121011 第二章 生物富集解析
植物的生物富集因子-概述说明以及解释
植物的生物富集因子-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分的内容可以为：植物是生物界中的重要组成部分，具有丰富的生物活性物质和药用价值。
然而，不同植物对环境中的元素和化合物的吸收和富集能力不同。
这导致了一些特定植物能够富集特定元素或化合物，并被称为生物富集因子。
生物富集因子是指那些能够在植物体内富集或吸收大量特定元素或化合物的物质。
这些物质可以是无机元素、有机化合物或其他重要的生物活性物质。
植物通过其根系或叶面对环境中的物质进行吸收，并进一步转运和富集于其不同部位，如根、茎、叶等。
这种生物富集现象为我们深入研究植物的生长发育、代谢机制以及对环境的适应性提供了重要的线索。
生物富集因子不仅对植物本身具有重要意义，还具有各种应用前景。
通过研究植物富集因子的特点和机制，人们可以利用这些植物来修复环境污染、提取有价值的化合物或元素，甚至研发新的药物。
植物富集因子的应用领域涵盖了环境科学、农业、食品安全和医药等多个领域，其重要性不言而喻。
本文将从定义和作用、分类和特点、对环境和人体的影响以及应用前景等方面，对植物的生物富集因子进行全面深入地探讨。
通过对该领域的研究综述和案例分析，我们将展示植物的生物富集因子在环境和人体健康领域的重要作用和巨大潜力，为进一步的研究和应用提供参考和启示。
1.2文章结构文章结构部分内容可以按照以下方式编写：文章结构：本文主要分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分将通过概述问题、介绍文章结构和明确研究目的等方式引入话题。
正文部分则分为两个小节，分别是对生物富集因子的定义和作用进行探讨，以及对植物的生物富集因子的分类和特点进行描述。
最后，结论部分将分析生物富集因子对环境和人体的影响，并展望植物的生物富集因子的应用前景。
通过以上的文章结构，可以系统地介绍和分析植物的生物富集因子这一主题。
引言部分能够帮助读者了解文章的整体框架和研究目的，正文部分则通过细分的小节来展示相关的定义、作用以及分类等内容，使读者能够更加全面地了解植物的生物富集因子。
(完整)121011 第二章 生物富集解析
2.3 影响生物富集的因素
生物学特性 污染物性质 环境因素
2.3.1 生物学特性
（1）分解酶的活性
生物对复杂有机化合物的富集能力与 其体内存在的分解该类物质的酶的活性有 关。酶活性越强，则越不易富集；酶活性 越弱，则越易富集。
例如鱼对某些农药的富集能力强是因为 鱼体内环氧化物水化酶和艾氏剂环氧化酶 的活性小于人类、鸟和昆虫的缘故。
DDT在食物链中的富集
DDT：3×10-6mg/m3 DDT：0.04mg/kg
DDT：0.5mg/kg DDT：2mg/kg DDT：2.5mg/kg
大气
浮游生物 小鱼 大鱼 海鸟
思考：
• 为什么许多有机和无机污染物在生物体 内的浓度远远大于其在环境中的浓度？
• 对于一个受污染的生态系统而言，生物 体内的污染物浓度为什么会有明显的随 营养级升高而增加的现象？
2.3.2 污染物性质
（1）稳定性和脂溶性是富集的重要条件
生物富集与生物对污染物的解毒能力(即污染物的生物稳 定性)有关。解毒能力越强，则富集能力越弱；反之则富 集能力越强。解毒能力又与污染物的化学结构有关。
例如PCB中可置换的氯的数目或位置不同，其代谢、解 毒、富集的情况差别就很大。研究者对氯置换数目不同的 各种单一PCB成分进行深入研究，得出以下几条规律：
• （3）脂类
脂类含有极性酯键，这类酯键能和金属 离子结合而形成络合物或螯合物，从而把 重金属贮存在脂肪内。
（4）核酸
核酸在生物富集中具有十分重要的作用。 核酸是极性化合物，既含有磷酸基又含有 碱性基团，属两性电解质。在一定的pH条 件下能解离而带电荷，所以能和金属离子 结合。
污染物质和上述生物各组分结合，并被 固定在生物体各部位，降低污染物的活性， 从而加速生物的吸收，增加富集量。
第三章 生物富集
化学稳定性和高脂溶性是生物富集的重要 条件.例如:DDT稳定性高,脂溶性,水 条件.例如:DDT稳定性高,脂溶性,水 0.02mg/kg,脂中1.0× mg/kg,500万倍. 0.02mg/kg,脂中1.0×105mg/kg,500万倍. 有机磷农药和氨基甲酸酯类农药与有机氯 相比,较易被生物降解.水溶性强,在水 中易被有机质高的沉积物和酯类含量高的 水生生物吸收
3)不同生育期 生物在不同生育期接触污染物, 生物在不同生育期接触污染物,体内富 集量有明显差异
对水稻的研究结果表明,在水稻的不同生 育期施铅,根对铅的富集顺序为:拔节期〉 育期施铅,根对铅的富集顺序为:拔节期〉 分蘖期〉苗期〉抽穗期〉 分蘖期〉苗期〉抽穗期〉结实期,谷壳和 糙米的富集量顺序为:结实期〉苗期〉 糙米的富集量顺序为:结实期〉苗期〉拔 节期〉抽穗期〉 节期〉抽穗期〉分蘖期
调查实验研究 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 确定一个污染区,以污染原为中心 1)环境调查:大气,土壤,水 2)植物:环境调查的同时,采集野生和栽培 植物,最好采集相同的植物便于比较. 3)动物:采集动物的肉和内脏等敏感部位. 大气,土壤 植物 动物 排出或器官富 集 水 浮游生物 高等水生植物 鱼 鸭, 人
黄会一等(1989)研究了木本植物对土壤 黄会一等(1989)研究了木本植物对土壤 中镉的吸收和积累及耐性,认为土壤中镉 在植物体内的迁移较大.土壤中镉在植物 体内的迁移,因树种的生物学特性不同而 有差异 还研究了木本植物对土壤汞的污染防治功 能,结果表明,加拿大杨树对土壤中的汞 具有较强的吸收富集能力. 于常荣等(1992)作了松花江鱼类汞污染 于常荣等(1992)作了松花江鱼类汞污染 现状研究,发现同一江段的不同鱼类总汞 与甲级汞平均含量各不相同,以雷氏七鳃 鳗为最高.海洋生物比淡水生物所富集的 砷要多得多,淡水鱼的富集系数10-40,海 砷要多得多,淡水鱼的富集系数10-40,海 洋生物10-100倍. 洋生物10-100倍.
零基础大数据挖掘（三）--富集分析
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欢迎您的关注，让我们共同学习进步。
戳这里Freescience联盟公众号原文，请多关注哦~富集分析上通过往期介绍，当我们从基因芯片的大数据中寻找到几千或几百个具有统计学和表达上差异的分子后如何解释这些结果或者说最终得到一个基因列表能告诉我们什么呢？从中能给我们什么提示？能下什么结论呢?这里就要介绍一种分析方法就是富集分析了。
首先不少人经常会有这样一个疑问——仅仅一个基因列表又怎么能进行统计分析呢？又没有对照，怎么计算p值呢？这里举个例子：在一个广场上从早上到晚上都有着各种活动，早上5-6点有老人在锻炼身体，7-8点广场上开始有小贩、游客和行人，到了下午有不少青年人举行商业促销活动，傍晚广场就是属于广场舞大妈，晚上夜宵排档四起。
那么当我们在不知道时间的情况下，抽取广场100个人，是否能从这百人的列表推测出广场上正在进行的活动或者时间呢？当100人群中有80%的人是大妈？那么广场上进行什么活动在什么时间就显而易见吧。
那么人换成基因也是同理的。
首先要定义基因集(geneset)，也就是基于我们的先验知识（基因组注释信息）。
将基因富集可以想象成代表某一功能活动的群体，每个个人可能同时参与好几种功能活动，我们所分析的不是单个个体的差异，而是实际群体和期望功能群体是否有差异，从而推测出此时此刻发生了什么事，在这些事件中哪些个体又起到了什么作用。
基因富集分析算法介绍
基因富集分析算法介绍昨天我们介绍了富集分析的基本的内容：GO分析和KEGG分析都是啥？。
但是富集分析还是有很多不同的算法的，对于主要的算法过程其实不用太多了解，这个由专业人士来解决就行。
但是对于其输入条件和主要区别还是要了解的，这样能方便我们使用。
◆ ◆ ◆ORA (Over Representation Analysis)过表达分析我们常规的做的或者公司给的富集分析的结果里面给的GO分析和KEGG分析的结果就是使用ORA的算法来做的。
这个算法采取的类似于一刀切的逻辑思维，我们需要对差异的结果设置一个标准(通常也就是我们差异表达的条件)。
如果达到这个标准了，那就可以当作候选分析的基因。
最后我们把所有候选分析的基因都选出来，把基因名都输入到算法里面，再结合背景数据库就得到分析的结果了。
所以这个算法的主要输入条件其实就是基因名即可。
一般而言ORA使用的背景数据集就是GO和KEGG这些。
可视化选择对于ORA的可视化方面的话，由于富集的差异筛选也是基于P值来进行筛选的。
所以一般通过柱状图或者气泡图也就可以进行展示了。
例如下面的柱状图。
◆ ◆ ◆GSEA (Gene Set Enrichment Analysis)基因集富集分析相较于ORA一刀切的方式来选择输入基因，GSEA的算法认为，虽然有一些基因不满足严格的筛选标准，但是也是有可能起作用的。
比如说：我们有两个基因TP53的表达差异是1.1,而TP21的表达差异是0.9。
如果按照ORA的方法，按照1作为筛选标准，ORA的算法，那么TP53就可以进入后续分析，而TP21则会扔掉。
但是真实情况是，在生物过程当中，TP21真的不起作用吗？显然不是的。
基于这种考虑，所以才开发出了GSEA算法。
GSEA是通过整个基因组表达的情况来评估主要是哪些通路有意义。
所以我们在输入的时候需要输入整个基因组的基因以及其对应的表达量(logFC即可或者表达矩阵)。
对于GSEA而言，使用的则是MSigDB的背景数据集，里面包括了相对应的GO和KEGG的数据集。
第2章 生物富集
研究生物放大，特别是研究各种食物链对 哪些污染物具有生物放大的潜力，对于确定环 境中污染物的安全浓度等，具有重要的意义。
第二节 生物富集机制
影响生物富集的因素很多：生物种
的特性、污染物的性质、污染物的浓度
和作用时间，以及环境特点是主要的、 决定性的因素。
一、生物学特性
（一）生物体内能与污染物结合的物质 生物体内存在的、能与污染物相结合的活 性物质的活性强弱和数量多寡都影响生物的富 集。生物体内凡是能和污染物形成稳定结合物 的物质，都能增加生物富集量。这些组分都能 和污染物特别是重金属相结合而形成稳定的结 合物；并且，富集也可消除或缓解重金属的毒 害作用。 这类物质有糖类、蛋白质、氨基酸、脂类、 核酸等。
（二）不同器官
生物的不同器官对污染物的富集量有很 大差异。这是因为各类器官的结构和功能不 同，与污染物接触时间的长短、接触面积的 大小等也都存在很大差异。
对三种鱼（鲢鱼、草鱼、鲤鱼）的研究 证明，在相同铅浓度下，三种鱼各部位的富 集规律都一致：
即鳃＞内脏＞骨筋＞头＞肌肉。
水稻对Pb的吸收为：根>叶>茎>谷壳>米
环境要素通过影响生物的生长发育
和污染物的性质来间接影响污染物的生
物富集，土壤重金属作物效应的区域差 异就是环境要素作用的结果。
土壤环境：
土壤水分过多，污染物以还原态为主，活 性受到抑制，富集量减少。土壤水分过少，污 染物的可给态数量少，富集量亦因此而减少。 土壤pH低，有利于污染物的活化，富集量 增加。 土壤中有机质和矿质元素的大量存在，会 极大地降低植物富集重金属的数量。 不同类型的土壤，对不同种类的有机和无 机污染物具有不同的降解、吸附和淋溶作用， 因而影响土壤生物和植物对污染物的生物积累。
富集分析的原理和应用
富集分析的原理和应用1. 富集分析的介绍富集分析是一种常用的生物信息学方法，用于确定给定基因集中的功能相关的生物学过程、通路或特定的分子功能。
它可以帮助我们理解基因集在生物学上的功能特征，并提供新的洞察力来解释实验数据。
2. 富集分析的原理富集分析的核心原理是基于假设，即在给定的基因集中，相关的基因会聚集在特定的生物学过程、通路或分子功能中。
通过将基因集与已知的功能注释数据库进行比较，可以鉴定与给定基因集显著富集的功能项。
3. 富集分析的步骤富集分析通常包含以下步骤：3.1 数据准备首先要准备待分析的基因列表，这些基因通常是通过高通量测序、基因芯片等技术获得的。
同时还需要获取功能注释数据库，例如Gene Ontology (GO)数据库等。
3.2 统计分析基因集富集分析的核心是统计分析。
通常采用超几何分布、卡方检验或Fisher精确检验等方法，计算每个功能项的富集P值。
P值表示该功能项与给定基因集的关联程度，较小的P值意味着更显著的富集。
3.3 多重检验校正由于进行多个功能项的比较，需要对P值进行校正，以控制错误发现率。
常用的多重检验校正方法包括Bonferroni、Benjamini-Hochberg等。
3.4 结果解释和可视化根据富集分析的结果，通常会选择显著富集的功能项进行进一步的解释和分析。
可以通过图表、图形和网络等方式进行结果可视化，以便更好地理解和解释结果。
4. 富集分析的应用富集分析在许多生物学研究领域中都得到了广泛的应用，包括以下几个方面：4.1 基因功能注释富集分析可以帮助我们确定一组基因的功能特征，从而更好地理解这些基因在生物学上的作用和相互关系。
通过富集分析，我们可以发现这些基因是否在某些生物过程、生物通路或者分子功能中富集。
4.2 疾病研究富集分析可以帮助我们理解与特定疾病相关的基因表达特征和生物学功能。
通过将疾病关联基因与功能注释数据库进行比较，我们可以鉴定与该疾病相关的生物学过程、通路或者分子功能。
高中生物新教材选择性必修二教案讲义：生物富集及探究土壤微生物的分解作用
生物富集及探究土壤微生物的分解作用[学习目标] 1.通过分析生物富集的过程，说明生物富集的危害，认同应采取措施减少危害。
2.尝试探究土壤微生物的分解作用。
生物富集1．概念：生物体从周围环境吸收、积蓄某种元素或难以降解的化合物，使其在机体内浓度超过环境浓度的现象。
2．实例3．进入生物体的方式(1)动、植物直接吸收。
(2)沿食物链逐渐在生物体内聚集，最终积累在食物链的顶端。
4．在生物体的分布：形成比较稳定的化合物分布于多种组织细胞中，不易被排出，积蓄在体内。
5．特点：全球性。
判断正误(1)生物富集的物质会沿着食物链、食物网在生物体内聚集()(2)营养级越高的生物，其体内富集的有害物质的浓度越高()答案(1)√(2)√任务：分析生物富集现象及其成因1．如图为不同采样点中水、水底沉积物和中国血蛤体内的铅浓度。
据图分析，写出分析结果：铅在中国血蛤体内的浓度超过环境浓度。
2．对比碳循环，分析铅在生物体内富集的原因。
成因：铅在生物体内形成难以降解的化合物，且不易排出。
3．如图为水体和多种水生生物体内的铅浓度示意图。
据图分析，写出分析结果：铅在生物体内的浓度沿食物链不断升高。
4．还有哪些有害物质也有与铅类似的现象？提示镉、汞等重金属，DDT、六六六等人工合成的有机化合物及一些放射性物质。
5．生物富集对生物体有危害吗？提示有，而且富集的物质会沿着食物链积累，最终威胁食物链顶端的生物(包括人类)。
6．生物富集现象也具有全球性吗？说出理由。
提示有，富集的物质可通过大气、水和生物迁移等途径扩散，因此具有全球性。
7．如何有效地减少生物富集现象？提示合理利用资源，减少污染物排放，实施垃圾分类，种植能吸收有害重金属元素的植物等。
1．(2023·浙江绍兴高二期末)在煤燃烧、有色金属冶炼过程中铅会以微小颗粒被排放进入大气，然后沉降在土壤和植物表面，而铅进入植物和动物体内后将不易被排出。
下列叙述错误的是()A ．铅能沿食物链在生物体内聚集，营养级越高的生物体内铅含量越高B ．铅随大气、水和生物迁移等途径扩散，生态系统中铅循环具有全球性C ．铅通过动植物呼吸作用、分解者分解作用和化石燃料燃烧等返回非生物环境D ．减少化石燃料的燃烧、开发清洁能源是减少铅的生物富集现象的有效措施 答案 C解析 铅化学性质稳定，不易分解，不能最终通过动植物呼吸作用返回非生物环境，C 错误。
生物富集
元素 K Fe Mg Mn Cu Zn Ni Cd Cr Pb
土壤Soil 土壤 5181.65 880.53 699.00 308.24 21.48 54.61 25.98 1.89 30.69 16.88
4
生物富集
影响生物富集的因素
不同生育期 p44 不同生物种 p47 超量积累的植物 p49 有些植物能超量吸收和积累重金属，Brook称这种植 有些植物能超量吸收和积累重金属，Brook称这种植 物为重金属超量积累植物（hyperaccumulator）。 物为重金属超量积累植物（hyperaccumulator）。 这类植物有三个主要特征 三个主要特征： 这类植物有三个主要特征： 1、体内某一元素浓度大于一定的临界值； 体内某一元素浓度大于一定的临界值； 2、植物吸收的重金属大部分分布在地上部， 植物吸收的重金属大部分分布在地上部， 即有较高的地上部/根浓度比率； 即有较高的地上部/根浓度比率； 3、在重金属污染的土壤上这类植物能良好的 生长，一般不会发生重金属毒害现象。 生长，一般不会发生重金属毒害现象。
9
生物富集
影响生物富集的因素
环境特点
环境要素通过影响生物的生长发育和污染物的性质来间接影响污染物 的生物富集，土壤重金属作用效应的区域差异就是环境要素作用的 的生物富集， 结果。 结果。
污染物质的生物富集
三羧酸循环或柠檬酸循环，简称TCA循环。
• 微生物降解糖类的基本途径是：
(3)丙酮酸的转化：无氧氧化条件下丙酮酸通过酶促反
应，往往以其本身作受氢体而被还原为乳酸；或以其转化 的中间产物作受氢体，、耗氧有机污染物质的微生物降解
2．脂肪的微生物降解 脂肪是由脂肪酸和甘油合成的酯。 微生物降解脂肪的基本途径如下：
无氧氧化条件下，都可经过相应的一系列酶促反应形成丙 酮酸。这一过程称为单糖酵解。
微生物降解糖类的基本途径是：
(3)丙酮酸的转化：在有氧氧化条件下，丙酮酸通 过酶促反应转化成乙酰辅酶A
乙酰辅酶A与草酰乙酸经下式酶促反应转成柠檬酸。
柠檬酸通过图5—7所示酶促反应途径，最后形成草酰 乙酸，又与上述丙酮酸持续转变成的乙酰辅酶A生成柠檬 酸，再进行新一轮的转化。这种生物转化的循环途径称为
辅酶Q又称泛醌，简写CoQ，是某些氧化还原酶的辅 酶，在酶促反应中担任递氢任务。
二、若干重要辅酶的功能
4．细胞色素酶系的辅酶
细胞色素酶系是催化底物氧化的一类酶系，主要有 细胞色素b、c1、c、a和a3等几种。它们的酶蛋白部分各 不相同，但是辅酶都是铁卟啉。
二、若干重要辅酶的功能
5．辅酶A
辅酶A是泛酸的一个衍生物，简写为CoASH，结构式如下：
等于从水中的吸收速率，从食物链上的吸收速率及其本身消除、稀释速 率的代数和。
• 三、生物积累
上列式子表明，生物积累的物质浓度中，一项是从水中摄得的浓度， 另一项是从食物链传递得到的浓度。这二项的对比，反映出相应的生物官 集和生物放大在生物积累达到平衡时的贡献大小。
三、生物积累
另外，可知 的关系为
四、耗氧有机污染物质的微生物降解
3．蛋白质的微生物降解
手把手教你看富集分析结果之GO富集
手把手教你看富集分析结果之GO富集GO和KEGG富集分析作为差异基因富集分析的双生花，从基因功能和通路分析两个侧重点解读差异基因的生物学功能，是数据解读的两大重要工具。
上次我们从认识KEGG信号通路图里的常见符号，数字以及图标的颜色三个方面介绍了KEGG信号通路图的基础知识（手把手教你看KEGG通路图！），使我们能读懂KEGG复杂信号通路这本天书，基于该结果解读我们研究的生物学问题。
下面我们认识一下GO富集分析的真面目。
GO，Gene Ontology，是基因功能国际标准分类体系。
它旨在建立一个适用于各种物种的，对基因和蛋白质功能进行限定和描述的，并能随着研究不断深入而更新的语言词汇标准。
GO分为分子功能（Molecular Function）、生物过程（Biological Process）、和细胞组成（Cellular Component）三个部分。
我们使用GOseq软件，基于 Wallenius non-central hyper-geometric distribution数学模型，对差异基因进行GO富集分析。
案例GO富集分析的结果主要有两种展现形式：柱状图和DAG（有向无环图），柱状图主要是对富集结果的统计，故在此我们主要挖掘反映GO term上下层级关系以及富集程度的DAG图，实例如下：1.认识DAG图里的符号2. 认识DAG图里的数字3.认识DAG图里的颜色图形的颜色反映了差异基因在GO term的富集程度，颜色越深富集越显著，红色最显著，黄色次之，无色代表富集不显著。
通过以上三点我们看懂GO富集的天书，但是看懂不是目的，结合生物学问题对天书的解读是关键，基本原则如下：•GO term分为三大类，每一类从不同的层面解释基因的生物学功能，我们可以结合生物学问题的特殊性，有针对性的关注GO term：例如我们期望从离子通道这一层面解释植物耐旱，耐盐的的机理，我们可以优先关注细胞组成里面膜蛋白。
【干货】10分钟学会基因富集分析
【干货】10分钟学会基因富集分析基因富集大家最常用的软件是David，那么有没有其他更好用更直观的工具呢？答案是Yes！其实David的数据更新一直比较慢，2016年前大家用的David 6.7版本是数年前发布的，而David 6.8一直到去年的10月才发布。
我们给大家介绍一个新工具，叫做Metascape，使用更简单，结果更酷炫！这个工具的最新数据库更新是在2017年的3月，如果你担心这个工具的权威性，查一下2017年发表在Nature Microbiology上的 Systems-based analysis of RIG-I-dependent signalling identifies KHSRP as an inhibitor of RIG-I receptor activation. 这篇文章的基因富集就是使用了Metascape这个工具！那么还有什么好处呢？那就是图啦！这个工具甚至可以帮你生成一份PPT，里面是全部的分析结果包括图表！悄悄告诉你，这些酷炫的图表就是用Metascape做的！下面来看看怎么使用吧！（1）访问（2）把标准的基因名的列表贴到页面上的窗口里，就像下面这样：然后点击粘贴基因列表框下的蓝色按钮“Submit”按钮。
（3）Submit后，需要选择这些基因所属的物种，如果我们研究的是人类的物种，那就选择H.sapiens即可。
（4）选择进行富集分析，即点击“Express Analysis”按钮，页面会显示分析的进度条，就像下面这样：（5）静静等待分析结束，然后点击下图中的Analysis Report Page的按钮。
（6）一气呵成！慢慢享受分析结果吧！这是你上传的基因富集在哪些通路上的结果，还可以点击PDF下载高清图片。
这是PPI和Network的结果。
最后，告诉大家一个好用的！点击页面顶部的下载报告PPT按钮，就会得到一份非常详尽的包含所有图表的PPT喔！想学更多这类实用工具？那就快来参加由宇道生物和上交大医学院生信中心共同举办的《实用生物信息学培训班》吧，为您的文章和基金补充生信分析内容，结果更丰满，图表更漂亮：）只做了一部分预实验，如何使用生物信息学方法为自己的观点提供更多证据？常见的基因信息、蛋白信息、蛋白-蛋白相互作用信息如何查找？GO/KEGG分析是怎么做的，结果有什么用？非编码RNA的研究中有哪些生物信息学工具和方法可以现学现用？在公司做了二代测序实验，完全看不懂生物信息学分析报告…测序公司给我分析了好多差异蛋白/突变，接下去怎么办？本次培训班由宇道生物和上交大医学院医药生物信息学中心联合打造，上课老师经验丰富，课程设计合理，专治各种迷茫，30人以下小班教学，名额有限喔！培训概况【主办单位】上海宇道生物技术有限公司/上海交通大学医学院医药生物信息学中心【培训地点】上海交通大学医学院（上海市重庆南路280号4号楼103）【课程时间】2017年12月01日 - 12月03日（报名中）【课程人数】精品小班，每期不超过30位学员！温馨提示：请学员携带笔记本电脑参加。
第二章 生物富集(修改)
特点是主要的、决定性因素。
生物学特性 污染物的性质 污染物的浓度和作用时间 环境特点 富集与食物链
生物学习性：生物在某
种条件或环境中长期养
成的特性 生物学特性：生物雨生 俱来的特有的内在的品 质，是模糊的，抽象的
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3、到目前为止，我国科学家仅发现砷超积累的植物
超吴淞草、大叶进口边草；锌、隔超积累的植物 东南景天；隔超积累的植物龙葵；锰超积累的植
物赏陆；铅、隔超积累的植物宝山堇菜。
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东南景天
龙 葵
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二、污染物的性质
污染物的性质主要包括：污染物的价态、形态、
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(一) 污染物具有化学稳定性和高脂溶性是生物 富集的重要条件
举例： 1964年夏，日本发生的米糠油事件，就
是因为在米糠油脱臭过程中，作为热载体的多氯 联苯400（kc-400，以含氯48%的四氯联苯为主要
成分的PCB混合物）大量混入米糠油，人们食用
后引起PCB及有关化合物的亚急性中毒。
（一）生物体内能与污染物结合的物质
2. 蛋白质和氨基酸也具有与重金属及某些农药相结
合的位点。氨基酸含有羧基和氨基，它们都能与
金属相结合而形成金属螯合物 。
3. 脂类含有极性酯键，这类酯键能和金属离子结合
而形成络合物或螯合物，从而把重金属贮存在脂
肪内。
污染物质和上述生物各组分结合，并被固定在生物体各部 位，降低了污染物的活性，从而加速生物的吸收，增加富集量。
（一）生物体内能与污染物结合的物质
（2）体内污染物在生物酶的作用下通过氧化、还原、
第二章生物富集
hyperaccumulator of nickel from New Caledonia”中。
■ Brooks等（1977）：植物干叶片组织中Ni含 量超过1000 mg kg-1的植物。
共四十二页
后来，其他金属的超富集特征阈值也相继给
出。现在普遍认为Ni、Cu、Pb、Co和Cr为
1000 mg/kg，Zn和Mn为10000 mg/kg，Cd
和Se为100 mg/kg，Hg为10 mg/kg，Au为1
mg/kg。这些阈值基本上是正常非超富集植
物(zhíwù)地上部相应金属含量的100倍以上
（Reeves & Baker, 2000; Lasat，2002）。
▲蛋白质和氨基酸 ；
▲脂类；
▲核酸和有机酸 。
共四十二页
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金属 硫蛋 (jīnshǔ) 白
■金属硫蛋白是生物有机体在某些金属的诱导下合成的一
类脱辅基硫蛋白，其特性为： ①是低分子量（6 000-10 000D）的蛋白质； ②含有高达30%半胱氨酸，故与金属离子有很强的结合
力，对重金属具有很高的结合量； ③S-S不能与芳香族氨基酸结合； ④镉硫蛋白在250nm处吸收最强； ⑤属热稳定性蛋白质；
2. 不同 器官 (bù tónɡ)
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11
（一）生物学特性
(tèxìng)
2. 不同 器官 (bù tónɡ)
共四十二页
12
（一）生物学特性
(tèxìng)
3. 不同 生育期 (bù tónɡ)
关于生物富集作用的相关知识
关于生物富集作用的相关知识1、富集作用的概念生物富集作用又叫生物浓缩，是指同一营养级的许多生物种群通过对环境中某些元素或难以分解的化合物的积累，使这些物质在生物体内的浓度超过环境中浓度的现象。
生物积累是指同一生物个体在生长发育的不同阶段生物富集系数(指某种元素或化合物在生物体内的浓度与其在的环境中的浓度的比值)不断增加的现象。
生物放大是指在同一食物链上，生物富集系数从低位营养级到高位营养级逐渐增大的现象。
2.富集作用的的产生及行成过程富集作用的产生：是人类在日常生产生活中产生的重金属等有毒物质如（汞、铬、铅等）会沿着食物链富集，营养级别越高的生物体内含的有毒物质越多。
生物体吸收环境中物质的情况有三种：一种是藻类植物、原生动物和多种微生物等，它们主要靠体表直接吸收；另一种是高等植物它们主要靠根系吸收；在一种是大多数动物，它们主要靠吞食吸收。
在上述三种情况中，前两种属于直接从环境中吸取，后一种则需要通过食物链进行摄取。
环境中的各种物资进入生物体后，立即参加到新陈代谢的各项活动中。
其中，一部分生命必须的物质参加到生物体的组成中，多余的以及非生命必须的物质则很快的分解掉并且排除体外，只有少数不容易分解的物质（如DDT）长期残留在生物体内。
3、富集作用对生物体的影响水俣病、痛痛病等分别是因为随总排放含汞和铬的工业废水引起的。
生物富集作用可能有以下危害:⒈金属物质.有毒化学物质的累积,通过食物连的传递造成生物的多层性危害。
某些化学物质在沿着食物链转移的过程中产生生物富集作用，即每经过一种生物体，其浓度就有一次明显的提高。
某些理化性质比较稳定的农药，如有机氯、有机汞和有机砷制剂等，脂溶性强，与酶和蛋白质有较大的亲和力，不易排出体外，在食物链中通过生物富集作用逐级在生物体内浓缩，可使其残留量增高。
生物富集作用以水生生物最为明显。
比方说，水里有一克农药，被浮游生物吃了，然后顺着食物链，这一克农药开始产生生物富集作用，沿着小鱼、大鱼，来到水鸟这里。
生物富集系数的快速测定法
生物富集系数的快速测定法
《生物富集系数的快速测定法》是一种用于测定污染物在生物体内的富集系数的方法。
它能够快速准确地测定出污染物的生物富集系数，从而更好地了解污染物的毒性和危害性。
该方法主要由三个步骤组成：第一步是采集样品，第二步是对样品进行分析，第三步是计算生物富集系数。
首先，采集污染物的样品，然后用色谱仪或其他分析仪器对样品中的污染物进行分析，最后，根据分析结果计算出污染物的生物富集系数。
该方法易于操作，结果准确，可以有效地测定污染物的生物富集系数，从而更好地了解污染物的毒性和危害性。
因此，该方法受到广泛的应用，为环境污染的控制提供了有效的技术支持。
归一化富集分数
归一化富集分数【实用版】目录1.归一化富集分数的定义和意义2.归一化富集分数的计算方法3.归一化富集分数的应用实例4.归一化富集分数的优点与局限性正文归一化富集分数（Normalized Enrichment Score）是一种用于评估基因或蛋白质在生物过程中重要性的指标。
在生物信息学领域，研究者们通过分析基因或蛋白质在多个生物过程中的表达情况，以探究它们在生物过程中的功能和作用。
归一化富集分数可以帮助研究者更准确地判断基因或蛋白质在某一生物过程中的富集程度。
归一化富集分数的计算方法主要包括以下几个步骤：1.对于每个基因或蛋白质，计算其在所有生物过程中的表达水平的总和。
2.计算每个基因或蛋白质在各个生物过程中的表达水平占其在所有生物过程中的表达水平的比例。
3.对上述比例进行归一化处理，使其之和为 1。
归一化富集分数的应用实例包括基因功能注释、蛋白质功能预测等。
通过分析基因或蛋白质在不同生物过程中的归一化富集分数，研究者可以推测它们在不同生物过程中的功能和作用。
此外，研究者还可以通过比较不同基因或蛋白质的归一化富集分数，筛选出在某一生物过程中具有较高重要性的基因或蛋白质。
归一化富集分数的优点在于能够较好地反映基因或蛋白质在多个生物过程中的富集情况，有助于研究者更准确地判断其功能和作用。
然而，归一化富集分数也存在一定的局限性。
例如，对于某些基因或蛋白质，在多个生物过程中的表达水平可能存在较大的差异，导致归一化富集分数的计算结果受到一定程度的影响。
总之，归一化富集分数是一种在生物信息学领域中常用的指标，有助于研究者评估基因或蛋白质在生物过程中的重要性。
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2.1.4 生物放大(bio-magnification)
• 定义：在同一个食物链上，高位营 养级生物体内来自环境的某些元素 或难以分解的化合物的浓度，高于 低位营养级生物的现象。
海水中汞的浓度为0.0001mg/L时， 浮游生物体内含汞量可达0.0010.002mg/L，小鱼体内可达0.20.5mg/L，而大鱼体内可达1-5 mg/L， 大鱼体内汞比海水含汞量高1万-6万倍。
结实期＞苗期＞拔节期＞抽穗期＞分蘖期。
（6）不同生物种
几种杨树富集汞的强弱顺序为加拿大杨＞晚花杨＞早 杨＞辽杨。 8种水生植物对铜的吸收，规律为：苦草(2种)＞黑藻＞ 水龙＞喜旱莲子草＞大藻＞心叶水车前＞水车前。 菌耳和地衣因为具有很强的吸收痕量元素的能力， 比同一区域内的树木可吸收累积更多的汞。 于常荣等(1992)作了松花江鱼类汞污染现状研究．发 现生活在同一江段的不同鱼类总汞与甲基汞平均含量各 不相同，表现为(按含汞量由高到低顺序)：雷氏七鳃鳗 ＞鲶鱼、花鳅、青鱼、黄鱼＞鲤鱼、银鲫鱼、犬首＞银 鲴。
①污染物和生物体中某些成分结合(络合、螯合)，不能 再参加代谢活动，使污染物失去毒性，从而可以在生物 体内富集；
②体内污染物在酶的作用下通过氧化、还原、水解、脱 烃、脱卤、苯环轻基化和异构化过程，毒性降低，甚至 彻底分解，失去毒性，从而加速生物的吸收，增加生物 富集量。
（4）不同器官
生物的不同器官对污染物的富集量 有很大差异。这是因为各类器官的结 构和功能不同，与污染物接触时间的 长短、接触面积的大小等也都存在很 大差异。
2.3.2 污染物性质
（1）稳定性和脂溶性是富集的重要条件 生物富集与生物对污染物的解毒能力(即污染物的生物稳 定性)有关。解毒能力越强，则富集能力越弱；反之则富 集能力越强。解毒能力又与污染物的化学结构有关。 例如PCB中可置换的氯的数目或位置不同，其代谢、解 毒、富集的情况差别就很大。研究者对氯置换数目不同的 各种单一PCB成分进行深入研究，得出以下几条规律： （1)四氯以下的低氯代PCB，几乎都能代谢为单酚，部分 形成二酚，所以易分解，不易富集。 （2）五氯或六氯代PCB同样可以单氧化为单酚，但速度慢， 易富集。 （3）七氯以上的高氯代PCB几乎不被代谢，能高度富集。 （4）氯数目相同的PCB，相邻位置未被置换或邻位为氯置 换的，比没有这两种情况的易被代谢而不易被富集。
许多氨基酸还含有一N基、一SH基等，也都能 与金属结合形成复杂的金属螯合环，稳定性增强。
金属硫蛋白（MT）
金属硫蛋白(metallothionein)是由由微 生物和植物产生的金属结合蛋白，富含半胱 氨酸的短肽，对多种重金属有高度亲和性。 它是分子质量较低，半胱氨酸残基和金属含 量极高的蛋白质。与其结合的金属主要是镉、 铜和锌，广泛地存在于从微生物到人类各种 生物中，其结构高度保守。
（1）糖类
醛基
葡萄糖
（2）蛋白质和氨基酸
蛋白质和氨基酸也 具有与重金属及某 些农药相结合的位 点。一般认为蛋白 质所含有的酸性氨 基酸比碱性氨基酸 多，其等电点接近 于pH5。
氨基酸
如果在中性环境中，蛋白质往往呈 阴离子状态，易和金属阳离子结合—离 子吸附作用：
同时氨基醛含有羧基和氨基，它们都能 与金属相结合而形成金属螯合物：
Байду номын сангаас
2.1.2 生物富集系数（BCF） bioconcentration factors
• 别名 生物富集因子 • 含义 BCF是生物组织（干重）中化合物的 浓度和溶解在水中的浓度之比。也可以认为 是生物对化合物的吸收速率与生物体内化合 物净化速率之比。 • 生物体内污染物的浓度/生存环境中该污染 物浓度
2.1.3 生物积累（bio-accumulation）
• 研究的意义 生物机体对化学性质稳定的物质的 积累性可作为环境监测的一种指标，用以评价污 染物对环境的影响，研究污染物在环境中的迁移 转化规律。 对某种特定元素来说，某些生物种类比同一 环境中的其他种类有特别强的积累能力，常被称 为“积累者生物”。例如褐藻能大量积累锶，地 衣能积累铅，水生的蓼属植物能积累DDT。这些生 物可以作为指示生物,甚至可以作为重金属污染的 生物学处理手段。
生物富集直观表达
生物富集与食物链相联系，各种生物通过 一系列吃与被吃的关系，把生物与生物紧密地 联系起来，如自然界中一种有害的化学物质被 草吸收，虽然浓度很低，但以吃草为生的兔子 吃了这种草，而这种有害物质很难排出体外， 便逐渐在它体内积累。而老鹰以吃兔子为生， 于是有害的化学物质便会在老鹰体内进一步积 累。这样食物链对有害的化学物质有累积和放 大的效应。
• （3）脂类 脂类含有极性酯键，这类酯键能和金 属离子结合而形成络合物或螯合物，从而 把重金属贮存在脂肪内。
（4）核酸 核酸在生物富集中具有十分重要的作用。 核酸是极性化合物，既含有磷酸基又含有 碱性基团，属两性电解质。在一定的pH条 件下能解离而带电荷，所以能和金属离子 结合。 污染物质和上述生物各组分结合，并 被固定在生物体各部位，降低污染物的活 性，从而加速生物的吸收，增加富集量。
2.3 影响生物富集的因素
生物学特性 污染物性质 环境因素
2.3.1 生物学特性
（1）分解酶的活性
生物对复杂有机化合物的富集能力与 其体内存在的分解该类物质的酶的活性有 关。酶活性越强，则越不易富集；酶活性 越弱，则越易富集。
例如鱼对某些农药的富集能力强是因为 鱼体内环氧化物水化酶和艾氏剂环氧化酶 的活性小于人类、鸟和昆虫的缘故。
（7）超富集植物与植物修复技术
超积累植物主要是指那些对某些重 金属具有特别的吸收能力（超过一般植 物100倍以上的植物），而本身不受毒害 的植物种和基因型，即重金属超富集 （hyperaccumulator）。
超富集植物的特征：
• 植物地上部（茎和叶）重金属含量是普通植 物在同一生长条件下的100倍。
DDT在食物链中的富集
大气 DDT：3×10-6mg/m3 DDT：0.04mg/kg
浮游生物
小鱼
DDT：0.5mg/kg DDT：2mg/kg
大鱼
DDT：2.5mg/kg
海鸟
思考：
• 为什么许多有机和无机污染物在生物体 内的浓度远远大于其在环境中的浓度？ • 对于一个受污染的生态系统而言，生物 体内的污染物浓度为什么会有明显的随 营养级升高而增加的现象？ • 研究（污染物）的生物积累的意义是什 么？
影响因素
（2）生物体内的脂肪含量
多氯联苯（PCBs）在鱼体内脏中的浓度 差别很大，一般以肝脏中PCBs浓度最大，其 次为鳃、整个鱼体、心脏、脑、肌肉，这种 变化差异是由于这些脏器中脂肪含量不同而 引起的。 生物富集常用富集系数来表示。
描述生物富集现象的两个概念：
生物积累和生物放大
2.1.3 生物积累（bio-accumulation）
生物积累vs生物放大
• 生物积累是指同一生物个体在生长发 育的不同阶段生物富集系数不断增加 的现象。
• 生物放大是指在同一食物链上，生物富 集系数从低位营养级到高位营养级逐级 增大的现象。 • 生物放大一词是专指具有食物链关系的 生物说的，如果生物之间不存在食物链 关系，则用生物浓缩或生物积累来解释。
对三种鱼(蛙鱼、草鱼、鲤鱼)的研究证明，在相同铅浓度下， 三种色各部位的富集规律都一致 即鳃＞内脏＞骨筋＞头＞肌肉。
水稻对Pd的吸收为：根>叶>茎>谷壳>米
（5）生育期
生物在不同生育期接触污染物,体内富集量 有明显差异。 对水稻对铅的富集顺序为: 拔节期＞分蘖期＞苗期＞抽穗期＞结实期。 谷壳和糙米的富集量则不同．都是以结实 期施铅富集量最高，其富集顺序为：
• 植物地上部重金属含量大于根部该种重金属 含量。 • 地上部生物富集系数>1。
（1）化学稳定性
球果蔊菜（Cr，As）
芥菜（Pb，Cr、Cd、Ni、Zn，Cu ）
长绒毛委陵菜（Zn）
圆锥南芥（Cd）
案例
美国Edenspace 公司专门从事开发植物修 复各种污染土壤和水体的工作。该公司1996 年 成功地利用B . j uncea （芥菜）与EDTA 结合修 复了一块铅污染的土地。通过灌溉施入2 mmol/ kg 的EDTA ,然后种植印度芥菜,21 天后收割,在 一个季节内共种植收割3 茬。
2.1.2生物富集系数（BCF） bioconcentration factors 影响因素
（1）有机物在水中的溶解度 我们可以通过有机化合物的辛醇—水分配系 数(Koc)来表示：有机物在等体积的混合溶剂辛 醇—水中的分配程度。 由于辛醇对有机物的分配，与有机物在土壤 有机质中的分配极为相似，因此辛醇—水分配系 数(Koc）是反映有机物在水和沉积物中，有机质 间或水生生物脂肪之间分配的一种很有用的指标， 其数值越大，有机物在有机相中的溶解度也越大， 在水生生物体内的富集作用也越大。
结果： 表层土壤铅含量从2300 下降到420 mg/kg ; 15～30 cm 中土层铅含量从1280下降到992mg/kg; 30～45 cm 土层的铅含量几乎没有下降。
监测结果表明没有发现EDTA和铅向下层土壤的淋溶 作用,试验证明EDTA 确能增强印度芥菜吸收,显示 EDTA 和印度芥菜结合应用具有一定的植物修复潜力。
2.2 生物富集机制
2.2.1 生物体内能与污染物结合的物质
生物体内凡是能和污染物形成稳定结合 物的物质，都能增加生物富集量。这些组 分都能和污染物特别是重金属相结合而形 成稳定的结合物，增加富集，也可消除或 缓解重金属的毒害作用。
这类物质有糖类、蛋白质、氨基酸、脂类、 核酸等
（1）糖类
糖类物质分子结构中都有醛基（葡萄糖，果 糖是两糖，但易变为醛糖，二糖中的麦芽糖、乳 糖，多糖中的纤维素等都是由半缩醛羟基与醇羟 基缩合而成，其分子结构中部具有1，4—苷键， 并因此保留一个半缩醛羟基，使其中一个单糖有 可能转变为醛式）而具有还原性。 在还原性环境中，重金属离子易被还原，导致 活性下降，并和糖类结合形成不溶性化合物。