生物對(duì)污染物的抗性

1、 生物對(duì)污染物的抗性生物對(duì)污染物的抗性 污染生態(tài)學(xué)污染生態(tài)學(xué) 內(nèi)內(nèi) 容容 一、概述 二、植物對(duì)污染物的抗性 三、動(dòng)物對(duì)污染物的抗性 四、微生物對(duì)污染物的抗性 五、參考資料一、概述v環(huán)境污染物對(duì)生物是一種逆境脅迫因子，它們?cè)诜肿?、?xì)胞、組織、器官、個(gè)體、種群、群落以及生態(tài)系統(tǒng)等各個(gè)層次上對(duì)生物產(chǎn)生多方面的影響。v一般說(shuō)來(lái)，生物對(duì)各種不良環(huán)境具有一定的適應(yīng)性和抵抗力，稱為生物的耐性或抗性。 v生物對(duì)污染物的抗性機(jī)制是外部排斥和內(nèi)部忍耐的綜合結(jié)果。一方面通過(guò)形態(tài)學(xué)機(jī)制、生理生化機(jī)制、生態(tài)學(xué)機(jī)制等將污染物阻于體外；另一方面通過(guò)結(jié)合固定、代謝解毒、分室作用等過(guò)程將污染物在體內(nèi)富集、解毒，這兩方面的綜合結(jié)

2、果形成抗性。v解毒是生物抗性的基礎(chǔ)，但不是全部，抗性強(qiáng)的生物不一定解毒能力強(qiáng)。 v生物獲得抗性的途徑可概括為以下幾種：拒絕吸收，結(jié)合鈍化，代謝轉(zhuǎn)化，排出體外，改變代謝途徑等過(guò)程。v抗性是生物在逆境中得以生存和延續(xù)的保證，也是污染環(huán)境中生物多樣性得以保存的基礎(chǔ)。v生物的抗性對(duì)人類有利？有弊 ？vMacnair M R將抗性途徑歸納為三個(gè)方面：v避性，植物可以防止重金屬進(jìn)入體內(nèi)；v鰲合或代謝轉(zhuǎn)化體內(nèi)污染物，使其失去毒性；v改變細(xì)胞的生理生化過(guò)程，使其對(duì)毒物的敏感性降低 。二、植物對(duì)污染物的抗性1 植物的避性v將污染物排斥于體外。 v關(guān)閉氣孔阻止氣態(tài)污染物進(jìn)入體內(nèi)；分泌有機(jī)物質(zhì)到根際。v改變根際的理

3、化環(huán)境，使污染物的可移動(dòng)性降低；增厚植物的外表皮或在根周圍形成根套等。 1.1植物對(duì)氣態(tài)污染物的避性v氣孔的阻礙作用:花生與蠶豆對(duì)SO2的抗性不同。v外表皮的阻礙作用：葉片角質(zhì)層、表皮層、木栓層以及葉表附屬物是植物的防御機(jī)構(gòu)，可減少毒氣進(jìn)入葉內(nèi)。 1.2植物對(duì)土壤污染物的避性 v生物外分泌物可使生物不吸收、少吸收污染物。v植物對(duì)重金屬的吸收與陽(yáng)離子交換量(CEC)有關(guān)，細(xì)胞壁陽(yáng)離子交換越小，植物對(duì)重金屬的吸收也越少。 v土壤中的污染物主要通過(guò)根進(jìn)入植物體內(nèi)。因此，根的屏蔽作用對(duì)植物體耐受土壤污染的貢獻(xiàn)是很大的。v抗性植物至少通過(guò)三種不同方式排斥根對(duì)污染物的吸收：分泌化學(xué)物質(zhì)到根際環(huán)境，改變根際

4、的理化性質(zhì)如pH、氧化還原性質(zhì)等。以及“根際效應(yīng)”。v影響根際污染物濃度或活度的過(guò)程：向根際分泌整合劑；形成跨根際氧化還原梯度；形成跨根際pH梯度 。根際pH的變化： v根際pH影響著礦質(zhì)養(yǎng)分的化學(xué)和生物有效性；根系對(duì)重金屬毒害的忍耐程度、對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收；根系分泌物、微生物的種類和數(shù)量以及根際酶的活性等。v根際pH調(diào)節(jié)著植物對(duì)土壤污染物的吸收。 有些植物在遭受鋁毒害時(shí)，根系分泌OH-增多，使鋁沉淀，減少根系對(duì)鋁的吸收。 氧化還原性質(zhì)的改變：v有的植物有改變根際氧化還原狀態(tài)的能力，如生長(zhǎng)在錳污染土壤上的植物能夠分泌具有氧化作用的物質(zhì)將Mn2+氧化成Mn4+而減輕毒性。根分泌物對(duì)污染物的結(jié)合、降

5、解作用：v根分泌物含有有機(jī)酸、氨基酸、糖類物質(zhì)、蛋白質(zhì)、核酸以及大量其他物質(zhì)。這些物質(zhì)與根系外的污染物結(jié)合，使其移動(dòng)性降低。 v根際游離金屬離子與原生質(zhì)膜中分泌的鰲合劑形成穩(wěn)定的金屬鰲合物，其活度就會(huì)降低。v 有些受到金屬污染的植物根尖能夠分泌動(dòng)膠狀物質(zhì)(主要成分為多糖)，這些熟膠狀物質(zhì)與金屬離子親和，將金屬離子滯留在根外 。v土壤中的酶類對(duì)土壤污染物的分解轉(zhuǎn)化至關(guān)重要。許多污染物在根際土壤酶的聯(lián)合作用下被降解成為無(wú)毒或低毒的物質(zhì)。 根際效應(yīng)的作用：v根分泌物可為微生物提供能源物質(zhì)，將微生物聚集在根周圍，產(chǎn)生“根際效應(yīng)”，其中有些微生物具有凈化土壤污染物的作用。 v菌根真菌與植物在生物進(jìn)化中形

6、成了互利關(guān)系，菌根真菌在緩解植物受污染物毒害作用方面具有重要作用。 v菌根真菌和其他微生物一樣，能夠降解、轉(zhuǎn)化環(huán)境污染物，而且能夠吸收、富集環(huán)境中的金屬等無(wú)機(jī)污染物，從而降低根際環(huán)境中污染物的濃度，減少污染物進(jìn)入植物體的機(jī)會(huì)。 2 植物對(duì)污染物的結(jié)合鈍化作用v污染物進(jìn)入植物體后，會(huì)遇到生物體其他的抵抗。抗性植物能使進(jìn)入體內(nèi)的污染物變成安全、低毒的結(jié)合物，使污染物不達(dá)到敏感分子或器官，不參與代謝，正常的新陳代謝可免遭擾亂。細(xì)胞壁、細(xì)胞膜和細(xì)胞中的其他成分均具有這種結(jié)合鈍化作用。 2.1細(xì)胞壁的作用v細(xì)胞壁是結(jié)合、固定污染物的重要部位。細(xì)胞壁果膠質(zhì)中的多聚糖醛酸和纖維素分子的羧基、醛基等基團(tuán)都能與

7、重金屬等毒物結(jié)合。v木本植物根細(xì)胞壁對(duì)汞存在較強(qiáng)的親和力。2.2細(xì)胞膜的作用v細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)、糖類和脂質(zhì)也能夠結(jié)合透過(guò)細(xì)胞壁的污染物。當(dāng)環(huán)境中的鉛濃度相當(dāng)大時(shí)，有部分鉛透過(guò)細(xì)胞壁，在細(xì)胞膜上沉積下來(lái)。2.3細(xì)胞質(zhì)和液泡的作用v細(xì)胞質(zhì)和液泡中具有能夠與污染物結(jié)合的“結(jié)合座”，污染物能和細(xì)胞質(zhì)中的蛋白質(zhì)、氨基酸的羧基、氨基、巰基及酚基等官能團(tuán)結(jié)合，形成穩(wěn)定的鰲合物，起到鈍化作用。其中難溶性硫化物的絡(luò)合作用尤顯重要。農(nóng)藥及其代謝產(chǎn)物也會(huì)與這些物質(zhì)結(jié)合，形成軛合物。 v金屬離子與細(xì)胞質(zhì)中蛋白質(zhì)和其他有機(jī)化合物中的巰基以及其他基團(tuán)有很強(qiáng)的親和力，從而降低毒性。v生物將污染物運(yùn)輸?shù)襟w內(nèi)特定部位，使污染物

8、與生物體內(nèi)活性靶分子隔離，稱為生物的屏蔽作用或隔離作用。 v有些污染物及其軛合物被輸送到液泡，不會(huì)擴(kuò)散出來(lái)、不會(huì)主動(dòng)回到細(xì)胞質(zhì)中，因此，液泡在植物抗性中承擔(dān)著隔離有毒污染物及其代謝產(chǎn)物的重要作用。v液泡是生物儲(chǔ)藏有害物質(zhì)的主要場(chǎng)所。3 植物對(duì)污染物的代謝轉(zhuǎn)化作用 v植物具有拒絕吸收、結(jié)合鈍化污染物的抗性機(jī)制，當(dāng)體內(nèi)的“結(jié)合座”達(dá)到飽和時(shí)，植物會(huì)對(duì)污染物進(jìn)行代謝轉(zhuǎn)化。v有毒物質(zhì)通過(guò)機(jī)體酶促反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成低毒或無(wú)毒物質(zhì)，或轉(zhuǎn)化為易排出體外的物質(zhì)，稱為解毒作用。包括：氧化、還原、水解、脫烴、脫鹵、羥基化和異構(gòu)化作用。4 植物在污染物存在下改變代謝途徑、發(fā)生遺傳變異、降低污染物與靶分子的親和力v改變代謝

9、方式是生物抵抗環(huán)境污染物毒害的有效措施之一。v發(fā)生遺傳突變，降低生物靶分子與污染物的親和力：只發(fā)生部分位點(diǎn)突變，只產(chǎn)生抗性生物型。5 植物對(duì)污染物及其代謝產(chǎn)物的排出作用 v植物雖然沒(méi)有類似動(dòng)物那樣專門的排泄系統(tǒng)，但是可以通過(guò)其他的途徑將污染物及其代謝物排出體外。v活的植物對(duì)于金屬、類金屬的排出往往通過(guò)根系分泌作用，而氣態(tài)污染物可以通過(guò)葉面呼吸帶走。v對(duì)于農(nóng)藥等有機(jī)共扼化合物則可以通過(guò)葉片或其他器官的衰老脫落而排出體外。 6 植物的其他保護(hù)系統(tǒng)v植物體自身有一種保護(hù)系統(tǒng)來(lái)清除產(chǎn)生的自由基，以減輕環(huán)境污染物帶來(lái)的危害。SOD、POD、CAT是保護(hù)系統(tǒng)的主要酶，它們和谷胱甘肽、多胺等物質(zhì)一起，能夠清

10、除細(xì)胞內(nèi)的自由基。v大多數(shù)已知的逆境響應(yīng)基因均受ABA（脫落酸）的誘導(dǎo)，在缺少ABA的情況下，許多逆境響應(yīng)基因不能表達(dá)，而當(dāng)施入外源ABA時(shí)這些逆境響應(yīng)基因又重新表達(dá) 。7 植物的抗性指標(biāo)v(1)形態(tài)解剖指標(biāo)：氣孔構(gòu)造、柵欄和海綿組織的比例、角質(zhì)層和木栓層的厚度及根套的有無(wú)等。v(2)生理生化指標(biāo)：細(xì)胞膜透性、細(xì)胞質(zhì)含水量、酶系統(tǒng)活性及細(xì)胞內(nèi)結(jié)合物質(zhì)(如谷胱甘肽、類金屬硫蛋白等)的含量等。v(3)生態(tài)學(xué)指標(biāo)：根的分布特性、根際效應(yīng)狀況等。三三 、 動(dòng)物的抗性機(jī)制動(dòng)物的抗性機(jī)制v動(dòng)物與植物一樣，能夠?qū)ξ廴疚镒鞒鰬?yīng)答，以減少毒物對(duì)自身的傷害，從而獲得抗性。動(dòng)物的抗性機(jī)制也分為拒絕吸收、結(jié)合鈍化、分

11、解轉(zhuǎn)化及排出體外等。v（一） 動(dòng)物對(duì)污染物的避性：動(dòng)物對(duì)污染物的避性可通過(guò)行為或生理方式表現(xiàn)出來(lái)。但對(duì)于可以自由活動(dòng)的動(dòng)物來(lái)說(shuō)，更為有效的措施是從行為上主動(dòng)避開污染物，使其不進(jìn)入體內(nèi)。v毒物在機(jī)體內(nèi)的吸收、分布、代謝和排泄是一個(gè)極為復(fù)雜的過(guò)程，涉及許多屏障，污染物在動(dòng)物體內(nèi)可被結(jié)合、固定下來(lái)，使其不能達(dá)到敏感位點(diǎn)(“靶細(xì)胞”或“靶組織”)。v各種脂溶性有毒物進(jìn)入組織后，多數(shù)要與體內(nèi)的某些化合物或基團(tuán)結(jié)合，使毒性減低，極性和水溶性增加，可迅速隨尿液或汗液排出體外。 （二）動(dòng)物對(duì)污染物的結(jié)合鈍化：v污染物進(jìn)入動(dòng)物體內(nèi)，經(jīng)過(guò)水解、氧化、還原或加成（結(jié)合）等一系列代謝過(guò)程，改變其原有的化學(xué)結(jié)構(gòu)，生理活

12、性相對(duì)減弱，加速了從體內(nèi)排泄的過(guò)程。通常，轉(zhuǎn)化是將親脂的外源性污染物轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水物質(zhì)，以降低其通過(guò)細(xì)胞膜的能力，加速其排出。 （三）動(dòng)物對(duì)污染物的分解轉(zhuǎn)化：v污染物及其代謝產(chǎn)物從動(dòng)物體內(nèi)排出的主要途徑是經(jīng)過(guò)腎隨尿排出，其次是經(jīng)過(guò)肝、膽通過(guò)消化管隨糞便排出。也通過(guò)皮膚隨汗液排出。揮發(fā)性污染物及其代謝物可以通過(guò)呼吸道隨呼出氣體排出。以及其他途徑排泄。（四）動(dòng)物對(duì)污染物的排泄作用：四、 微生物的抗性機(jī)制v微生物對(duì)污染物也具有抗性。微生物對(duì)污染物的抗性也可分為避性、分解轉(zhuǎn)化等途徑。1 微生物對(duì)污染物的避性v污染物對(duì)微生物各個(gè)部分都會(huì)受到不同程度的影響，而微生物則有避開污染物的能力，這取決于微生物的生理學(xué)

13、、形態(tài)學(xué)和生態(tài)學(xué)特性。1.1形態(tài)學(xué)避性v有些微生物具有莢膜，它是污染物進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)最重要的屏障。莢膜增厚就使其在形態(tài)學(xué)上避開污染物。1.2生理學(xué)避性 v微生物能分泌絡(luò)合或分解轉(zhuǎn)化污染物的有機(jī)物，使其移動(dòng)性降低或極性改變，從而不易進(jìn)入體內(nèi)。或者污染物在胞外酶的作用下分解轉(zhuǎn)化成無(wú)毒無(wú)害的物質(zhì)。它包括：沉淀作用、胞外絡(luò)合作用、細(xì)胞壁結(jié)合作用。v微生物對(duì)環(huán)境污染物的抗性途徑主要是分解和轉(zhuǎn)化，將它們轉(zhuǎn)變成無(wú)毒或低毒的物質(zhì)，甚至將污染物作為營(yíng)養(yǎng)或獲得能源的物質(zhì)。2.1微生物對(duì)金屬離子的轉(zhuǎn)化作用v環(huán)境中一些特殊微生物對(duì)有毒金屬離子具有抗性，可使金屬離子發(fā)生轉(zhuǎn)化。 這個(gè)作用包括：甲基化；還原作用；氧化作用。2

14、微生物對(duì)污染物的分解轉(zhuǎn)化作用2.2微生物對(duì)有機(jī)污染物的分解轉(zhuǎn)化作用v微生物對(duì)農(nóng)藥的分解轉(zhuǎn)化作用：脫鹵、脫烴、酰胺及酯的水解、氧化、還原、環(huán)裂解及縮合或共軛。v微生物對(duì)氰和腈的分解：v對(duì)洗滌劑的分解：3 微生物對(duì)污染物的結(jié)合、鈍化、外排v在重金屬脅迫環(huán)境中，生物體內(nèi)普遍存在金屬硫蛋白、類金屬硫蛋白和重金屬螯合多肽。v微生物能夠改變自身?xiàng)l件以適應(yīng)新環(huán)境，這種適應(yīng)性涉及到形態(tài)學(xué)、生理學(xué)和生態(tài)學(xué)等。v微生物個(gè)體微小、繁殖迅速、比表面積大，更容易適應(yīng)環(huán)境。目前，微生物的凈化作用日益受到重視。微生物除了分解、轉(zhuǎn)化污染物外，還能將進(jìn)入體內(nèi)的污染物排出體外 。4 質(zhì)粒與微生物的抗性v質(zhì)粒是細(xì)菌或細(xì)胞染色質(zhì)以外

15、的，能自主復(fù)制的，與細(xì)菌或細(xì)胞共生的遺傳成分。其特點(diǎn)：雙鏈共價(jià)閉合環(huán)形DNA ；能自主復(fù)制，傳給后代。對(duì)宿主生存并不是必需的。 v在特殊環(huán)境中，質(zhì)粒有時(shí)起著關(guān)鍵性作用，抗性質(zhì)粒與微生物對(duì)污染物的抗性關(guān)系密切。5 凈化生物的篩選v凈化生物是指能夠把環(huán)境中的污染物吸入體內(nèi)，并且能在體內(nèi)富集、降解，從而減少環(huán)境污染物含量的生物體。自然界幾乎所有的生物都有凈化環(huán)境的能力，但凈化能力的強(qiáng)弱差別很大。凈化生物必須有一定的抗性，能夠在污染環(huán)境中正常生長(zhǎng)，具體的篩選方法有：(1)實(shí)地調(diào)查污染環(huán)境：在污染環(huán)境中，調(diào)查、篩選優(yōu)勢(shì)植物、動(dòng)物、微生物種群。 (2)人工染毒對(duì)比試驗(yàn)：在實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，對(duì)生物進(jìn)行人工染毒處理，分析生物在模擬條件下的凈化能力，評(píng)定凈化等級(jí)。v一般說(shuō)來(lái)，污染環(huán)境中的優(yōu)勢(shì)種是抗性種。分析抗性生物的抗性機(jī)制，污染物含