生物对污染物的抗性市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

生物对污染物抗性生物对污染物抗性 污染生态学污染生态学 第1页内内 容容 一、概述 二、植物对污染物抗性 三、动物对污染物抗性 四、微生物对污染物抗性 五、参考资料第2页一、概述v环境污染物对生物是一个逆境胁迫因子，它们在分子、细胞、组织、器官、个体、种群、群落以及生态系统等各个层次上对生物产生多方面影响。v一般说来，生物对各种不良环境具有一定适应性和抵抗力，称为生物耐性或抗性。第3页v生物对污染物抗性机制是外部排斥和内部忍耐综合结果。一方面经过形态学机制、生理生化机制、生态学机制等将污染物阻于体外；其次经过结合固定、代谢解毒、分室作用等过程将污染物在体内富集、解毒，这两方面综合结果形成抗性。v解毒是生物抗性基础，但不是全部，抗性强生物不一定解毒能力强。第4页生物取得抗性路径可概括为以下几个：拒绝吸收，结合钝化，代谢转化，排出体外，改变代谢路径等过程。v抗性是生物在逆境中得以生存和延续确保，也是污染环境中生物多样性得以保留基础。v生物抗性对人类有利？有弊？第5页vMacnair M R将抗性路径归纳为三个方面：v避性，植物能够预防重金属进入体内；v鳌合或代谢转化体内污染物，使其失去毒性；v改变细胞生理生化过程，使其对毒物敏感性降低。二、植物对污染物抗性第6页1 植物避性v将污染物排斥于体外。v关闭气孔阻止气态污染物进入体内；分泌有机物质到根际。v改变根际理化环境，使污染物可移动性降低；增厚植物外表皮或在根周围形成根套等。第7页1.1植物对气态污染物避性v气孔妨碍作用:花生与蚕豆对SO2抗性不一样。v外表皮妨碍作用：叶片角质层、表皮层、木栓层以及叶表从属物是植物防御机构，可降低毒气进入叶内。第8页1.2植物对土壤污染物避性 v生物外分泌物可使生物不吸收、少吸收污染物。v植物对重金属吸收与阳离子交换量(CEC)相关，细胞壁阳离子交换越小，植物对重金属吸收也越少。v土壤中污染物主要经过根进入植物体内。所以，根屏蔽作用对植物体耐受土壤污染贡献是很大。v抗性植物最少经过三种不一样方式排斥根对污染物吸收：分泌化学物质到根际环境，改变根际理化性质如pH、氧化还原性质等。以及“根际效应”。v影响根际污染物浓度或活度过程：向根际分泌整合剂；形成跨根际氧化还原梯度；形成跨根际pH梯度。第9页根际pH改变：v根际pH影响着矿质养分化学和生物有效性；根系对重金属毒害忍耐程度、对营养元素吸收；根系分泌物、微生物种类和数量以及根际酶活性等。v根际pH调整着植物对土壤污染物吸收。有些植物在遭受铝毒害时，根系分泌OH-增多，使铝沉淀，降低根系对铝吸收。第10页氧化还原性质改变：v有植物有改变根际氧化还原状态能力，如生长在锰污染土壤上植物能够分泌含有氧化作用物质将Mn2+氧化成Mn4+而减轻毒性。第11页根分泌物对污染物结合、降解作用：v根分泌物含有有机酸、氨基酸、糖类物质、蛋白质、核酸以及大量其它物质。这些物质与根系外污染物结合，使其移动性降低。v根际游离金属离子与原生质膜中分泌鳌合剂形成稳定金属鳌合物，其活度就会降低。v 有些受到金属污染植物根尖能够分泌动胶状物质(主要成份为多糖)，这些熟胶状物质与金属离子亲和，将金属离子滞留在根外。v土壤中酶类对土壤污染物分解转化至关主要。许多污染物在根际土壤酶联合作用下被降解成为无毒或低毒物质。第12页 根际效应作用：v根分泌物可为微生物提供能源物质，将微生物聚集在根周围，产生“根际效应”，其中有些微生物含有净化土壤污染物作用。菌根真菌与植物在生物进化中形成了互利关系，菌根真菌在缓解植物受污染物毒害作用方面含有主要作用。菌根真菌和其它微生物一样，能够降解、转化环境污染物，而且能够吸收、富集环境中金属等无机污染物，从而降低根际环境中污染物浓度，降低污染物进入植物体机会。第13页第14页2 植物对污染物结合钝化作用v污染物进入植物体后，会遇到生物体其他抵抗。抗性植物能使进入体内污染物变成安全、低毒结合物，使污染物不达到敏感分子或器官，不参加代谢，正常新陈代谢可免遭扰乱。细胞壁、细胞膜和细胞中其他成分均具有这种结合钝化作用。第15页2.1细胞壁作用v细胞壁是结合、固定污染物主要部位。细胞壁果胶质中多聚糖醛酸和纤维素分子羧基、醛基等基团都能与重金属等毒物结合。v木本植物根细胞壁对汞存在较强亲和力。第16页2.2细胞膜作用v细胞膜上蛋白质、糖类和脂质也能够结合透过细胞壁污染物。当环境中铅浓度相当大时，有部分铅透过细胞壁，在细胞膜上沉积下来。第17页2.3细胞质和液泡作用v细胞质和液泡中含有能够与污染物结合“结合座”，污染物能和细胞质中蛋白质、氨基酸羧基、氨基、巯基及酚基等官能团结合，形成稳定鳌合物，起到钝化作用。其中难溶性硫化物络合作用尤显主要。农药及其代谢产物也会与这些物质结合，形成轭合物。第18页v金属离子与细胞质中蛋白质和其它有机化合物中巯基以及其它基团有很强亲和力，从而降低毒性。v生物将污染物运输到体内特定部位，使污染物与生物体内活性靶分子隔离，称为生物屏蔽作用或隔离作用。v有些污染物及其轭合物被输送到液泡，不会扩散出来、不会主动回到细胞质中，所以，液泡在植物抗性中负担着隔离有毒污染物及其代谢产物主要作用。v液泡是生物储备有害物质主要场所。第19页第20页3 植物对污染物代谢转化作用 v植物含有拒绝吸收、结合钝化污染物抗性机制，当体内“结合座”到达饱和时，植物会对污染物进行代谢转化。v有毒物质经过机体酶促反应，转化成低毒或无毒物质，或转化为易排出体外物质，称为解毒作用。包含：氧化、还原、水解、脱烃、脱卤、羟基化和异构化作用。第21页4 植物在污染物存在下改变代谢路径、发生遗传变异、降低污染物与靶分子亲和力v改变代谢方式是生物抵抗环境污染物毒害有效办法之一。v发生遗传突变，降低生物靶分子与污染物亲和力：只发生部分位点突变，只产生抗性生物型。第22页5 植物对污染物及其代谢产物排出作用 v植物即使没有类似动物那样专门排泄系统，不过能够经过其它路径将污染物及其代谢物排出体外。v活植物对于金属、类金属排出往往经过根系分泌作用，而气态污染物能够经过叶面呼吸带走。v对于农药等有机共扼化合物则能够经过叶片或其它器官衰老脱落而排出体外。第23页6 植物其它保护系统v植物体本身有一个保护系统来去除产生自由基，以减轻环境污染物带来危害。SOD、POD、CAT是保护系统主要酶，它们和谷胱甘肽、多胺等物质一起，能够去除细胞内自由基。v大多数已知逆境响应基因均受ABA（脱落酸）诱导，在缺乏ABA情况下，许多逆境响应基因不能表示，而当施入外源ABA时这些逆境响应基因又重新表示。第24页7 植物抗性指标v(1)形态解剖指标：气孔结构、栅栏和海绵组织百分比、角质层和木栓层厚度及根套有没有等。v(2)生理生化指标：细胞膜透性、细胞质含水量、酶系统活性及细胞内结合物质(如谷胱甘肽、类金属硫蛋白等)含量等。v(3)生态学指标：根分布特征、根际效应情况等。第25页三三、动物抗性机制动物抗性机制动物与植物一样，能够对污染物作出应答，以降低毒物对本身伤害，从而取得抗性。动物抗性机制也分为拒绝吸收、结合钝化、分解转化及排出体外等。（一）动物对污染物避性：动物对污染物避性可经过行为或生理方式表现出来。但对于能够自由活动动物来说，更为有效办法是从行为上主动避开污染物，使其不进入体内。第26页毒物在机体内吸收、分布、代谢和排泄是一个极为复杂过程，包括许多屏障，污染物在动物体内可被结合、固定下来，使其不能到达敏感位点(“靶细胞”或“靶组织”)。各种脂溶性有毒物进入组织后，多数要与体内一些化合物或基团结合，使毒性减低，极性和水溶性增加，可快速随尿液或汗液排出体外。（二）动物对污染物结合钝化：第27页第28页污染物进入动物体内，经过水解、氧化、还原或加成（结合）等一系列代谢过程，改变其原有化学结构，生理活性相对减弱，加速了从体内排泄过程。通常，转化是将亲脂外源性污染物转变为亲水物质，以 降 低 其 经 过 细 胞 膜 能 力，加 速 其 排 出。（三）动物对污染物分解转化：第29页污染物及其代谢产物从动物体内排出主要路径是经过肾随尿排出，其次是经过肝、胆经过消化管随粪便排出。也经过皮肤随汗液排出。挥发性污染物及其代谢物能够经过呼吸道随呼出气体排出。以及其它路径排泄。（四）动物对污染物排泄作用：第30页四、微生物抗性机制微生物对污染物也含有抗性。微生物对污染物抗性也可分为避性、分解转化等路径。1 微生物对污染物避性污染物对微生物各个部分都会受到不一样程度影响，而微生物则有避开污染物能力，这取决于微生物生理学、形态学和生态学特征。第31页1.1形态学避性有些微生物含有荚膜，它是污染物进入细胞内最主要屏障。荚膜增厚就使其在形态学上避开污染物。1.2生理学避性 v微生物能分泌络合或分解转化污染物有机物，使其移动性降低或极性改变，从而不易进入体内。或者污染物在胞外酶作用下分解转化成无毒无害物质。它包含：沉淀作用、胞外络合作用、细胞壁结合作用。第32页微生物对环境污染物抗性路径主要是分解和转化，将它们转变成无毒或低毒物质，甚至将污染物作为营养或取得能源物质。2.1微生物对金属离子转化作用环境中一些特殊微生物对有毒金属离子含有抗性，可使金属离子发生转化。这个作用包含：甲基化；还原作用；氧化作用。2 微生物对污染物分解转化作用第33页第34页2.2微生物对有机污染物分解转化作用v微生物对农药分解转化作用：脱卤、脱烃、酰胺及酯水解、氧化、还原、环裂解及缩合或共轭。v微生物对氰和腈分解：v对洗涤剂分解：第35页3 微生物对污染物结合、钝化、外排v在重金属胁迫环境中，生物体内普遍存在金属硫蛋白、类金属硫蛋白和重金属螯合多肽。v微生物能够改变本身条件以适应新环境，这种适应性包括到形态学、生理学和生态学等。v微生物个体微小、繁殖快速、比表面积大，更轻易适应环境。当前，微生物净化作用日益受到重视。微生物除了分解、转化污染物外，还能将进入体内污染物排出体外。第36页4 质粒与微生物抗性v质粒是细菌或细胞染色质以外，能自主复制，与细菌或细胞共生遗传成份。其特点：双链共价闭合环形DNA；能自主复制，传给后代。对宿主生存并不是必需。v在特殊环境中，质粒有时起着关键性作用，抗性质粒与微生物对污染物抗性关系亲密。第37页5 净化生物筛选v净化生物是指能够把环境中污染物吸入体内，而且能在体内富集、降解，从而降低环境污染物含量生物体。自然界几乎全部生物都有净化环境能力，但净化能力强弱差异很大。净化生物必须有一定抗性，能够在污染环境中正常生长，详细筛选方法有：(1)实地调查污染环境：在污染环境中，调查、筛选优势植物、动物、微生物种群。(2)人工染毒对比试验：在实地调查基础上，对生物进行人工染毒处理，分析生物在模拟条件下净化能力，评定净化等级。第38页v普通说来，污染环境中优势种是抗性种。分析抗性生物抗性机制，污染物含量对于那些富集、分解能力强生物可被筛选为净化生物。v为了防止污染物二次污染问题，在筛选净化生物过程中需要注意以下几个方面：v不能把农作物作为净化植物；v采取其它植物时，不能利用这些植物残体还田；v不能用肉用动物来净化环境；v不能用病原微生物净化环境。第39页谢谢观赏!参考资料 1.王校焕,污染生态学(第二版),北京:高等教育出版社,.07 2.乔玉辉主编,污染生态学,北京:化工工业出版社,.04 3.孙铁珩,周启星,李培军主编,污染生态学,科学出版社,第40页