条件下，FRE2和FRE1＋FRE2的转基因植株叶片中的铁离子浓度高于FRE1和对照植株；在供铁条件下,得到了相同结果,并且转基因植株叶片中三价铁离子还原量比对照高4倍。⑥离子转运蛋白基因(ZIP和ITR1)ZIP家族(ZRT,IRT-likeprotein)和CDF家族(Cationdiffusionfacilitator)是研究较多的基因家族。Persans等(2001)报道从镍超积累植物Thlaspigoesingense中分离到的CDF家族成员TgMTP1属于液泡转运蛋白基因。锌转运蛋白(zinctransorter，ZIP)是一类能够转运Zn2+、Fe2+、Cu2+等离子的跨膜蛋白，植物体内锌含量不足时诱导该蛋白基因在根部表达，而基因突变使该蛋白不能合成时，植物表现为Zn2+缺乏症状，说明这类蛋白与Zn2+吸收有直接关系。铁离子转运蛋白(irontransoter1，ITR1)，能高效的、地转运Fe2+、Cd2+等离子。Pence等(2000)在超积累植物Thlaspicaerulescens中克隆到了ZNT1基因,属于ZIP基因家族并与拟南芥(Arabidopsis)中的ZIP4高度同源。在缺Zn和Zn供应充足的条件下,ZNT1可以在Thlaspicaerulescens的根系和叶片中高量表达;而对于非超积累植物Thlaspiarvense,ZNT1只在缺Zn条件下表达,Zn供应充足时,表达明显受到抑制。ZNT1的高量表达可见,ZNT1在Thlaspicaerulescens与Zn的有效性无关,这可能是它超吸收Zn的主要原因。另一类与金属离子吸收有关的蛋白是Nramp家族(Naturalresistanceassociatedmacrophageproteins)。植物中的研究主要集中在水稻Oryzasativa和拟南芥。例如Abdelmajid等(1997)从水稻(Oryzasativa)中分离并克隆了OsNramp1、OsNramp2和Os2Nramp3基因。Supek等(1996)在酵母中发现了一个Nramp家族成员-SMF1,它编码Mn转运蛋白,这个发现使Nramp家族编码植物金属转运蛋白成为可能。目前关于Nramp基因家族在高等植物中的功能仍不明确,Nramp基因与金属离子吸收的关系有待于更进一步的研究。⑦汞转运蛋白基因（merT）与merA不一样，merT编码的蛋白承担汞离子在细胞内的转运，直接影响生物体内汞离子的积累。MT基因编码的金属硫蛋白能够与Hg2+和Cd2+等重金属离子结合，在merT转运蛋白的协同作用下超累积这些重金属离子。重金属对陆生植物的影响第四节污染物对陆地生态系统的生态效应1.基本概念2.污染物对植物的影响3.植物对环境污染的响应与反馈机制4.污染物对动物的影响5.污染物对微生物的影响4.污染物对动物的影响1)污染物对动物膜结构与功能的影响A.对生物膜透性的影响B.对膜电荷和膜电位的影响C.膜质过氧化D.对生物膜结合酶的影响E.对膜成分和结构的影响2)影响污染物对动物生态效应的因素A.污染物的结构及理化性质：①芳香族污染物一般比脂肪族污染物毒性高,多环芳香烃类污染物是三致作用最强的化合物之一；烃基结构的存在可以增加污染物的脂溶性,从而使污染物的毒性增强；②污染物毒性随分子结构卤元素增加而增加,卤元素使分子极化程度增加,对酶的攻击性增强,使毒性作用加剧；③羟基的存在可以使污染物毒性增加,羟基与酶的碱性基团反应而抑制其活性；④带有羧基带污染物通常具有较弱毒性,羧基使污染物水溶性增加,而不易被有机体吸收；但羧基酯化后,会使污染物吸收量增加而增大毒性；⑤醛和酮类污染物有较高的反应性,在体内可与多种生物活性物质反应,产生毒害作用,毒性随污染物烷基链的延长而递减；⑥污染物化学结构的构象对其毒性也有影响,不对称污染物D-构型对动物无毒性,而L-构型具有较高的生物活性。剧毒性—高毒性—中等毒性—低毒性—微毒性B.动物种类的影响C.遗传因素的影响D.年龄因素E.营养状况环境污染对遗传的影响据史料记载，19世纪中叶以前，英国椒花蛾（Bistonbetularia）的身体和翅大多是带有斑点的淡灰色，它们和树干上的地衣颜色一致，借此可逃避鸟类的捕食。暗黑色的椒花蛾也有，但极少见。1845年在英国的工业区发现了一只暗黑色的椒花蛾，以后在各工业区都陆续发现了暗黑色椒花蛾，并且越来越多。到1898年，各工业地区暗黑色椒花蛾的数量大大超过灰色椒花蛾，比例可达98%以上。1956年，英国开始实施《清洁空气法案》，在严重污染地区建立无烟区。随着空气质量的好转，黑花蛾的比例显著降低，到1996年，黑花频率从93%降到了8%（Grant等，1998）污染物对遗传物质的损伤：污染物及其代谢物与DNA相互作用并产生突变，大致分为四个阶段：第一阶段，形成DNA聚合物；第二阶段，发生DNA的二次修饰；第三阶段，DNA结果的破坏被固定；第四阶段，当细胞分裂时，造成DNA突变及基因功能改变。第四节污染物对陆地生态系统的生态效应1.基本概念2.污染物对植物的影响3.植物对环境污染的响应与反馈机制4.污染物对动物的影响5.污染物对微生物的影响5.污染物对土壤微生物的影响1)对微生物数量影响2)对土壤酶活性的影响3)对硝化和反硝化作用的影响4)对土壤呼吸作用的影响5)对微生物群落结构和多样性的影响酸沉降对土壤酶活性的影响在土壤中，土壤酶进行着各种重要的生物地球化学的转化作用。土壤酶虽然主要来自土壤中的微生物，但酸沉降和植物的相互影响，会改变土壤的理化特性，从而影响土壤中微生物的组成和活性。反过来土壤中微生物又会进一步改变土壤的理化特性，并对植物产生影响。长期的酸沉降作用会引起土壤中耐碱性和中性的微生物种类和数量的减少，如细菌、放线菌等；同时，喜酸性的微生物数量得到提高，如真菌、青菌和木霉等，但其种类仍然减少了。其结果是,土壤中铵化作用、硝化作用减弱，纤维素分解作用强度增加，土壤中蛋白酶、转化酶和接触酶活性下降，磷酸酶活性增强。冯宗炜等的实验表明，酸雨使土壤中固氮作用降低80%，铵化作用强度减弱30%~50%。纤维素分解作用强度提高2~3倍。酸雨的长期影响会使土壤中碳、氮的转化及平衡遭到破坏。而土壤中蛋白酶、转化酶和接触酶活性的下降，又延缓了土壤中某些基质的氧化还原进程。重金属污染可使固氮酶活性与反硝化作用均随土壤中重金属浓度增加而降低；Wike(1988)分别单独加入Cd(3mg·kg-1)、Cu(50mg·kg-1)、Pb(100mg·kg-1)、Zn(200mg·kg-1)不引起土壤呼吸和脱氢酶活性改变,而这些元素联合投加将显著产生抑制效应。郭明，陈红军，王春蕾.4种农药对土壤脱氢酶活性的影响，环境化学，2000,19(6):523-527第六章水污染生态学水污染状况:随着全球经济和社会的发展，近50年来，人类对淡水的消耗增加了三倍，由此产生的大量废水未加处理，没有循环使用，造成接收水体污染，严重影响水生生态系统结构、功能和水资源利用，还直接危害人类健康。1977年联合国水会议秘书处发布公告，指出当时世界40亿人口中有70％得不到安全饮用水，全世界工业用水每年2000亿吨，20％被蒸发，80％变成污水排入水体。据统计，我国现有污水年排放量已达365亿吨（不含乡镇），城市污水处理能力只有7％，大量（80％）未经处理直接排入各种水体。造成全国１/３以上河段受污染，90％以上的城市水域污染严重。50％的重点城镇水源地达不到国家饮用水卫生标准。“七五”研究表明,我国湖泊属贫营养的只有5.56％,中营养的占44.4％,富营养的占50％。有专家曾推算，我国每年水污染对工业、农业、市政工业和人体健康等方面造成的经济损失约2400亿元。2013年3月，环保部发布首个全国性的大规模研究结果显示，我国有2.5亿居民的住宅区靠近重点排污企业和交通干道，2.8亿居民使用不安全饮用水。《2013年中国环境状况公报》：地表水质量2013年，全国地表水总体为轻度污染，部分城市河段污染较重。河流:长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河、辽河、浙闽片河流、西北诸河和西南诸河等十大流域的国控断面中，Ⅰ～Ⅲ类、Ⅳ～Ⅴ类和劣Ⅴ类水质断面比例分别为71.7%、19.3%和9.0%。与上年相比，水质无明显变化。主要污染指标为化学需氧量、高锰酸盐指数和五日生化需氧量。长江流域水质良好。Ⅰ～Ⅲ类、Ⅳ～Ⅴ类和劣Ⅴ类水质断面比例分别为89.4%、7.5%和3.1%。与上年相比，水质无明显变化。黄河流域轻度污染。Ⅰ～Ⅲ类、Ⅳ～Ⅴ类和劣Ⅴ类水质断面比例分别为58.1%、25.8%和16.1%。与上年相比，水质无明显变化。主要污染指标为氨氮、五日生化需氧量和化学需氧量。2006年10月22，11月22黄河兰州段遭红水污染兰州"黄河染红"现源头造纸企业日排污水2000吨2007年6月27日，江苏省南京市外秦淮河通济门周围河段出现大量浮萍。湖泊（水库）2013年，水质为优良、轻度污染、中度污染和重度污染的国控重点湖泊（水库）比例分别为60.7%、26.2%、1.6%和11.5%。与上年相比，各级别水质的湖泊（水库）比例无明显变化。主要污染指标为总磷、化学需氧量和高锰酸盐指数。富营养、中营养和贫营养的湖泊（水库