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武汉大学环境生物学知识点总结

环境生物学

第一章绪论

环境生物学:研究生物系统与人为逆境相互关系的科学。

生物系统:生物各级组构水平的总称。根据一般分类,从微观到宏观依次为基因、细胞、组织、器官、个体、种群、群落、生态系统、景观、生物圈。

人为逆境:由人类活动产生的不利于生物生存的环境状态。

生物系统与人为逆境的相互关系有两方面含义:

①各种逆境因子对生物系统产生不利或有害的影响(或效应);

②生物系统同时也对逆境因子的行为(或归宿)产生影响。

环境生物学的研究对象与内容:

对象:受人为胁迫的生物系统。

内容:两大方面——人为胁迫因子对生物系统的效应和生物系统对人为胁迫因子行为的影响。还包括环境生物学理论、方法和技术在环境保护中的应用。

第二章人为逆境

产生人为逆境的因子称为逆境因子或人为胁迫因子。

根据胁迫因子的性质分为三大类:化学性人为胁迫因子、物理性、生物性。

化学性人为胁迫因子:化学反应产生,通常为化学污染物

物理性:物理作用产生,分为两类——物理性污染因子(噪声、辐射……)和环境要素(土壤、水体、大气、生物区系)物理性破坏因子

生物性:生物学机制或过程产生,包括两种类型——人为传播的病原体和人为引入的外来物种

环境的化学性污染

1.大气的化学性污染

污染物种类按其物质形态可分为:气溶胶状态污染物和气体状态污染物

气溶胶:分散介质为气体的胶体物质。就大气污染而言,气溶胶是指悬浮在大气中的固体粒子和液体粒子

人为污染源:燃料燃烧、工业生产中工艺性排放、交通污染源、农业污染源

2.水体的化学性污染

污染物按其性质分:无机无毒物质、无机有毒物质、有机耗氧物质、有机有毒物质。

无机无毒:酸、碱、一般无机盐

无机有毒:重金属和阴离子态物质

有机耗氧:碳水化合物、蛋白质、脂类、糖类、纤维素等

有机有毒:对生物体具有不同程度的毒性,有机农药、多环芳烃、多氯联苯、石油等

污染源:工业废水、生活污水、农业退水。

3.土壤的化学性污染

污染物:与大气和水体污染物很多是相同的。有机污染物(特别是持久性有机污染物)、重金属污染物、化学肥料。

污染源:工矿来源和农业来源。

环境的物理性污染

1.电离辐射污染

射线类型:无论哪一类射线,凡具有足够的能量能引起物质电离,称为电离辐射。人为产生的对人体及生物有较大影响的电离辐射主要有α射线、β射线、γ射线、X射线等。

人为来源:核工业、核爆炸实验、煤燃烧(煤中含有微量的原生天然放射性核素,煤经过燃烧后产生的粉尘和炉渣的放射性比煤高)

2.非电离辐射污染

类型:紫外线、可见光、红外线、微波、射频

人为污染源:紫外辐射(紫外线发生装置,大气层对来自太阳紫外线屏蔽作用减弱)、微波和射频辐射(电视、调频广播、雷达、人造卫星通信系统的地面终端及其他辐射源)

3.噪声污染

特点:暂时性,在空中传播时未给环境留下有毒有害物质,其对环境的影响不积累、不持久;一旦声源停止,噪声也相继消失

污染源:工业噪声、交通噪声、建筑施工噪声、生活噪声

4.热污染

大量废热不断进入环境,使环境温度升高,影响人类及生物的生活及生存

环境的生物性污染

1.病原体传播

A.空气病原体:微生物(芽孢杆菌属、无色杆菌属、细球菌属、放线菌、酵母菌、真菌等)、人体的某些病原微生物(结核分枝杆菌、白喉杆菌、溶血性链球菌、金黄色葡萄球菌、脑膜炎球菌、禽流感病毒等)

传播方式:附着于尘埃、附着于自鼻腔和口腔喷出的飞沫小滴上、附着于飞沫表面蒸发后形成的飞沫核上

B.水体病原体:主要有三大类——病毒、细菌、寄生虫

病毒中对人类影响最大的是甲型肝炎病毒(肝炎)、脊髓灰质炎病毒(小儿麻痹症)、柯萨奇病毒(无菌性脑膜炎)、人肠道致细胞病变孤几病毒(心肌炎、心包炎)

污水中常见的病菌有沙门菌、志贺菌、霍乱弧菌、致病性大肠杆菌、钩端螺旋体,他们能引起各种传染性疾病,如痢疾、伤寒、副伤寒、霍乱、胃肠炎等

水体中最重要的寄生虫为吸血虫,此外有溶组织阿米巴及其他原虫等

来源:人和动物的粪便、生活垃圾、污水、某些工业废弃物;其中人与动物的粪便是最重要的污染源

C.土壤病原体

包括病菌、寄生虫、病毒

土壤中的病菌在土壤中存活的时间长短不一,与土壤中有机物的种类和数量、PH值、日照、土壤温度、湿度、微生物群系所产生的抗生物质及噬菌体等有关

污染来源:未经彻底无害化处理的人畜粪便施肥;未经处理的生活污水、医院污水和含有病原体的工业废水进行农田污灌或利用其底泥施肥;病毒尸体处理不当等

2.外来物种引入

由于地理隔离,生物的进化式样在世界各个主要地区具有不同的形式,并由此形成具有不同特有性的生物区系,然而大量物种被人类有意或无意地引入到非乡土的外地,这些外来物种

在许多情况下对当地土著物种的生存构成极大的威胁,甚至导致后者灭绝

3.转基因生物释放

运用重组DNA技术将外源基因整合于受体生物基因组、改变其遗传组成后产生的生物及其后代称为转基因生物。转基因生物包括转基因植物(作物)、转基因动物、转基因微生物带来的潜在生态安全问题:产生强势物种,入侵环境后破坏当地的生物多样性;转基因逃逸导致野生种子库资源污染;对人类和动物健康有直接影响或通过类似食物链的级联作用产生间接影响;转基因技术中所用的抗性标记基因可能增大对人的危害或污染环境

自然资源过度开发

自然资源:自然界中人类可以直接获得的用于生产和生活的物质;分为不可更新资源和可更新资源两类

不可更新资源:需要经过漫长的地质年代才能形成的资源,如各种金属和非金属矿物、化石燃料等

可更新资源:能在一定的时间内再生或循环再现的资源,如水、土地、生物等

自然资源是自然环境中能够被人类直接利用的部分

第三章外源化学物在生物体内的归宿

外源化学物:存在于外界环境,可能与生物机体接触并且可能以某种途径进入机体的一些化学物质。这些物质既不是生物机体的组成成分,也不是维持其正常生理功能和生命活动所必需的营养元素或化合物,但是他们进入机体以后,可能引起某种生物学变化,包括生理的、生化的、结构的以及遗传的等方面的改变

外源化学物在生物机体内的行为和归宿包括:吸收、转运、生物转化、排出、生物蓄积

吸收

吸收:外源化学物通过各种途径透过生物机体的生物膜进入体液的过程

1.生物膜的基本结构

生物膜:细胞质膜和细胞器膜的总称。生物膜有控制内外环境物质交换的屏障作用,并且是许多重要生化反应和生命现象得以进行的场所。

生物膜主要由类脂和蛋白质(包括酶)组成,此外还有少量的多糖和微量的核酸。

类脂包括磷脂、糖脂和类固醇等,其中以磷脂为主要成分。在化学组成上,磷脂主要由脂肪酸、磷酸和甘油组成。它是兼性分子,具有亲水的极性部分(头部)和疏水的非极性部分(尾部)。头部因有磷酸亲水基因,故为亲水部分;尾部为与油分子相似的脂肪酸链,故为疏水部分。糖脂和胆固醇也都属于兼性分子。

构成生物膜的蛋白质(包括酶)种类较多,这与不同类型细胞生物膜的功能有关,少者有数种蛋白质,多者达数十种。从其在生物膜中的分布位置区分,可以分为两大类,一类与膜的内、外表面相连,称为外在性蛋白或周缘蛋白。另一类镶嵌在膜的脂质内部,有的甚至可以穿透膜的内外表面,称为内在性蛋白。在这些膜蛋白中,除了酶以外,还有受体,载体,通道等。

2.物质的跨膜转运

A.简单扩散:物质从浓度高的一侧透过生物膜脂质双分子层向浓度较低一侧扩散

B.易化扩散:一些非脂溶性物质或亲水性物质顺其浓度梯度或电化学梯度减小方向的跨膜转

运,在转运过程中需要特异的膜转运蛋白参加,但不消耗能量

载体蛋白:一种载体蛋白只能运载一种类型溶质分子,载体蛋白与特定的溶质分子结合后,通过蛋白分子的一系列构象变化完成溶质分子的跨膜转运

通道蛋白:此类蛋白分子横跨膜形成亲水通道,而被转运的溶质无需与蛋白分子结合

C.主动转运:化合物透过生物膜由低浓度一侧向高浓度一侧转移,并消耗代谢能量的过程,与易化扩散相同,主动转运过程也需要有载体参加,载体与被转运化合物结合成复合物,然后将化合物转移到生物膜另一侧释放

D.(非跨膜转运)吞噬作用,胞饮作用,内吞作用:当外来物质是较大的分子或者颗粒,甚至大到整个细胞时,由于体积太大,不能通过以上各种转运方式完成跨膜转运,这时可以借助于这些作用完成

吞噬作用:细胞卷入继而摄取某种物质或物质颗粒的过程,这种方式在本质上并不涉及到跨膜转运过程,但却是物质进入细胞的一种机制

胞饮作用:与吞噬作用的区别在于其胞吞物为溶液,而且卷入物质时所涉及的细胞区域和细胞膜小些

内吞作用:涉及到物质与细胞外表面某种受体蛋白的结合,因此又称为受体介导内吞作用,通过这种方式转运的外来物质(配体)首先与细胞表面互补性受体结合形成复合物,并启动内化作用

3.物质的物理化学性质与吸收

物质的物理化学性质是决定其被吸收能力的关键因素

辛醇-水分配系数是影响化学物质被机体吸收的最重要理化性质之一,该系数描述化学物质(溶质)在含有两个不互溶液体的体系中的摩尔浓度的平衡比率。用Kow或P表示,常取对数形式。lgKow较大,疏水亲脂;lgKow为负值,亲水。一般而言,lgKow值高于4的物质在生物体的各种部位均不能被充分吸收

水溶性是影响化学物质暴露和生物可利用性另一个重要的理化性质,即使其他理化性质适于吸收,水溶性极低的物质也不易被吸收,因为这类物质不易集聚而不能使其浓度达到易于被细胞吸收的水平。

分子的极性对其跨膜转运有较大的影响,一般而言,同类物质中极性越大的物质亲脂性越低,亲水性越高;非极性物质(偶极距为零)比极性物质更容易通过皮肤被吸收;另一方面,极性物质比非极性物质更容易通过肺脏和胃肠道被吸收

物质的解离度对简单扩散有较大影响

物质的物理状态(固体、液体、气体)能极大地影响其暴露程度和生物可利用性

分子大小对物质的跨膜运输有很大影响,随着分子大小的增加,跨膜转运下降

一般而言,低熔点非离子态有机物比高熔点非离子态有机物更易于吸收,其原因在于低熔点物质只需要较低能量就能从其晶体中分离解聚,形成自由态分子,因此低熔点物质比高熔点物质水溶性高,从而可以在细胞外达到更高的浓度,形成有助于被动扩散的浓度梯度

沸点和蒸汽压表征物质的挥发性,能决定物质达到气相的浓度和通过吸入途径被吸收的可利用性程度,因此,挥发性、低沸点物质更易于在肺部被吸收

4.吸收途径

A.陆生哺乳动物的吸收(消化道、呼吸道、皮肤)

B.植物的吸收(根部、地上部分)

分布

分布:外源化学物通过吸收进入体液后,经循环系统、输导组织或其他途径分散到机体组织间液、细胞内液的过程

1.外源化学物与内源性物质的结合

与蛋白质、多肽、氨基酸、有机酸结合

2.体内运输

A.动物体内运输

a.运输途径:脊椎动物体内远距离运输主要通过血液循环,少部分通过淋巴循环;无脊椎动物体内外来物质可以通过血淋巴运输

b.外来物质从循环系统到器官/组织的分布:分布的速度通常很快,一种特定物质分布到一个器官的速率取决于该器官的血液量和该物质穿过毛细血管床和进入细胞的难易程度,即取决于毛细血管通透性和血流/组织比

B.植物体内运输

a.运输途径:主要由维管系统完成,其运输通道包括由木质部导管向上的运输,由韧皮部筛管向(上)下(双向)的运输以及木质部和韧皮部之间的横向运输

3.影响外来物质分布的因素

A.生理屏障(细胞膜的通透性、血脑屏障、胎盘屏障)

B.外源化学物的化学性质(脂溶性、脂-水分配系数)

C.外源化学物与内源性物质的亲和性

D.组织吸附、重吸收及其他生理因素

生物转化

生物转化:外来物质进入生物体后,在机体酶系统的作用下代谢转变成水溶性高而易于排出体外的化合物的过程

一、生物转化的基本阶段和反应类型(氧化、还原、水解、结合)

1.第一阶段反应

此阶段生物转化的反应类型有氧化、还原、水解,将脂溶性物质转变为极性化合物

其中生物氧化反应是最重要的反应

2.第二阶段反应

外来物质进行结合反应

3.第三阶段反应

使外源化学物解毒的反应,由该反应形成的结合物可以进入液泡或跨质膜排出细胞外,使细胞质免受外来化学物的毒性作用

二、生物活化

解毒(生物失活):外来物质经过生物转化后,其生物活性减弱或消失

生物活化:有些外来物质经生物转化后,其衍生物的生物活性更强

1.生物转化第一阶段的生物活化

在生物转化的第一阶段,许多反应的产物比其母体物质具有更高的毒性

2.生物转化第二阶段的生物活化

第二阶段反应的产物通常是高度水溶性的,因而易于排出体外,此阶段许多反应属于生物失

活反应或解毒反应,然而与第一阶段反应类似,仍然存在一些例外。某些第二阶段反应产物比其母体化合物表现出更高的毒性

三、生物转化中酶的诱导和抑制

酶的诱导效应:有些外来化合物可使某些与代谢转化有关的酶系统活力增强或酶含量增加,因此促进其他外来物质转化的现象

酶的抑制:一种外来化合物在体内的生物转化过程可受到另一种化合物的抑制,且抑制现象的发生与参加生物转化的酶有关

四、生物转化的影响因素

1.物种差异

2.遗传差异

3.性别差异

4.年龄差异

5.外部因素的影响

排出

排出:外来化合物及其代谢产物向体外运输的过程

一、动物的排出

1.经肾脏排出

肾脏排泄外来化合物及其代谢产物的效率极高,是重要的排泄器官,其排泄机制主要有肾小球滤过和肾小管主动转运

2.随同胆汁排出

肝胆系统也是外来物质排出的重要途径之一,经肠道吸收的外来化合物先随血液进入肝脏,在肝脏进行生物转化,其代谢产物可被肝细胞直接排泄入胆汁,不再进入血液循环经肾脏排泄

3.经呼吸道排出

由呼吸道进入体内的气态、挥发性液态及不溶解的颗粒状外来物质均可由呼吸道排出体外,不同形态的外来物排出的方式不同

气态和易挥发性液态-简单扩散

颗粒状-通过支气管分泌的液体、肺细胞分泌的脂蛋白表面活性剂层以及巨噬细胞的作用,并在气管表面纤毛的推动下排出

4.其他排出途径

粪便、入职、唾液和汗液(极少)

毛发和指甲并非机体的排泄物,但有些重金属,如铅、汞、锰、砷等可蓄积于此

二、植物的排出

与哺乳动物不同,植物缺乏将毒物及其代谢物排出体外的专门排出系统,植物向体外排泄体内多余的物质和代谢废物常常是以分泌的形式进行的

分泌:将物质从原生质体分离或将原生质体的一部分分开的复杂现象

生物积蓄

生物积蓄:指生物有机体在生长发育过程中直接从环境介质或从所消耗的食物中吸收并积累

外来物质的现象

生物浓缩:生物机体从环境介质水中吸收并积累外来物质的现象

第四章外源化学物的毒性效应

毒性:外源化学物对生物体的易感部位产生有害作用的能力

毒性仅指该种物质导致毒性效应的潜力,并不代表它一定会对生物体产生毒害

毒性效应:外源化学物因具有毒性而对生物体产生损害的总和

中毒:机体与毒物接触后引起的疾病急性中毒、慢性中毒

危害性:外源化学物在与机体接触过程中导致机体中毒的可能性

毒性与危害性的区别:外源化学物只有以能引起损伤的形态和数量与机体接触才能产生危害

毒性效应的类型

1.致死效应

致死效应是一种急性毒性效应,表现在收到外来化学物质影响的机体在短时间内死亡

测定指标:死亡率

2.生长效应

外来化学物质抑制机体的重量和体积,使生物量下降,长(高)度边笑

3.生殖效应

外源化学物对生物的生殖过程所产生的损伤作用(可以看做是一种对生物体产生后代的能力的损伤)

4.行为效应

外源化学物作用下,动物所具有的可观察、可记录或可测量的活动的异常改变

动物行为:机体在神经系统控制下对外界环境胁迫的反应

5.形态结构效应

外源化学物作用下,机体器官或组织的外形和解剖构造发生损伤性改变

6.致突变(致癌)效应

毒性效应的表征

一、毒性参数

1.半数致死剂量

一定试验时间内,使试验生物群体中半数个体死亡的毒物剂量

2.半数有效剂量

……半数个体产生某一效应的毒物剂量

3.半数致死浓度

……引起试验生物群体中半数个体死亡的毒物浓度

4.半数有效浓度

…………产生某一效应的毒物浓度

5.半数抑制浓度

……抑制或降低种群繁殖率50%的毒物浓度

6.半数致死时间

在特定温度和剂量下,使试验生物群体中半数个体死亡所需要的时间

7.半数有效时间

在特定温度和剂量下,对试验生物群体中半数个体产生某一效应所需要的时间

8.未觉察反应浓度

毒性试验中用各种指标(如存活、生长、生殖等)衡量毒物对受试生物的毒性强度,均未觉察到有反应的最高浓度

9.最低觉察反应浓度

……能觉察到有反应的最低浓度

10.毒物最大容许浓度

慢性毒性试验中对受试生物无影响的最高浓度和有影响的最低浓度之间的毒物浓度范围11.安全浓度

通过整个生活史周期甚至持续数个世代的慢性试验,对受试生物确无影响的毒物浓度称为安全浓度

剂量与毒性

1.剂量-效应关系

指一种化学物质的摄入量与生物机体所呈现的某种性质的生物学变化强度之间的关系

2.剂量-反应关系

反应:接触一定剂量外来化合物后产生某种效应并达到一定强度的个体在一定群体中所占的比例,一般以%表示

比如:剂量-致死率

3.毒物刺激作用

毒物在亚抑制剂量水平对生物机体的这种刺激效应

毒性试验

1.急性毒性试验

急性毒性:外来化学物质大剂量一次或24小时内多次接触于机体后,在短时间内对机体的毒性

在急性毒性试验中,一般采用半致死剂量LD50或半致死浓度LC50表示受试物的急性毒性大小

急性毒性试验的基本目标是测定化学物质的致死性潜力

2.亚急性(亚慢性)毒性试验和慢性毒性试验

A.亚急性(亚慢性)毒性试验:研究生物体在约1/10生命期间少量反复接触某种外来物质所引起的损害作用的毒性试验

试验目的:在急性毒性试验的基础上进一步观测受试物对机体的主要毒性作用及毒作用的靶器官,并对未觉察反应浓度(剂量)和最低觉察反应浓度(剂量)做出初步判断

B.慢性毒性试验:研究生物体在长时间少量、反复、持续接触受试物后所产生的毒性效应的试验

试验目的:观测受试物在低剂量反复作用的条件下,对机体所产生的损害及特点,确定引起损害作用的未觉察反应浓度(剂量)和最低觉察反应浓度(剂量),为评价外来化学物的毒性作用和制定其在环境中的最大容许限量及人每日容许摄入量提供依据

影响毒性的因素

一、毒物因素

1.物理化学性质

脂-水分配系数:越高,越容易通过简单扩散方式被吸收,从而增加其在机体内的浓度而增

强毒性

水溶性:水溶性直接决定其解聚度,从而影响生物体靶位点的暴露程度

电离度:非离子态的外来化学物比离子态的物质更容易透过生物膜被吸收,因此前者比后者具有更强的毒性

挥发性:挥发性强,容易形成较大的蒸汽压,增加有机体暴露的可能性,从而增强对有机体某些特定器官的毒性

分散度:(主要对某些特定形态的环境污染物,如粉尘、烟雾)分散度越大,比表面积越大,毒性越大

2.致毒途径和方式

A.化合物吸收速度和毒性大小顺序:静脉注射≈吸入>腹腔注射>肌肉注射>经口>经皮

但对某些化合物存在例外

B.毒物接触时间

C.溶解化合物的溶剂和助溶剂可能产生的毒性

3.化学物联合作用

联合作用:多种外来化学物同时或在短时间内相继进入生物体后所产生的综合生物学作用联合毒性:多种化学物质经联合作用产生的毒性

联合作用的类型:相加作用、协同作用、拮抗作用

二、生物因素

化合物的毒性大小一方面取决于其本身的性质,另一方面也收到生物体对化学物耐受性的影响

1.物种和品系

2.性别和激素

妊娠显著增加动物对杀虫剂的敏感性,而哺乳使动物对重金属更敏感,甲状腺功能亢进和胰岛素功能亢进可以改变动物和人类对毒物的敏感性

3.年龄、体型大小和疾病

小型个体通常有较高的比表面积,使单位体重更快地吸收外来化合物

4.营养状况

三、环境因素

1.温度、湿度、光照

通常,温度越高机体对毒物敏感性越高

湿度越高,皮肤吸收外来化合物速度加快

2.酸度、盐度、硬度

酸性条件下,许多金属的毒性增强

盐度对化学物毒性的影响因化学物而异

水的硬度显著影响金属的毒性,在PH一定的条件下,金属在硬水中的毒性较低

毒性效应的机理

一、对酶的抑制

生物化学过程是构成机体整个生命活动的基础。酶是其催化剂,因而酶在此过程中起着关键性作用

毒物对酶的抑制分为不可逆抑制和可逆抑制

外来化学物对酶的不可逆抑制可以通过四种机制:

1.干扰或阻断酶的活性中心

2.使辅酶丢失或失活

3.竞争辅酶结合位点

4.改变酶的结构进而影响其活性位点的三维构型

可逆抑制

1.竞争性抑制

2.非竞争性抑制

二、生物膜通透性改变

生物膜的通透性:生物膜与周围环境进行物质交换的能力

1.破坏生物膜物理结构

2.干扰生物膜质子泵功能

3.攻击离子通道

三、与受体结合

受体:生物体感受外界的物理性或化学性刺激并将其转变成神经冲动的感受器

分为膜受体和细胞受体,前者分布在膜上,后者存在于细胞质中

1.与乙酰胆碱受体结合

2.与毒素受体结合

3.内分泌干扰物与受体结合

四、自由基反应

自由基:带有未配对电子的原子或原子团,其化学反应性极高而半衰期很短

1.能在体内形成自由基的外来化学物

这类物质可以直接作用于生物膜,使膜的成分形成自由基

2.体内自由基形成的链式反应

机体内自由基的形成可以分为启动、发展和终止三个阶段

3.自由基对机体的损害机制

自由基产生物质很少是选择性毒物

第五章物理性污染物对生物体的损伤

电离辐射的生物效应

一、电离辐射对细胞的损伤

细胞损伤程度与什么有关?

A.损伤效应取决于细胞生长、增殖、更新速度;一般而言,分裂速率高、细胞周期短、不断增殖的细胞易受损伤且损伤程度重

B.与受照射时细胞所处的周期有关,分裂期细胞一般比间期细胞更敏感,而休眠期细胞具有明显的抗辐射能力

杀伤细胞及影响细胞周期

从形态学上,辐射对细胞的损伤表现为:

A.细胞核改变

B.染色体畸变

C.形成多倍体或巨核型细胞

D.细胞器改变

电离辐射可以阻断细胞周期活动和延长细胞周期时间,影响程度大小取决于受照射时细胞所处的时期和各时期细胞在细胞周期中的比例

二、电离辐射的躯体效应

两种类型——随机效应和非随机效应

随机效应:该种效应的发生是随机的。主要包括遗传缺陷和癌症。随着辐射剂量增加,随机效应也增加,但并不表示增加剂量一定会导致遗传缺陷和癌症

三、电离辐射的生物化学效应

1.核酸代谢的辐射损伤

A.DNA合成的抑制

B.DNA分解代谢的增强

2.染色质的辐射效应

A.染色质的降解

B.组蛋白的辐射效应(合成受抑制)

3.细胞膜的辐射效应

A.电离辐射对膜的组分的影响

直接作用:由射线能量直接作用于膜的组分所引起

间接作用:由射线使水分子离解而产生的自由基引起

无论何种方式,都能使细胞膜的结构受损而丧失其正常功能

B.电离辐射对膜的物理化学性质的影响

膜的流动性、表面电荷、跨膜电位、通透性受到影响,其变化都是以膜的化学组分变化为基础

C.电离辐射对细胞器膜通透性的影响

使某些细胞器膜通透性增加

D.电离辐射对膜结合酶活性的影响

使多种膜结合酶的活性发生变化,有的活性升高,有的降低

E.电离辐射对膜受体功能的影响

F.……对膜-DNA复合体的效应

4.能量代谢的障碍

A.线粒体氧化磷酸化的抑制

B.细胞核氧化磷酸化的抑制

紫外辐射的生物效应

紫外线(UV)

紫外辐射分为三个区段,UV-A、UV-B、UV-C

UV-A:波长320nm~400nm单独作用无效,但能增强UV-B的生物学效应,或者当存在某些化学药剂时,可导致组织损伤

UV-B:波长280nm~320nm对生物体极端有害

UV-C:波长200nm~280nm该段太阳紫外线被同温层的臭氧有效吸收,所以天然辐射源对地表生物没有辐射作用

一、生物组织对紫外线的吸收与传输

紫外线只有被机体吸收才能产生生物效应,所产生的效应大小随机体吸收的紫外线能量增加而增加

短波紫外线对人类的穿透限于表皮

波长较长及肤色较浅者穿透的稍许深些,可至真皮

眼睛紫外线穿透情形与皮肤类似

多数紫外线被角膜吸收,最深层的吸收在晶状体,视网膜只有在特殊情况下才会受到辐射核酸和多数蛋白质对紫外线的吸收峰低于300nm

二、紫外线辐射对躯体的损伤

1.紫外线辐射的非随机效应

通常为急性,也可以是迟发的。此类效应对机体的影响程度随剂量而异;可能存在着一个阈值,在此剂量之下不发生任何效应。非随机效应能出现在紫外辐射所及的任何细胞和组织中①皮肤的急性效应

晒斑(紫外辐射红斑)

②眼睛的急性效应

光感性角膜炎、光感性结膜炎、晶体白内障

2.皮肤长期接触紫外辐射的效应

长期接触紫外辐射可能引起表皮和真皮炎性反应和溃疡、肿瘤、皮肤癌

三、紫外辐射对DNA合成和复制的抑制

四、紫外辐射对蛋白质的影响

1.氨基酸的光化敏感性

氨基酸的光化敏感性:吸收一定波长的光之后发生化学变化的可能性。可定义为化合物的摩尔吸收率与光化学变化的概率的乘积

2.酶的光化学钝化

3.芳香族氨基酸与蛋白质的光离解

微波和射频辐射的生物效应(了解)

基本作用包括热效应和非热效应两大类

噪声的生物效应

噪声对机体的危害包括心理和生理方面的多种效应,轻则引起行为和生理机能的轻度改变,重则导致强烈机体损伤甚至死亡

一、生理影响

70~75dB噪声作用下,机体出现明确的生理反应

噪声稍高、间歇式噪声,机体会出现惊恐反应

脉率和血压改变,肝糖原释放进入血流(满足能量的紧急需求)以及肾上腺素增加

较强的噪声作用于人的中枢神经系统能使大脑皮层的兴奋和抑制失调,造成失眠、疲劳、头疼、记忆力衰退等神经衰弱症

在噪声作用下,胃肠机能阻滞、消化液分泌异常和胃液酸度降低,导致食欲不振和消化不良,重则出现恶心呕吐,久之形成胃病及胃溃疡

书P131(懒得抄了妈的)

二、听觉影响

暂时性阈移(听觉疲劳):当暴露于高水平噪声,通常可以使听觉发生暂时性减退,听觉敏感度降低,可闻阈值提高

80dB以下的噪声不损伤人的听力85dB以上的噪声会对听力产生有害影响

三、心理效应

干扰人的情绪、交际能力、睡眠等

第六章遗传毒理学

遗传毒理学:研究外源化学物质和其他环境因素作用于有机体所产生的遗传毒性效应

遗传毒性效应:有机体遗传物质受到外源化学物质和其他环境因素作用后,因诱发突变而损害子代细胞或个体

诱发突变及其形成的机理

突变:遗传物质在某种(自发的或诱发的)因素作用下发生的一种可遗传的变异,它包括染色体上基因本身的变化、染色体结构的变化、染色体数量变化三大类

基因突变——点突变,细胞学上观察不到

染色体结构和染色体数量变化——染色体畸变,细胞学上可观察

突变可以自发产生也可以在物理和化学因素作用下产生,自发突变的频率通常很低,而由物理和化学因素诱发的突变比自发突变率高很多

诱变因素首先导致DNA损伤(前突变),然后细胞对这些损伤进行修复;如果DNA不能恢复损伤前的结构状态,则形成可遗传的永久性改变,即发生了突变

一、诱变因素及其对DNA分子的损伤

诱变因素(诱变剂):能诱发突变的各种理化因素

1.化学诱变剂对DNA的损伤

烷化剂、交联剂、代谢活化诱变剂、碱基类似物

2.物理诱变剂及其对DNA的损伤

电离辐射、紫外辐射、

二、以DNA为靶的突变机制

以DNA为靶的突变机制:诱变剂通过损伤DNA结构而导致基因突变和染色体结构变异

1.基因突变

A.碱基置换

分为转换和颠换

转换:嘌呤(腺嘌呤A,鸟嘌呤G)被其他嘌呤替代;嘧啶(胞嘧啶C和胸腺嘧啶T)被其他嘧啶替换

颠换:嘌呤被嘧啶替换,嘧啶被嘌呤替换

引起碱基置换的分子机制:碱基类似物掺入、正常碱基的化学饰变、化学物与碱基结合、碱基自发饰变

B.碱基加入和缺失

移码突变:DNA分子中两个碱基之间去除(缺失)或插入(加入)一个碱基构成的基因突变机制

可以自发发生也可以由诱变剂引发

碱基缺失或加入比碱基置换对基因及其翻译成蛋白质分子的过程通常有更严重的影响

嵌合剂:能以静电吸附形式嵌入DNA单链的碱基之间或DNA双螺旋结构的相邻核苷酸之间的诱变剂分子

C.转座成分的插入

2.染色体结构变异

染色体结构的变异起因于染色体或染色单体的断裂

每一个断裂产生两个断裂端,这些断裂端可以沿着三条途径中的一条发展:

①断裂端保持原状不愈合,无着丝粒的染色体片段最后丢失

②同一断裂的两个断裂端重新愈合或重建,回复到原来的染色体结构

③某一断裂的一个或两个断裂端与另一断裂所产生的断裂端连接,引起非重建性愈合

染色体畸变:一个染色体的两条染色单体在相同位点发生断裂后所产生的畸变

染色单体畸变:一个染色体的两条染色单体中的一条发生断裂后所产生的畸变

A.结构变异的基本类型

缺失:染色体上一个区段及其所含的基因一起丢失所引起的畸变

重复:染色体上增加了相同的某个区段而引起的畸变

倒位:染色体的一个区段断裂后,倒转180°又重新接合所引起的畸变

易位:染色体断裂后的一个区段连接到非同源染色体上所产生的畸变

B.化学诱变剂引起染色体结构变异

C.电离辐射引起染色体结构变异

G1期:合成前期或复制准备期;此时期细胞的辐射敏感性较低,畸变产额相对较低

S期:DNA合成期货染色体复制期;细胞辐射敏感性较高,染色单体畸变率逐渐上升

G2期:合成后期;对辐射最敏感的时期

D.微波辐射引起染色体结构变异

3.突变热点

A.基因突变热点:基因中极易受攻击的位置

B.染色体断裂脆点

4.增变基因:生物体有些基因与整个基因组的突变率有直接关系,这些基因突变会使整个基因组的突变率明显上升

三、非靶标效应

非靶标效应:诱变剂对DNA的损伤可以发生在受到直接伤害的细胞以外的细胞群体中和若干代以后的子代细胞中,与直接受到损伤的靶细胞相对应

1.旁观者效应

2.基因组不稳定性:指受电离辐射后,新的基因突变和染色体畸变出现延迟性增加

四、遗传毒性的间接机制

1.脂质过氧化

2.DNA合成抑制

3.DNA修复抑制

4.干扰细胞分裂

遗传毒性与疾病

一、生殖细胞突变引起显性致死和遗传疾病

诱变剂作用于生殖细胞引起突变产生的两种后果

这两种效应都不表现在当代,而是在子代以及后代表现出来

二、肿瘤

遗传物质受到物理、化学或其他有害因素作用后受到损伤而产生的疾病

致癌作用是一个多阶段、多基因参与和长期积累的过程,涉及到基因表达,细胞生理和生化的多种变化

由致癌物质引起的遗传改变包括基因突变、基因扩增、染色体重排和非整倍体

1.基因突变与肿瘤

2.染色体畸变与肿瘤

三、遗传毒性与畸形

致畸作用:有些物理、化学和生物因素可使胚胎的生长发育过程受到干扰,影响其正常发育,致使胎儿在出生时具有某种器官形态结构异常的作用

畸形:器官形态结构的异常

畸胎:具有畸形的胚胎

致畸原:能通过母体干扰胚胎或胎儿正常发育使其出生时具有畸形的因子

第七章污染的种群生物学效应

污染对种群统计特征的影响

种群的特征取决于构成种群的所有个体的特性

种群密度是所有种群的主要特征

种群的其他特征可视为影响其密度的直接或间接因素

种群的初级特征:生殖,死亡,迁入和迁出

次级特征:年龄、性别结构

种群增长率:单位时间内种群中每个体增加的个体数

年龄结构(年龄分布):种群中不同年龄组的个体占种群总数的百分率

增长型种群:呈典型金字塔形,种群有大量幼体,老龄个体少,出生率大于死亡率

稳定型种群:出生率与死亡率大致平衡,种群稳定

衰退型种群:倒金字塔形,种群中幼体减少,老年个体比例增大,死亡率大于出生率

性比:一个雌雄异体的种群所有个体或某个龄级个体中雄性对雌性的比率

污染胁迫种群的调节

1.种群密度调节(密度制约)

死亡率会随着种群密度的上升而增加

2.食量调节

3.捕食者调节

研究种群统计特征的常用方法

1.生命表及生命表反应试验

2.Leslie矩阵

污染对种群生活史(表型)特征的影响

一、生活史不同发育阶段对污染的敏感性

生活史:生物个体在一生中所经历的发育和繁殖阶段的全部过程

对于高等生物而言,其个体发育是从受精卵进行细胞分裂开始直至个体器官系统完全建成、性成熟为止的整个发展过程

高等生物个体发育全过程大致可分为三大阶段——胚胎发育阶段、幼体生长阶段、性成熟与生殖生长阶段

胚胎发育期在生物的生活史中占有重要的地位,外来有毒物质作用于发育中的胚胎可以直接使胚胎死亡,或者使胚胎发生畸形

幼龄生物的生理机能在许多方面未成熟

二、污染对种群生活史进程的影响

一些物理性或化学性污染音速能够延缓和阻滞生物体的生活史进程,或者相反加速生物的生活史进程,从而影响到种群动态

三、污染胁迫下生活史特征的资源分配

资源分配:生物体将所拥有的资源投资于其生活史中各项彼此冲突的重要功能,包括躯体维持、生长、发育、生殖

污染对种间关系的影响

种间相互作用包括捕食、竞争、寄生、共生,是连接生物个体、种群和群落的纽带

一、污染对捕食的影响

捕食是重要的种间关系之一,捕食关系由捕食者和被捕食者构成

1.污染对捕食者的影响

影响捕食者食欲、干扰捕食者的搜寻策略、影响捕食者的反应距离、改变捕食者对猎物的选择行为、影响捕获效率、影响捕获后对猎物的处理时间长短

2.污染与捕食风险

捕食风险:猎物被捕食者捕获的危险程度

污染物对猎物的影响在于污染物能否增加捕食风险或捕食脆弱性

二、污染对竞争的影响

种间竞争:物种间通过共同利用一种有限的资源而发生的一种间接的相互关系,可能导致竞争者的生存、生长或生殖下降

竞争的胜败取决于竞争者从环境中获取资源的能力

1.改变竞争均势

不同物种对同一污染物的敏感性是不同的,因此在某种特定的污染环境中,对污染物敏感的竞争者可能在竞争中对相对不敏感的竞争者处于劣势

2.污染环境中的动物的事物阈值与中间竞争

食物阈值理论:当食物浓度一定,能量摄入(以及与此相应的生殖率变化)将取决于摄食率参与竞争的物种在污染物胁迫下摄食率敏感性的差异将改变种间竞争关系

三、污染对寄生的影响

种间寄生关系由寄生物和寄主构成,指寄生物从寄主的体液、组织或已消化物质中获取营养并对寄主产生损害的现象

污染物对寄生关系的影响大致分为三种类型:刺激寄生、抑制寄生、对寄生无明显(中性)作用

污染物对寄生关系的作用方式分为三个方面:经影响寄生物而影响寄生关系、经影响寄主而影响寄生关系、经影响与寄生物有拮抗作用或协同作用的其他有机体与寄生物的平衡而影响寄生关系

1.寄生物对污染物的敏感性

2.寄主对污染物胁迫的反应

3.污染物对寄生物群落的影响

4.污染物种类与寄生的关系

四、污染对食草作用的影响

食草作用:草食性动物取食植物

1.污染增加食草动物的适合度

植物暴露到某些类型的污染物后,其品质变得更适合食草动物取食,这种情形污染对食草动物有利

2.污染物降低食草动物的适合度

3.污染物对食草作用影响的机制

直接作用:污染物作用于动物本身而在其食草过程中引起动物适合度变化

间接作用:污染物通过改变植物的品质而影响食草动物的适合度

五、污染对共生关系的影响

共生:两个不同物种共同生活在一起、对一方或双方有利的种间关系

按照双方的利害关系,共生可分为偏利共生和互利共生

偏利共生(共栖):两个不同物种生活在一起,其中一方受益,另一方无利但也无害

互利共生:两个不同物种共同生活在一起,彼此受益且相互依存,如果分开双方都不能很好地生活甚至死亡

1.污染对有花植物-传粉动物关系的影响

2.污染对菌根真菌-植物共生关系的影响

3.污染对珊瑚-藻类共生的影响

污染与种群抗性进化

进化:生物界最基本和最重要的生物学过程;通常分为大进化(宏观进化)和小进化(微观进化),前者是种上水平的进化,后者是种内水平的进化

种群进化属于小进化

自然情况下,非生物因素(温度、水、光照等)和生物因素(捕食、竞争、寄生、共生等)均可能构成对种群的选择压力

一、抗污染变异及其生理机制

抗性:有机体暴露在逆境时成功进行各项固有活动的能力;两种基本类型——回避性(避性)、耐受性(耐性)

二、抗性种群的形成

生物体对污染物的抗性变异可以区分为环境饰变和基因突变

环境饰变属于非遗传性变异,一旦污染物从生境中消失,此类抗性变异也随之消失;基因突变是遗传性变异,其抗性性状能遗传给子代

1.抗性基因及其起源

遗传性抗性变异受抗性基因控制

抗性变异的遗传分为主基因遗传和多基因遗传

形成抗性种群的一个先决条件是产生必要的遗传变异,即产生能适应新(污染)环境的等位基因

此类遗传变异最终来源于突变

2.自然选择:自然界保留适应性个体,淘汰不适应个体的过程

在一种特定的环境中,如果种群具备三个条件,即可能发生自然选择:个体间在某些特征上存在变异、不同的特征具有适合度(适合度:一个生物体或基因型能生存并将其基因传递给子代的相对能力)差异(不同个体或基因型间存在生存和繁殖差异)以及特征必须能够遗传自然选择的类型:定向选择、稳定选择、分裂选择

3.生殖隔离

基因流:基因从一个种群的基因库迁移至另一个有性生殖亲和的种群的基因库

三、抗性进化的代价

对抗逆性动植物品种的人工选择通常导致这些抗逆性品种在正常环境中的适合度下降,即从条件较差(胁迫)的环境中选择到的基因型比那些从条件好的环境中选择到的基因型在好条件环境中的适合度反而差一些,其原因在于这种情形下选择导致种群遗传多样性下降,为维持抗性特征所出现的新的能量之处平衡以及由抗性特征所引起的体内不同生理生化过程的不协调

1.遗传损失导致适合度下降

2.资源分配变化使适合度下降

3.抗性特征直接影响其他正常生理过程

第八章污染物在生态系统中的归宿与效应

生态系统:在特定空间内生物成分与非生物成分通过物质循环和能量流动所构成的相互作用的生态学功能单位

污染物在生态系统中的归宿

一、归宿的一般特征

1.污染物排放

非归宿,是起点或入口

排放方式:非故意排放、事故性排放、应用性排放

进入生态系统的途径:通过水体、土壤、大气

2.归宿的一般过程

排放进入生态系统的污染物,一般可能经历转移、代谢(转化)、矿化(降解)的基本过程微生物降解人类排放进入环境的污染物重要的方式:适应性降解、共代谢作用

3.归宿参数

A.持续性:污染物在环境介质中保持其原有形态的程度,取决于污染物的可移动性和转化程度

B.可移动性:物质在土壤、水和空气介质内或之间的迁移行为

C.挥发性:由液体或固体变成气体或蒸汽的倾向

D.生物可利用性:生境化学物总量中能被生物相所吸收的百分率

二、污染物在食物链中的转移——生物放大

生物放大:污染物在生物体内的浓度随食物链延长而增加的现象

污染物浓度能否沿食物链放大取决于本身的三个条件:

①污染物在环境中必须是稳定的

②污染物必须能被有机体吸收

③污染物不易被有机体分解或以其他形式排出体外

污染物的群落与生态系统效应

污染物对群落和生态系统的影响是宏观的综合效应

一、参数效应

1.生物指数:描述污染胁迫下群落结构的变化

2.多样性指数:群落内物种数及其多度的综合测度,用以描述群落的复杂度

二、结构效应

群落的结构由其中各个物种(种群)决定,物种组成的变化导致群落结构改变

三、功能效应

1.污染对初级生产量的影响

生产量:生态系统功能最重要的特征之一,包括初级生产量和次级生产量

初级生产量:由绿色植物固定太阳能所制造的有机物质

次级生产量:动物和其他异养生物靠消耗初级生产量所产生的有机物质

2.污染对食物链的影响

与自然生态系统中的食物链相比,受到人类活动胁迫的生态系统中的食物链具有明显的特征变化,如食物链的长度改变、缺少高级营养级捕食者以及具有高比例的基础营养级物种

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