1、1 污染生態學理論 Pollution Ecology 第三章污染物的毒害作用和基本機制（Chapter 3: Toxic effects and mechanisms of pollutants on organisms）2 二、污染物對人群健康的影響內容提要 一、污染物對生物的毒害作用 三、污染物對生物產生毒害的機理及受害條件3一、污染物對生物的毒害作用（一）污染物對細胞膜結構和功能的影響（二）污染物對植物的毒害（三）污染物對動物的毒害（四）污染物對微生物的毒害4（一）污染物對細胞膜結構和功能的影響細胞膜是由磷脂雙分子層和鑲嵌蛋白構成，細胞膜的主要功能有：參與細胞內外的物質交換；細胞膜上有

2、多種受體（如某些激素受體、神經遞質受體）和抗原（如紅細胞膜上的血型抗原）等。生物細胞膜系統（包括質膜、液泡膜和細胞器膜）是細胞和外界環境進行物質交換和信息傳遞的界面和屏障，其穩定性是細胞進行正常生理功能的基礎。5細胞膜6生物膜分子結構的流動鑲嵌模型7（一）污染物對細胞膜結構和功能的影響1. 污染物引起膜脂過氧化作用導致細胞膜的損傷；2. 污染物影響細胞膜的通透性；3. 膜的結合酶活性降低。8（二）污染物對植物的毒害1對光合作用的影響；2對呼吸作用的影響；3對蒸騰作用的影響；4對水分代謝的影響；5對營養吸收的影響；6對植物酶活性的影響；7對植物激素的影響；8對植化成分的影響；9對植物生長和發育的

3、影響。91對光合作用的影響10葉綠素葉綠素分子由碳和氮原子組成雙羧酸酯。有一個卟啉環的頭部（帶正電，親水性）和葉醇鏈尾部（親脂性）。 葉醇鏈插入到類囊體膜中葉綠素a啟動光反應葉綠素不溶于水，但溶于酒精、丙酮、石油醚等有機溶劑葉綠素a中的CH3被CHO取代即成葉綠素b葉綠素a呈藍綠色，葉綠素b呈黃綠色11葉綠素a與葉綠素b的區別12光合作用過程：光反應和暗反應13暗反應：卡爾文循環（Calvin Cycle）14暗反應：卡爾文循環（Calvin Cycle）15暗反應：卡爾文循環（Calvin Cycle）161對光合作用的影響（小結）破壞葉綠體的超微結構，進而影響光合作用；重金屬進入葉片內，與

4、蛋白質上的SH等活性基團結合，或取代其中的Fe、Zn、Cu、Mg離子，直接破壞葉綠體的結構和功能；重金屬通過拮抗作用干擾植物對Fe、Zn、Cu、Mg等生命元素的吸收、轉移，阻斷營養物質向葉部輸送，阻礙葉綠素的合成；重金屬使葉綠素酶活性增加，加速葉綠素分解。17有氧呼吸反應式：無氧呼吸反應式：2對呼吸作用的影響182對呼吸作用的影響線粒體結構示意圖19呼吸作用的主要階段20 三羧酸循環（檸檬酸循環）213對蒸騰作用的影響污染物對蒸騰作用有明顯影響。在低濃度刺激下，細胞膨脹、氣孔阻力減少，蒸騰加速。當污染物濃度超過一定值后，可能誘發脫落酸（ABA）濃度增加，使得氣孔蒸騰阻力增加或氣孔關閉，蒸騰強度

5、降低。如濃度太高，葉傷斑面積擴大，導致蒸騰急劇下降。這種情況下隨毒物濃度升高，蒸騰比率明顯按比例降低。224對水分代謝的影響（1）降低土壤水分的有效性，降低植物對水分的有效吸收。 在很多污染環境中，土壤環境中的溶質離子濃度遠遠大于植物體內離子濃度，則根部的水分外滲。高離子濃度時能夠使細胞大量失水，發生質壁分離，甚至能夠使細胞膜破裂。234對水分代謝的影響（2）影響植物的呼吸作用，使植物水分吸收能力下降，引起生理性干旱。 實驗表明，植物對水分的吸收是需要能量的，很多污染物能顯著抑制植物的呼吸作用，從而使能量的產生能力和產生水平降低，從而使植物根系不能有效地吸收土壤中的水分。244對水分代謝的影響

6、（3）損害葉片，降低蒸騰作用。 植物主要靠根壓和蒸騰拉力來吸水，但當空氣中SO2等氣體過多時，將灼傷葉片，或使保衛細胞失水而關閉，減少甚至停止蒸騰作用。25 5對營養吸收的影響（1）污染物改變土壤環境的pH值，降低植物對營養吸收的平衡性和有效性。（2）污染物改變土壤微生物活性，且影響土壤酶活性，從而影響無機營養的可利用性。（3）污染物抑制植物根系的呼吸作用。（4）重金屬通過元素之間的拮抗作用影響植物對某些元素的吸收。266對植物酶活性的影響污染物脅迫可導致碳水化合物合成代謝、氮素代謝等失衡。有研究表明，高濃度汞（50mg/L）對萌發期內小麥種子內-淀粉酶活性有明顯的抑制作用。另外，硝酸還原酶對

7、重金屬特別敏感，在Pb、Cd復合污染條件下，煙葉硝酸還原酶、過氧化氫酶活性顯著下降； Cu能降低固氮酶的活性，大于的Cu2+會導致大葉相思固氮酶活性急劇下降，的Cu2+則完全抑制大葉相思固氮酶的活性。277對植物激素的影響 Zn2+能使吲哚乙酸酶活性升高，加速吲哚乙酸的分解，從而使吲哚乙酸含量急劇下降，即Zn2+升高使吲哚乙酸合成受阻（Pratima，1984）。288對植化成分的影響 鎘對植物葉片可溶性糖含量的影響水中鎘濃度( mg/L)鳳眼蓮紫背萍可溶性糖含量%變化率%可溶性糖含量%變化率%00.200.11040.23150.2916480.25250.32191200.29450.34

8、20929 8對植化成分的影響當蠶豆種子中鎘積累量由增至時，蛋白質含量由25.22%降至23.48%；噴灑一次致死劑量的2，4-D后，能使一種毒性很高的雜草含糖量升高，以誘使動物啃食、中毒；用100mg/kg七氯噴灑豆類，能使植物Zn含量提高60%；每公頃使用的2，4，5-T能使蘇丹草體內的氰氫酸增加69%。308對植化成分的影響蠶豆種子中積累微量的鎘能刺激必需氨基酸含量的增加。當鎘積累量為時，必需氨基酸含量高出對照6.84% ；但當鎘積累量超過5mg/kg后，種子必需氨基酸含量低于對照。鎘積累量與種子必需氨基酸含量間總的關系，仍然表現為顯著負相關。319. 對植物生長和發育的影響污染物對植物

9、生長的影響主要表現為生長緩慢，發育受阻、失綠泛黃和早衰等癥狀。有的還會引起異常的生長反應。如突發性的大劑量污染引起植物葉面部分壞死或脫落，光合面積減少，影響植株生長。污染物對植物發育的影響，以花期最為明顯。用HF對草莓的熏氣實驗表明，凡是在開花受精期進行薰氣的花，花托畸形率大大增加。 32（三）污染物對動物的毒害1對生長發育的影響在污染環境中，動物經常營養嚴重不良，個體偏小，體重偏輕，產生的后代數量少，質量低，生物種群往往不斷走向衰退。水體中污染物對動物內臟的破壞作用極明顯。農藥對魚類肝臟有明顯破壞作用，如氯丹可使湖泊中鱒魚的肝臟退化；濃度為3.210-4mg/L的DDT可使鱒魚魚苗肝出現空泡

10、。鱒魚卵DDT含量大于時，幼魚死亡率為30-90%。33（三）污染物對動物的毒害2對呼吸作用的影響 污染物能嚴重影響和破壞動物的呼吸器官，導致呼吸機能減弱。在一般高等動物中，向組織細胞運輸O2的是紅細胞，紅細胞的血紅蛋白，是能與O2結合的含Fe蛋白。而污染物能與一些高等動物的紅細胞結合，改變其結構，或與O2競爭，降低血液的輸氧能力，導致細胞和組織缺氧。34（三）污染物對動物的毒害3對營養元素代謝的影響動物生命活動需要很多元素的參與，污染條件下影響動物對營養元素的吸收、轉運和分配，從而影響動物的生理生化機能。有機氯農藥能使許多鳥類蛋殼變薄，例如DDE能抑制輸卵管內碳酸酐酶與ATP酶的活性，阻礙C

11、aCO3在卵殼上的積累。原因是輸卵管內鈣的儲量有限，要靠ATP酶的作用，使Ca能從血液中得到補充；同時輸卵管內CO2與水結合，經過碳酸酐酶的作用變為H2CO3。如果ATP酶和碳酸酐酶的活性被抑制，CaCO3的形成將受到障礙。35（三）污染物對動物的毒害4. 對神經系統的影響神經系統是動物區別于植物、能夠靈敏感應外界環境的功能體系，構成這個功能體系最重要的物質基礎就是神經遞質。乙酰膽堿是神經突觸傳遞信息的一種神經遞質，是一種氨基酸的衍生物，在動物體內維持著一定的水平。由于環境中污染物進入動物體，抑制膽堿脂酶的活性，因而使酶失去分解乙酰膽堿的作用，引起一系列的神經系統中毒。36（三）污染物對微生物

12、的毒害1對微生物數量和種類的影響土壤中的污染物能導致土壤微生物生物量的降低。對土壤微生物區系結構的研究表明，同樣在As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn復合污染的土壤中，重金屬總量達到時，細菌和真菌生物量分別較對照下降29%和54%；當總量達到時，分別下降81%和85%。 37（三）污染物對微生物的毒害1對微生物數量和種類的影響 另有研究表明，土壤中Cu2+濃度小于100mg/kg時，土壤中真菌的種類為35種，而中等污染土壤（Cu2+濃度為1000mg/kg）中為25種，在重度污染條件下（Cu2+濃度為10000mg/kg）時為13種。38酸雨對土微生物數量的影響（1000個/g干土）（周崇

13、蓮等，1987）地點酸雨狀況微生物總數細菌放線菌真菌重慶南山重酸雨區81727150046巴縣輕酸雨區2239170050336江津相對清潔區526815189076031392對土壤酶活性的影響土壤酶是存在于土壤中、具有生物酶催化功能的蛋白質體系。土壤酶部分來源于植物根系的分泌和土壤中的有機殘體，但主要來源于微生物的生命活動。研究發現大多數污染物能使土壤酶活性水平下降。對重金屬污染下13種土壤酶的研究發現，與土壤碳循環有關的酶受到脅迫較小，與土壤N、P、S等循環有關的酶受脅迫顯著。在輕度污染濃度下（Zn、Cu、Ni、V、Cd分別為300、100、50、50、3mg/kg時），芳基硫酸酯酶、堿

14、性磷酸酶和脫氫酶活性分別只有對照的56-80%、46-64%和54-69%。403對硝化和反硝化作用的影響微生物把土壤中有機殘體分解后，釋放出NH4+，在硝化作用下能轉化為NO2-和NO3-，這個過程是硝化過程。另外，土壤中無機離子NO2-和NO3-也能通過反硝化作用和氨化作用而轉化成NH4+。土壤中污染物的存在，能影響微生物的這些活動。41酸雨對土壤微生物生化活性的影響 （周崇蓮等，1988）地點酸雨狀況氨化作用（NH3mg/g干土）硝化作用（NO3mg/g干土）固氮作用（Nmg/g干土）重慶南山重酸雨區0.6817.220.23巴縣輕酸雨區0.3311.54江津相對清潔區1.4017.94

15、0.23424對土壤呼吸作用的影響土壤中各種物質的生物轉化是以呼吸作用提供能量作為保證的，污染物對土壤微生物呼吸作用的影響因污染物和微生物種類而異。殺蟲劑對呼吸作用幾乎沒有抑制作用，在一定條件下甚至起促進作用；廣譜真菌劑能在短時間內強烈抑制呼吸作用，但經過一定時期后，隨土壤中污染物濃度的降低，土壤呼吸作用可以較快的恢復。43二、污染物對人群健康的影響（一）環境污染對人群健康影響的復雜性（二）環境污染對人群健康損害的方式（三）幾種典型重金屬對人體健康的影響44（一）環境污染對人群健康影響的復雜性1污染物可通過多種環境介質（水、空氣、食物等）、多種渠道進入人體；2受環境污染影響的人群的反應個體差異

16、大，包括老、幼、病、弱甚至胎兒及具有遺傳易感性的敏感人群；3人群常處于低水平、常時間暴露情況，探索敏感而特異的反應指標較難；4環境污染物在環境中可通過物理、化學和生物作用而發生轉化、降解而產生新的污染物；5不同污染物常聯合作用于人體，可能產生與原有污染物不同的危害作用。45（二）環境污染對人群健康損害的方式 根據污染物對人群和動物作用產生效應的時間來分，將污染對人群健康的危害分為急性危害、慢性危害和遠期危害。1急性危害（acute damage） 指大量污染物在短時間進入環境，使得接觸污染物的人群在較短時間內出現不良反映，產生急性中毒乃至死亡等。2慢性危害（chronic damage） 指的

17、是污染物以低劑量、長時間持續作用于人群，使人體不斷受害并積累導致的健康受損現象。3遠期危害（long-termed damage） 指的是污染引起跨代的健康損害。 46（三）幾種典型重金屬對人體健康的影響1. 砷（As）2. 鎘（Cd）3. 銅（Cu）4. 汞（Hg）5. 鉛（Pb）6. 鋅（Zn）47砷對人健康的影響食品中砷的毒性與其存在的形式有關： 元素砷幾乎無毒，砷的硫化物的毒性低，而砷的氧化物和鹽類的毒性較大。 有機砷的毒性一般隨著甲基數量的增加而遞減，但三甲基砷具有高毒性。食品和飲水中的砷經過消化道吸收，與血液中的血紅蛋白某些成分結合，24小時后，分布全身，以肝、腎、脾、肺、皮膚、毛

18、發、指甲、骨骼等器官和組織蓄積最高。48砷對人健康的影響砷的生物半衰期為8090天，主要由糞便和尿液排出。砷與毛發和指甲中的角蛋白巰基有強結合起來力，成為重要的排泄途徑。故毛發和指甲能反應機體對砷的暴露水平。砷與巰基有強親和性，尤其是對雙巰基酶（如胃蛋白酶、胰蛋白酶、丙酮酸氧化酶、-酮戊二酸氧化酶、ATP酶等）。49砷對人健康的影響砷急性中毒主要表現為胃腸炎癥狀，嚴重者可導致中樞神經系統麻痹而死亡，并出現全身出血。砷慢性中毒主要表現為神經衰弱，四肢末梢神經疼痛等多發性末梢神經癥狀，皮膚色素異常（皮膚白斑、砷源性黑皮癥、皮膚角化過度等）。50我國各類食品中無機砷含量及其限量衛生標準(mgkg1)

19、食品名稱均值范圍限量建議值糧食：大米0.060ND0.2580.15 面粉0.026ND0.0970.1 雜糧0.060ND0.2110.2蔬菜0.001ND0.0480.05水果0.008ND0.0370.05淡水魚0.009ND0.0700.151續表 我國各類食品中無機砷含量及其限量衛生標準(mgkg1)食品名稱均值范圍限量建議值畜禽肉類0.006ND0.0380.05蛋類0.003ND0.0620.05鮮乳0.007ND0.0480.05奶粉0.077ND0.3700.25豆類0.053ND0.0480.1海魚0.028ND0.1100.152續表 我國各類食品中無機砷含量及其限量衛生

20、標準(mgkg1)食品名稱均值范圍限量建議值甲殼貝類:鮮品0.207ND1.0000.5 干制品0.142ND1.7041.0藻類1.018ND11.001.5其他海產食品0.171ND0.4000.5茶葉0.053ND0.4790.5酒類0.007ND0.0350.0553鎘對人健康的影響人體對鎘的吸收，受鎘化合物以及膳食中的蛋白質、維生素D、鈣、鋅含量的影響。當缺乏蛋白質和缺鈣時對鎘的吸收率提高。鎘進入人體后，大多數與低分子硫蛋白結合，形成金屬硫蛋白，主要積累于肝臟，其次是腎臟。鎘對體內巰基酶有強抑制作用。鎘中毒主要損傷腎臟、骨骼和消化系統、腎重吸收功能障礙、骨鈣流失。痛痛病(itai-i

21、tai disease)患者病狀54鎘國家標準品種指標 mg/kg大米0.20面粉0.10雜糧0.05蔬菜0.05肉魚0.10蛋0.05水果0.03食品中鎘限量衛生標準 GB15201-94 中國規定：農田灌溉水中含鎘最高容許濃度為mg/L（GB5084-92）生活飲用水中含鎘最高容許濃度為 mg/L（GB5749-85 ）地面水中含鎘的最高容許濃度為mg/L工業廢水中鎘的最高容許排放濃度為mg/L。55銅對人健康的影響銅為人體必需的微量元素，對于大多數哺乳動物相對無毒。急性銅中毒是由于誤食銅鹽，或食用與銅器接觸的食物與飲料。銅過量達100mg，就會刺激消化系統，引起腹痛、嘔吐，長期過量可促使

22、肝硬化。56表 GB 151991994食品中銅限量衛生標準(mgkg1)品 種最高允許限量品 種最高允許限量糧食10肉類10豆類20水產類50蔬菜10蛋類5水果1057汞對人健康的影響有機汞在人的消化道吸收率很高，甲基汞的吸收入率達90%以上，分布于全身各器官，其中肝、腎、腦的含量最高。甲基汞中毒主要表現于神經系統的損傷癥狀：運動失調、語言與聽力障礙、視野縮小、感覺障礙等，嚴重者可發生癱瘓、肢體變形、吞咽困難，甚至死亡。58汞對人健康的影響上世紀50年代，日本因含汞工業廢水污染水俁灣，當地居民長期食用甲基汞污染的魚類，引起典型的公害病水俁病。1964年日本新瀉縣也出現類似的病。1972年日本

23、環境廳公布，日本前后發生3次水俁病，患者達900人，受威脅的達2萬人。1970年我國松花江流域也發生了甲基汞污染事件汞是蓄積性很強的毒物，在人體的生物半衰期為70天；在腦內的儲留時間更長，半衰期達180250天。體內的汞可通過尿、糞、和毛發排出。59 中國食品中汞限量標準建議值/mgkg1品 種以總汞計的限量建議值糧食(成品糧)0.02薯類(土豆、白薯)0.01蔬菜0.01水果0.01牛奶0.01乳制品按牛乳折算肉、蛋(去殼)0.05蛋制品按蛋折算60 中國食品中甲基汞限量標準建議值 (mgkg1)品 種限量建議值魚(不包括禽肉魚類)0.5食肉魚類(如鯊魚、金槍魚及其他）1.0其他水產食品0.

24、561鉛對人健康的影響成人膳食鉛的吸收率在10%以下，而3個月至8歲的兒童膳食鉛的吸收率，最高可達50%，吸收部位為十二指腸。人體內鉛90%蓄積于骨骼中。各臟器亦可檢出鉛，以肝臟最高；血液中的鉛僅占人體總鉛的1%左右，但它是慢性鉛中毒急性發作的原因。血鉛在100g/L以上時，就可影響兒童的智力發育。62鉛對人健康的影響鉛主要侵犯神經系統、造血器官和腎臟。鉛中毒的常見癥狀有食欲不振、胃腸炎、口腔金屬味、失眠、頭昏、關節肌肉疼痛、便秘或腹瀉、貧血等。慢性鉛中毒影響凝血酶活性，使凝血時間延長，在后期出現急性腹痛或癱瘓。人體內的鉛主要經腎臟和腸道排泄，汗液和頭發也是其排泄的途徑。鉛在人體的生物半衰期為

25、4年，以骨髓計可達10年，因此鉛進入人體后較難排出。63 食品中鉛限量標準/ mgkg1 品 名建議標準CAC標準*谷類0.20.4豆類0.20.8薯類0.20.4禽畜肉類0.50.5可食用禽畜下水0.5魚類0.5甲殼類0.5*國際食品法典委員會(Codex Alimentarius Commission,即CAC) 64品 名建議標準CAC標準軟體貝類1.0動物性油脂植物油水果0.10.2小水果、漿果、葡萄0.2蔬菜(食用菌、草藥除外)0.10.2球莖(甘藍除外)0.3葉菜(菠菜除外)0.3食品中鉛限量標準/ mgkg165品 名建議標準CAC標準鮮乳0.050.02嬰兒配方粉(沖調后乳汁)

26、0.020.02鮮蛋0.2酒0.20.20果汁0.050.05茶葉5食品中鉛限量標準/ mgkg166鋅對人健康的影響鋅是許多蛋白質、核酸合成酶的構成成分，至少有80種酶的活性與鋅有關。鋅在人體內的含量達，正常人血漿中鋅在1200ug/L左右，正常兒童頭發中的鋅應在60120mg/L范圍，過少，可引起一系列病癥，鋅有助于男孩發育和幫助骨骼生長。鋅過量時會引起發育不良，新陳代謝失調，腹瀉等癥狀。67 GB 131061991食品中鋅限量衛生標準(mgkg1)品 種最高允許限量品 種最高允許限量糧食(成品)50魚類50豆類及制品100蛋類50蔬菜20鮮乳10水果5奶粉50鐓畜肉類100飲料568三、污染物對生物產生毒害的機理及受害條件（一）毒害機理1干擾正常受體-配體相互作用 受體（acceptor）是許多組織細胞的生物大分子，與化學物（即配體）相結合后形成配體-受體復合物，能產生一定的生物學效應。許多污染物尤其是某些神經毒物的毒性作用與其干擾正常受體-配體相互作用的能力有關。2細胞膜損傷69三、污染物對生物產生毒害的機理及受害條件（一）毒害機理3干擾細胞內鈣穩態 正常情況下細胞內的鈣濃度較低（10-710-8mol/L），細胞外濃度較高（10-3mol/L）