第四章 生物對環(huán)境污染物的抗性

1污染生態(tài)學(xué)

PollutionEcology

第四章生物對環(huán)境污染物的抗性

（Chapter4:Resistanceoforganismstoenvironmentalpollutants）主講：環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院王宏鑌2013年12月28日2內(nèi)容提要一、逆境與抗逆概述二、拒絕吸收三、結(jié)合與鈍化四、分解與轉(zhuǎn)化五、生物對污染物的區(qū)間隔離作用六、代謝方式改變七、酶系統(tǒng)的作用八、他感作用3一、逆境與抗逆概述■逆境(stressenvironment)是指對生物生存生長不利的各種環(huán)境因素的總稱，也稱脅迫(stress)

?！鐾ǔ⒛婢撤譃樯锩{迫和理化脅迫。4逆境

種類5植物的抗逆性■植物對逆境的抵抗或忍耐能力稱為抗逆性，簡稱抗性（Resistance）?？剐允侵参镌陂L期演化過程中形成的對不良環(huán)境的適應(yīng)性。■植物抗逆性大致可分為三種形式：▲避逆性（stressescape）▲御逆性（stressavoidance）▲耐逆性（stresstolerance）6避逆性（stressescape）■避逆性（stressescape），指植物通過調(diào)整生長發(fā)育周期，在時間上不與逆境相遇，避開逆境的干擾?！隼?，當(dāng)有水時，有些沙漠植物會迅速發(fā)芽，在幾小時到幾天的時間里完成發(fā)芽、生長、發(fā)育到開花結(jié)實的生命全過程?！霰苣嫘缘奶攸c是植物不與逆境接觸。7御逆性（stressavoidance）■御逆性（stressavoidance），指植物通過特定的形態(tài)結(jié)構(gòu)摒拒脅迫因子的影響，使其在逆境下仍能進(jìn)行基本正常的生理活動。逆境出現(xiàn)時，脅迫因子并未進(jìn)入組織，植物體內(nèi)不發(fā)生與環(huán)境變化相應(yīng)的變化?！隼纾秃抵参锿ㄟ^根系發(fā)達(dá)、葉片小、角質(zhì)層厚、蒸騰低、疏導(dǎo)組織發(fā)達(dá)等形態(tài)特征來抵御干旱脅迫。8耐逆性（stresstolerance）■耐逆性（stresstolerance），指植物受到環(huán)境脅迫時，通過代謝反應(yīng)來阻止、降低或修復(fù)由逆境造成的損傷，使其仍保持正常的生理活動?！隼?，植物遇到干旱或低溫時，細(xì)胞內(nèi)的滲透物質(zhì)會增加，以提高細(xì)胞抗性。9滲透調(diào)節(jié)■滲透調(diào)節(jié)（osmoticadjustment）的概念：由于提高細(xì)胞液濃度，降低滲透勢而表現(xiàn)出的調(diào)節(jié)作用?！鰸B透調(diào)節(jié)物質(zhì)：一類是由外界進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的各種無機(jī)離子，如K+、Cl-等；一類是在細(xì)胞內(nèi)合成的有機(jī)物質(zhì)，如脯氨酸、甜菜堿、可溶性糖等。10二、拒絕吸收■不吸收或少吸收污染物是生物抵抗污染脅迫的一條重要途徑，這就是生物對污染物的避性?！鰧ι飦碚f，細(xì)胞的膜系統(tǒng)是抵御外來污染物進(jìn)入的屏障，將污染物排斥于體外，使其不能進(jìn)入生物體內(nèi)是一種非常有效的方法，這樣無需消耗大量物質(zhì)能量和生物活性位點結(jié)合、分解以及隔離污染物。11二、拒絕吸收

由于污染物種類不同和污染傳遞介質(zhì)的差異，生物有多種途徑和方法阻止污染物進(jìn)入生物體。這些途徑主要包括：■限制污染物跨膜吸收；■關(guān)閉氣孔阻止氣態(tài)污染物進(jìn)入體內(nèi)；■體外分泌物與污染物的絡(luò)合；■改變根際周圍的微觀環(huán)境，加強(qiáng)土壤中污染物的固定；■通過運動遠(yuǎn)離污染源?！鲈龊裰参锏耐獗砥せ蛟诟車纬筛?。

12限制污染物跨膜吸收

細(xì)胞質(zhì)膜是有機(jī)體與外界環(huán)境之間的一個界面，因此，細(xì)胞質(zhì)膜的通透性大小是決定外界污染物離子能否進(jìn)入細(xì)胞和進(jìn)入多少的主要因素，而質(zhì)膜組成是決定質(zhì)膜透性的關(guān)鍵，所以在污染條件下，生物膜組成和變化能力的差異可能是生物多污染物抗性不同的原因之一。13關(guān)閉氣孔阻止氣態(tài)污染物進(jìn)入體內(nèi)14植物受SO2毒害程度與氣孔開張度

（王煥校，1990）植物類型受害葉面積氣孔開張度（等級）8點13點18點平均8點13點18點平均SO2作用后抗性植物0.523.511.111.11.00.71.00.90.6中等抗性26.048.522.232.02.12.21.82.00.8敏感植物47.784.070.073.02.352.252.352.333.115關(guān)閉氣孔阻止氣態(tài)污染物進(jìn)入體內(nèi)■脫落酸（abscisicacid,ABA）是植物對各種不良環(huán)境作出反應(yīng)的調(diào)節(jié)物質(zhì)，能增強(qiáng)植物對各種環(huán)境脅迫的適應(yīng)性，被稱為應(yīng)激激素或脅迫激素（stresshormone）?！鲋参矬w內(nèi)源脫落酸含量與其抗性能力成正相關(guān)。例如，在水分虧缺時，葉片中的ABA迅速增多，引起氣孔迅速關(guān)閉，減少水分蒸騰散失，從而提高抗旱能力。16體外分泌物與污染物的絡(luò)合

■在污染脅迫下，生物可反饋分泌一些物質(zhì)，通過這些物質(zhì)與重金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，降低生物生存環(huán)境中有效態(tài)重金屬離子含量，避免生物受害?！鰪男螒B(tài)學(xué)上看，莢膜是某些細(xì)菌表面具有的特殊結(jié)構(gòu)，由葡萄糖、葡萄糖醛酸、多肽和脂類構(gòu)成，對維持細(xì)菌的主要生命活動無直接的作用，但具有一定程度的保護(hù)作用，是污染物進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的重要屏障，而且具有耐污性的微生物的莢膜在污染環(huán)境中具有增厚的趨勢，這就使它們在形態(tài)學(xué)上拒絕吸收對其生存和繁殖不利的微生物。17莢膜18改變根際周圍的微觀環(huán)境，加強(qiáng)

土壤中污染物的固定

■研究表明，在環(huán)境污染條件下，植物具有主動調(diào)節(jié)根際pH值的能力。■例如，有些植物在遭受鋁毒害時，根系分泌OH-增多，使根際pH值上升，形成根際到土體pH值由高到低的梯度分布，使鋁沉淀在根表，減少根系對鋁的吸收（張福鎖，1993）?！隽硗?，鎘對根系H+的分泌存在抑制作用，從而降低鎘的生物可利用性（陳能場等，1993）。19通過運動遠(yuǎn)離污染源

■許多動物對污染環(huán)境較為敏感，具有逃避毒害的本能，如冬眠、滯育、遷移、地下生活和夜間活動等?！鐾跽裰械龋?990）對湘江流域工業(yè)區(qū)的土壤動物群落研究表明，接近污染源和污染物質(zhì)富集的農(nóng)田，土壤動物的種類和數(shù)量減少，土壤動物密度與重金屬Hg、Cd、Zn、Cu、As、Pb的濃度密切相關(guān)?！鲆话阏f來，在沒有受污染的自然土壤和耕作土壤中，土壤動物的垂直遞減率非常明顯，但是污染區(qū)的土壤，特別是受污染影響嚴(yán)重的土壤則完全不同，垂直變化異常，出現(xiàn)逆分布現(xiàn)象。這種現(xiàn)象部分是因為污染物進(jìn)入土壤后大多在表層滯留富集，土壤動物為避開污染環(huán)境而移到污染物濃度較低的下層土壤。20增厚植物的外表皮或在根周圍形成根套■有的植物（如水稻）生長在含有大量Fe2+和Mn2+的漬水土壤中，為了保證正常生長，它的根系具備了向根際釋放氧氣和氧化性物質(zhì)的能力，使?jié)n水土壤中大量的Fe2+和Mn2+在水稻根表面及質(zhì)外體被氧化而形成鐵錳氧化物膠膜。■鐵錳氧化物膠膜一方面把根包被起來以防止根系對Fe2+和Mn2+的過度吸收，另一方面把鎘、鉛、汞等重金屬富集在根外的鐵錳氧化物膠膜中，阻礙重金屬直接進(jìn)入根內(nèi)（嚴(yán)小龍等，1997）。212223242526三、結(jié)合與鈍化（一）生物細(xì)胞壁對污染物的結(jié)合和鈍化（二）金屬硫蛋白和植物螯合素27（一）生物細(xì)胞壁對污染物的結(jié)合和鈍化■細(xì)胞壁是結(jié)合、固定污染物的重要部位。因為細(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)都能夠與重金屬等毒物結(jié)合?！龃蠖鄶?shù)的微生物細(xì)胞壁都具有結(jié)合污染物的能力，這種能力與細(xì)胞壁的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)有關(guān)。28（一）生物細(xì)胞壁對污染物的結(jié)合和鈍化■例如，革蘭氏（+）菌的主要成員芽孢桿菌屬的菌都具有固定大量金屬的能力?！鲆驗槠浼?xì)胞壁有一層很厚的網(wǎng)狀肽聚糖結(jié)構(gòu)，在細(xì)胞壁表面存在的磷壁酸質(zhì)和糖醛酸磷壁酸質(zhì)連接到網(wǎng)狀的肽聚糖上。磷壁酸質(zhì)的羧基使細(xì)胞壁帶負(fù)電荷，能夠與金屬離子結(jié)合。這是細(xì)胞壁固定金屬的主要機(jī)制。

29（二）金屬硫蛋白和植物螯合素■已有的研究表明，重金屬脅迫下，生物體內(nèi)能誘導(dǎo)出兩種特殊的小分子蛋白質(zhì)——金屬硫蛋白（metallothioneins，MTs）和植物螯合素（phytochelatins，PCs），它們能與金屬螯合，從而起到解毒作用?！?/p>

MTs是一種小分子量富含半胱氨酸的蛋白質(zhì)，首先在馬腎臟內(nèi)質(zhì)中發(fā)現(xiàn)，主要存在于動物和一些真菌中，植物中僅在小麥（Laneetal.,1987）和十字花科鼠耳芥屬（Arabidopsis）植物（Murphyetal.，1997）中證實，但在其他植物中很難檢測到（Lasat,2002）?！鲆虼藢υ擃I(lǐng)域的研究主要集中在富含巰基的PCs上，其通常的結(jié)構(gòu)式為(γ-Glu-Cys)nGly，n=2-11（如PC2，PC3，PC4）（Grilletal.,1985）。30四、分解與轉(zhuǎn)化（一）氧化反應(yīng)（二）還原反應(yīng)（三）水解反應(yīng)（四）烷基化反應(yīng)31（一）氧化反應(yīng)■羥化反應(yīng)脂肪族：RCH3→RCH2OH

芳香族：C6H5R→RC6H4OH■環(huán)氧化反應(yīng)

R1—CH2—CH2—R2→R1—CH—CH—R2O32（一）氧化反應(yīng)■脫氨基反應(yīng)

■脫烷基反應(yīng)

R1—NH—R2—R3→R1NH2+R2—C—R2OCH2—CHNH2—CH3O—CH2—C—CH3+NH3OO33（一）氧化反應(yīng)■硫氧化及脫硫反應(yīng)

R—S—R→R—S—RR—C—R→R—C—R

OSO34（二）還原反應(yīng)C6H5NO2C6H5NOC6H5NHOH[2H][-H2O][2H][2H][-H2O]C6H5NH235（三）水解反應(yīng)R1CONR2R3+H2O→R1COOH+R2R3NHRCOOR’+H2O→RCOOH+R’OH36（四）烷基化反應(yīng)

在汞的甲基化過程中，需要有一種甲基傳遞體的存在，甲基鈷胺素是一種活潑的、能夠使Hg2+等金屬離子甲基化的物質(zhì)，起著重要作用。Hg2+甲基化的過程如下：CH3CoB12+HgCl2+H2O→CH3HgCl+H2OCoB12ClCH3CoB12+CH3HgCl+H2O→(CH3)2Hg+H2OCoB12Cl37五、生物對污染物的區(qū)間隔離作用38六、代謝方式改變

一些生物抗性的產(chǎn)生是由于生物體內(nèi)與污染物作用的靶分子發(fā)生遺傳突變，突變結(jié)果是降低了生物靶標(biāo)分子與污染物的親和力，從而降低了生物對污染物的敏感性，使生物產(chǎn)生對污染物的抗性。39六、代謝方式改變■例如，D-1蛋白是三氮苯類和脲類（兩類除草劑）的靶分子，這兩類除草劑與D-1蛋白結(jié)合后，抑制植物的光合作用，從而使植物死亡?！鲇捎谠贒-1蛋白肽鏈第264位的絲氨酸突變成為甘氨酸，從而使除草劑失去作用位點，從而產(chǎn)生了對除草劑的抗藥性。40七、酶系統(tǒng)的作用■不少生物在污染條件下通過繼續(xù)保持較高的代謝活力，積極地適應(yīng)污染。■大量研究表明，對污染適應(yīng)性較強(qiáng)的生物，即使在污染程度很高的情況下，仍能保持酶的活性。由于代謝活力依然保持，生物具有較高的資源供給水平，從而也提高了生物抵抗污染的水平。41常見的抗氧化指標(biāo)■超氧化物歧化酶（superoxide

dismutase,SOD）；■過氧化物酶（peroxidase,POD）;■過氧化氫酶（catalase,CAT）;■抗壞血酸氧化酶（ascorbicacidperoxide,Asb-POD）；■

O2-.產(chǎn)生速率；■丙二醛含量（MDA）。42摘要:在外源Cd2+處理梯度下，綜合探討細(xì)胞壁的阻隔作用、細(xì)胞活性氧防御酶系作用、植物細(xì)胞的區(qū)間隔離作用及有機(jī)酸生成等幾種解毒機(jī)制對抗性的貢獻(xiàn)。結(jié)果表明：（1）細(xì)胞壁及殘渣、含核糖核蛋白體的細(xì)胞溶質(zhì)部分是結(jié)合鎘的主要部位，細(xì)胞核、葉綠體和線粒體結(jié)合鎘量較少；（2）解毒功能強(qiáng)的品種并非都是對鎘吸收量少的品種，吸收量少的品種也并不意味著就有較強(qiáng)的解毒功能，解毒是多種機(jī)制綜合作用的結(jié)果；（3）POD在Cd2+處理下小麥細(xì)胞活性氧防御機(jī)制中起關(guān)鍵作用；（4）低濃度Cd2+處理下,5個小麥品種有機(jī)酸生成量變化不明顯。隨Cd2+處理濃度升高，有機(jī)酸生成量增加；（5）小麥品種FM27、FM29是解毒功能較強(qiáng)的品種，F(xiàn)M24、FM25居中，M較差。43圖1鎘處理對小麥CAT活性的影響44圖2鎘處理對小麥POD活性的影響45圖3鎘處理對小麥SOD活性的影響46圖4鎘處理對小麥MDA含量的影響47圖5鎘處理對小麥有機(jī)酸總量的影響48小麥根細(xì)胞各組分鎘含量測定

F1組分：細(xì)胞壁及未破碎殘渣；

F2組分：細(xì)胞核、葉綠體為主；

F3組分：線粒體；

F4組分：含核糖核蛋白體的細(xì)胞溶質(zhì)部分

49小麥根細(xì)胞各組分鎘含量測定值（1）

（單位：μg/gFW）

組分品種濃度，mg/L相關(guān)系數(shù)00.525153050F1FM240.301.174.3315.3682.57138.86146.640.948FM250.010.775.3518.0461.12112.84155.280.992FM270.141.476.5520.0581.15163.36178.130.964FM290.451.496.8016.6876.45122.11261.760.992M0.281.918.0016.3894.44186.87246.040.98850小麥根細(xì)胞各組分鎘含量測定值（2）

（單位：μg/gFW）組分品種濃度，mg/L相關(guān)系數(shù)00.525153050F2FM240.020.350.281.5911.8310.7628.660.964FM250.020.010.020.408.5615.5222.630.991FM270.010.030.010.535.796.1921.630.955FM290.030.020.030.847.1015.6025.710.998M0.010.060.471.459.2314.4516.890.96151小麥根細(xì)胞各組分鎘含量測定值（3）

（單位：μg/gFW）組分品種濃度，mg/L相關(guān)系數(shù)00.525153050F3FM240.030.070.041.709.1310.1915.430.962FM250.020.030.032.429.2910.2815.940.963FM270.010.020.031.727.8611.5516.040.980FM290.030.040.030.297.639.6326.050.975M0.010.010.010.834.888.9013.860.99752小麥根細(xì)胞各組分鎘含量測定值（4）

（單位：μg/gFW）組分品種濃度，mg/L相關(guān)系數(shù)00.525153050F4FM240.060.513.8113.8465.16113.22161.280.992FM250.020.174.479.0960.10110.74140.720.982FM270.080.