第二章 污染物对生物的影响

2.3 污染物在个体水平上的影响

污染物对植物在个体水平上的影响：
• 主要表现为生长减慢、发育受阻、失绿黄化、早衰等

污染物对动物在个体水平上的影响：
• 主要表现为死亡、行为改变、繁殖下降、生长和发育抑制、
疾病敏感性增加、代谢率变化
2.3.1 死亡

衡量死亡的指标
• 死亡率：死亡比例的大小，为评价污染物毒性大小的生物学

污染物进入机体后导致的生物化学变化包括：防护性生 化反应和非防护性生化反应
表2－1 对污染物的防护性和非防护性生化反应
作用类型
例子 混合功能氧化酶的 诱导 金属硫蛋白的生成 乙酰胆碱酯酶的抑 制作用 DNA加合物的生成
后果 加快新陈代谢，生成水溶性 代谢物，从而加速排泄
防护性
增加对金属的束缚速度，从 而降低金属的生物利用率

抗氧化防御系统酶
• 超氧化物歧化酶（SOD） • 谷胱甘肽氧化酶（G P x） • 过氧化氢酶（Ct）
2.1.2 污染物对生物大分子的影响
污染物对生物大分子的影响主要表现在以下方面： 干扰正常的受体——配体的相互作用
• 受体（receptor）是许多组织细胞膜上的大分子成分，配体
（ligand）是生物体内的一些具有生物活性的化学物。正常情 况下，受体与配体结合形成受体－配体复合物，产生一定的 生物学效应。
境的改变 • 竞争关系的改变
2.4.2 对生物群落的影响

基本概念
• 群落（Community） • 优势种（Dominant Species） • 优势度？？ • 耐污种 • 敏感种

污染物对群落的影响表现在：
• 群落组成和结构改变
• 对物种多样性（Species Diversity）的影响 • 注：物种多样性指群落中物种的数目（丰富度）和各个物种
损害。 • 受污染的鸟类还可表现出对领地的失控和不能照顾后代。
2.3.3 对繁殖的影响

污染物的繁殖的影响
• 主要表现为：产卵数、孵化率、幼体存活率下降以及繁殖行
为下降等

概念：环境激素（Environmental Endocrine Disrupters）
• 指具有动物和人体激素的活性，能干扰和破坏野生动物繁殖
电子传递功能

光面内质网和糙面内质网
• 光面内质网和糙面内质网是进行激素和外源性化合物的代谢
场所。 • 糙面内质网：通过附着或解离核糖体控制蛋白质的合成 • 例：多种化学致癌物如黄曲霉毒素能引起核糖体脱落，导致 蛋白质合成控制的改变。
2.2.3 污染物对组织器官的影响

三个概念：靶器官、效应器官和蓄积器官

混合功能氧化酶（MFO）
• MFO是污染物在体内进行生物转化相I过程中的关键酶系，它
们对人工化学品解毒发挥了重要作用。 • MFO引起的生物转化的反应特征相同，但底物、产物的化学特 性差别很大，即具有多种催化功能。

混合功能氧化酶（MFO）的作用
• MFO存在于所有的脊椎动物和大部分的无脊椎动物中，其作用

生物膜损伤
• 不少环境化学物通过改变膜脂流动性，影响膜的通透性和镶
嵌蛋白质的活性，改变其结构和稳定性，从而产生生物效应

干扰细胞内钙稳态
• 正常情况下细胞内的钙浓度较低（10－7～10－8 mol/L），细胞
外浓度较高（103 mol/L ）。各种细胞毒物，如硝基酚、过氧 化物、汞、铅等重金属离子均能干扰细胞内钙稳态，引起细 胞损伤和死亡。
障碍、诱发人类重大疾病的天然物质或人工合成物质。也叫 做外源性雌激素或环境内分泌干扰物。 • 环境激素的种类包括：天然雌激素、合成雌激素、植物雌激 素 、具有雌激素活性的环境化学物质 • 注：具有雌激素活性的环境化学物质：如杀虫剂、多氯联苯、 多环芳烃、洗涤剂、塑料添加剂、食品添加剂等，工业废水 和生活污水往往含有上述物质。
2.3.4 对生长和发育的影响

污染物对生长和发育的影响可通过生长指示器来测定
• 生长指示器（Scope for Growth）是反映生物机体能量获取利
用和代谢的综合指标。 • P=A-(R+U) • 注：P——SFG； A——从食物获得的能量； R——呼吸作用 的能量损失； U——排泄作用的能量损失
第二章 污染物对生物的影响
本章将讨论以下内容： 污染物在生物化学和分子水平上的影响 污染物在细胞和器官水平上的影响 污染物在个体水平上的影响 污染物在种群和群落水平上的影响 化学污染物对生物的联合作用
2.1 污染物在生物化学和分子水平上的影响
生物系统的各级生物学水平： 生物分子 细胞器 细胞 组织 器官 器官系统 个体 种群 群落 生态系统
的相对密度（群落的异质性）。
2. 5 化学污染物对生物的联合作用

联合作用(Combined Effect)的概念
• 指两种或两种以上化学污染物共同作用所产生的综合生物学
效应。

联合作用的类型：
• 相加作用（Additive Effect）：污染物的总作用强度等于其各
个成分单独作用强度的总和。 • 协同作用（Synergistic Effect）：污染物的总作用强度大于其 各个成分单独作用强度的总和。 • 独立作用（Independent Effect）各污染物对机体的侵入途径、 方式、作用部位、产生毒作用的机理各不相同，因此产生的 生物学效应彼此无关。 • 拮抗作用（Antagonistic Effect）：污染物的总作用强度小于其 中任何一种成分的单独作用强度。
2.2 污染物在细胞和器官水平上的影响
2.2.1 对细胞膜的影响

对细胞膜的影响主要表现在以下方面：
• 污染物引起的脂质过氧化作用导致的损伤 • 污染物可影响膜的离子通透性 • 污染物与膜上的受体结合，干扰正常的生理功能
2.2.2 对细胞器的影响

线粒体
• 线粒体是细胞供能的场所。 • 污染物可引起其结构改变，从而影响线粒体的氧化磷酸化和

与生物大分子共价结合
• 共价结合可改变生物大分子的结构和功能，引起一系列生物
学改变，特别是与酶蛋白、脂肪、核酸等重要生物大分子共 价结合，能改变其化学结构，影响其生理功能，甚至导致变 性和细胞死亡。
例：污染物对蛋白质的影响
污染物对蛋白质的影响主要表现在以下方面：
导致蛋白质化学损伤：细胞膜结构及通透性改变；影 响酶的催化功能等 诱导生物机体内一些功能蛋白的产生：如应激蛋白 （Stress Proteins）和金属硫蛋白（Metallothionein）的 产生，这些蛋白质的产生可保护生物机体抵抗污染物 的损害。

干扰细胞能量的合成
• 一些环境污染物可干扰糖类的氧化，使细胞不能合成能被生
物利用的ATP，ATP使细胞生命活动得不到充足的能量供给

脂质过氧化(lipied peroxidation)与自由基
• 脂质过氧化是细胞损伤的一种特殊方式,是由于产生了自由基
而引起的,正常情况下,生物体内氧化、还原和酶促反应过程中， 均可产生少量自由基，一般可被体内存在的抗氧化物质（如 维生素C、维生素E）所对抗，对生物危害不大。当大量污染 物（自由基）进入机体，造成机体抗氧化作用失衡，即可发 生脂质过氧化，对生物体造成危害。
2.4 污染物在种群和群落水平上的影响
2.4.1 对生物种群的影响
概念：种群（Population）
• 是指在一定时空中同种个体的组合。

Hale Waihona Puke Baidu

污染物对种群的影响表现为：
• 种群数量的密度改变 • 结构和性别比例的变化：年龄结构、种群大小、性逆转 • 遗传结构的改变：在进化过程中通过改变基因频率以适应环
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。 • 从解毒作用来看，许多外源性化合物进入体内，经MFO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。但有的则变成高毒甚至致癌物。
抗氧化防御系统酶

活性氧（Activiated Oxygen）
• 带有2~3个电子的分子氧还原产物，主要有：· OH、O2、H2O2
2.3.2 对行为的影响

行为毒性（Behavioral Toxicity）的概念
• 指一种污染物或其他因素（如温度、光照、辐射）使得动物
一种行为超过正常变化的范围。
回避行为 捕食行为 学习行为 警惕行为 社会行为

水环境污染可影响的生物行为：
• • • • •

对鸟类行为的影响
• 有机磷农药可影响鸟的神经系统，导致鸟的平衡和协调性的
• • • •
形成DNA加合物（DNA Addcuts） 发生DNA的二次修饰 DNA结构的破坏被固定 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


DNA加合物的形成是产生DNA损伤最早期的作用，随 后产生的最重要影响是DNA结构的改变，如碱基臵换、 碱基丢失、链断裂等。 DNA加合物作为一项生物指标来评价环境中化学污染 物的遗传毒性的研究日益受到重视。
污染物对生物体内酶的影响

1 污染物对酶辅助因子的影响
• 一些污染物能与酶的辅助因子——金属离子作用，从而使辅助
因子失活，影响到酶的活性。 • 例如：氰化物等能与细胞色素酶中的铁离子结合，形成稳定络 合物，而抑制细胞色素的酶活性，使其不能传递电子，则细胞 内的氧化代谢过程中断，使机体不能利用氧，出现内窒息性缺 氧。
50％以上因抑制而产生可见 的毒性效应 若导致突变会发生损害作用
非防护性
2.1.1 污染物对生物机体酶的影响

什么是酶（ enzyme ）？
• 酶是一种特殊的蛋白质，在生物体内对代谢活动起催化作用，
本身不发生变化。受酶作用的物质称为基质（底物），在酶 作用下的反应称为酶促反应。

酶和污染物的相互作用

活性氧的控制和消除
• 由体内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。 • 某些污染物如多环芳烃、多氯联苯可在生物体内进行生物转 化时产生大量活性氧。在一定范围内，这些活性氧可被体内 的抗氧化防御系统清除，但当体内的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或氧毒性。

2 对酶活性中心的影响
• 污染物还能和酶的其它活性基团结合，如汞和砷与某些酶的活
性基团结合就很牢固，从而使酶失去活性。

3 破坏酶的结构
• 有些污染物能够取代酶分子中的某些成分，从而使酶失去活性。
如铍的毒作用机理就是能取代某些酶分子中的镁和锰，破坏了 酶的正常结构，使酶失去活性。

4 与酶激活剂作用
• 有些酶需要激活剂才能表现活性。酶激活剂往往是金属离子，
凡是能与激活剂作用的污染物都能抑制酶的活性。

5 污染物与基质竞争同种酶而抑制酶的作用
• 污染物与底物有相似的结构，也能酶形成复合物，从而竞相和
酶发生作用。

酶的抑制
• 不可逆性抑制 • 非竞争性抑制 • 竞争性抑制
混合功能氧化酶（MFO）

• 注：金属硫蛋白对二价金属离子具有极高的亲和力，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。
污染物对DNA的影响

外源性化合物及其代谢产物能引起DNA损伤，它们与 DNA的相互作用过程有以下四个阶段：
• 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，影响酶的数量和活性。 • 另外有些环境污染物对酶有诱导作用。目前已发现多种环境 污染物能诱导生物体内一些酶的活性增加，例如：有机氯农 药、多氯联苯、多环芳烃、表面活性剂、增塑剂和染料中间 体等，均可对酶产生诱导作用。
• 注1：靶器官不同于效应器官，污染物的毒作用可以通过靶器
官表现处来，也可由另外的效应器官表现出来。 • 注2：靶器官不同于蓄积器官，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。

对组织器官的影响
• 对植物，表现为叶面出现点、片伤害斑，造成叶、蕾、花、
果实等的脱落 • 对动物，以重金属污染为例：铅可损害造血器官和神经系统， 镉可损害肝脏、肾脏，导致骨痛病。
指标 • 致死剂量（Lethal Dose）或致死浓度（Lethal Concentration）： 能引起动物死亡的污染物的剂量或浓度。 • 半数致死剂量（LD50）或半数致死浓度（LC50）：能引起50％ 的动物死亡的污染物的剂量或浓度。

影响致死效应的主要因素：
• • • •
污染物的种类及其物理化学性质 生物的种类 作用时间、水质条件，如温度、硬度、溶解氧等 多种污染物的综合作用