生态毒理学2011

第一章引言 生态毒理学的起源定义 特点基本概念基本研究方法发展趋势 生态毒理学的起源 生态毒理学是一门新兴学科 仅有40年左右的历史 Ecotoxicology一词由RTrubaut教授拼制 并于1969年首次使用 1962年RachelCarson出版的 SilentSpring 起到了关键的作用 使人们认识到 必需研究毒物对生态的影响并进行治理 生态毒理学是由于工业化 城市化 交通现代化 以及化学时代的到来 对生态环境造成的众多灾难催生的 世界十大污染事件 比利时马斯河谷烟雾事件1930年马斯河谷工业区由于二氧化硫和粉尘污染 一周内有近60人死亡 数千人患呼吸系统疾病美国洛杉矶光化学烟雾事件1943年洛杉矶市汽车尾气在紫外线照射下产生化学烟雾 使大量居民出现眼睛红肿 流泪 喉痛等 死亡率大大增加 美国多诺拉烟雾事件1948年宾夕法尼亚州多诺拉镇 因炼锌厂 钢铁厂 硫酸厂排放的二氧化硫及氧化物和粉尘造成大气严重污染 使5900多居民患病 英国伦敦烟雾事件1952年由于冬季燃煤二氧化硫在浓雾中积聚不散 头两个星期死亡4000人 以后的两个月内又有8000多人死亡 世界十大污染事件 日本水俣事件1953 56年市因工厂排放含汞废水 人们食用汞污染的鱼造成大量居民中枢神经中毒 死亡 日本富山痛痛病事件1955 1972年富山县 因冶炼厂排放的含镉废水污染了河水和稻米 居民食用后中毒 1972年患病者达258人 死亡128人 世界十大污染事件 日本四日事件1961年前后四日市由于工业废气严重污染大气 引起居民呼吸道疾病骤增 50岁以上的老人发病率约为8 日本爱知米糠油事件1968年爱知县一带 因食用多氯联苯污染米糠油造成中毒 患病者超过10000人 16人死亡 博帕尔事件1984年设在印度中央邦博帕尔市的美国联合碳化物公司农药厂储罐爆裂 大量剧毒甲基异氰酸酯外泄 造成至少2500多人死亡 十几万人受伤的惨剧 切尔诺贝利核污染事件1986年原苏联基辅地区的切尔诺贝利核电站反应堆爆炸 大量放射性物质外泄 上万人受到辐射伤害 直接死亡31人 13万居民被疏散 污染范围波及邻国 核尘埃遍布欧洲 现代文明必需研究环境毒物及其影响并进行治理环境毒理学 生态毒理学 污染生态学 传统毒理学 毒理学Toxicology是研究有毒物质对生物有机体损害作用及其机理的一门科学 是一门研究外源因素 化学 物理 生物因素 对生物系统的有害作用的应用学科 是一门研究化学物质对生物体的毒性反应 严重程度 发生频率和毒性作用机制的科学 也是对毒性作用进行定性和定量评价的科学 是预测其对人体和生态环境的危害 为确定安全限值和采取防治措施提供科学依据的一门学科 传统毒理学偏重于研究对人和有害生物有急性致死作用的毒物 现代毒理学的发展 首先是德国医生Paracelsus 1493 1541 开创了试验毒理学 确定了剂量与毒物的关系 其次是西班牙人Orfila 1787 1853 出版了 毒理学概要 动植物和矿物的毒物提取 及其生理学 病理学和法医学意义 确定了毒理学是一门关于毒物的科学 现代毒理学学科体系 生态毒理学的诞生 DDT 煤焦油 甲基汞等事件1950 S开始注重检测环境毒物1962年RachelCarson出版的 SilentSpring 起到了关键的作用 使人们认识到 必需研究毒物对生态的影响并进行治理 1969年Truhaut博士拼制并首次使用Ecotoxicology一词 是生态学和毒理学的结合 生态毒理学特点 生态毒理学研究的毒物通常是环境中较稳定 浓度很低 通常不表现出急性毒性 而且在多个生物水平上影响多种多样的生物 因此需要新方法进行研究 而新方法研究新问题则促成了新学科的诞生 生态毒理学涉及的过程 涉及的主要学科 生态毒物来源 分布和环境转化 生物接触 暴露 吸收与可能的富集 生物个体 种群反应 群落与生态系统的反应 风险评估 环境治理 化学 物理学 气象学 地理学 微生物学 生物学 生物化学 生态学 毒理学 生理学 生物化学 生态学 生态学 数学 管理学 法学 生态毒理学的概念 1969年法国科学院的ReneTruhaut博士首先提出并使用 概念 thebranchoftoxicologyconcernedwiththestudyoftoxiceffects causedbynaturalandsyntheticpollutants totheconstituentsofecosystems animals includinghuman vegetableandmicrobial inanintegratedcontext 毒理学的分支学科 着重研究自然的和人造的污染物对动物 包括人 植物 微生物在内的整个生态系统的毒效应 生态毒理学概念 Moriarty 1983 thenaturalextensionfromtoxicology thescienceofpoisonsonindividualorganisms totheecologicaleffectsofpollutants 是经典毒理学向污染物生态效应的拓展 Levinetal 1989 thesciencethatseekstopredicttheimpactsofchemicalsuponecosystems 试图预测化合物生态效应的科学 生态毒理学概念 CairnsandMount 1990 thestudyofthefateandeffectoftoxicagentsinecosystems 研究毒物在生态系统中的效应和归宿的科学 Jorgensen 1990 thescienceoftoxicsubstancesintheenvironmentandtheirimpactonlivingorganisms 环境中有毒物质及其生物效应的科学 Suter 1993 thestudyoftoxiceffectsonnonhumanorganisms populations andcommunities 研究化合物对非人生物 种群和群落毒效的科学 Shane 1994 thestudyofthefateandeffectofatoxiccompoundonanecosystem 研究有毒化合物对生态系统的效应及其归宿的科学 生态毒理学概念 ForbesandForbes 1994 thefieldofstudywhichintegratestheecologicalandtoxicologicaleffectsofchemicalpollutantsonpopulations communities andecosystemswiththefate transport transformation andbreakdown ofsuchpollutantsintheenvironment研究化学污染物对种群 群落和生态系统的生态和毒理学效应及其环境归宿的学科领域 Hoffmanetal 1995 thescienceofpredictingeffectsofpotentiallytoxicagentsonnaturalecosystemsandnontargetspecies预测潜在毒物对生态系统和非靶标物种的效应的科学 生态毒理学概念 周启星等2004 生态毒理学是研究有毒 有害物质以及各种不良生态因子对生命系统产生毒害效应 以及生命系统反馈解毒与适应进化及其机理与调控的一门综合性科学 魏紫强等2006 生态毒理学是研究有毒有害因素对生态环境中非人类生物的损害作用及其机制的科学 研究环境中有毒物质对生态系统的毒害作用及其环境归宿的科学 相关学科的基本概念 环境毒理学 利用毒理学方法研究环境污染物对人体健康的影响及其机理的学科 是研究污染物对人体和人群的毒性作用及其规律的科学 污染生态学 是研究生物与受污染环境之间相互作用机理和规律的科学是研究环境污染物质 环境和生物有机体之间的相互作用 机理及生态修复的一门新兴学科污染物 进人环境后使环境的正常组成和性质发生直接或间接有害于人类的变化的物质是污染物 生态毒理学的基本概念 定义 生态毒理学Ecotoxicology是研究环境中有毒物质对生态系统的毒害作用及其环境归宿的科学 人体健康与生态健康 个体与系统 目的 是通过生态毒理学研究 准确评价化合物的环境毒性和风险 促进政府立法进行环境治理 通过法律和科学来保护生态环境 性质 交叉学科 主要涉及化学 毒理学和生态学 此外还涉及到生理学 生物化学 微生物学 淡水生态学 海洋学 地理学 气象学和数学 管理学和法学等等 生态毒理学的基本研究方法 1 化学监测 确定化合物的种类 性质特性 在不同环境相中的浓度 及其来源 一直是生态毒理学的重要分析方法 60 70年代盛极一时 许多政府机构利用此法积累了大量毒物的环境分布历史资料 并奠定了政府实施环境保护的基础 2 生物反应测定 现代生态毒理学发展最快的一个领域 由于毒物可以在生物的不同层次上发挥作用 因此有不同的测定方法 测定资料的难易程度 准确性和重要性也不同 OrgansystemOrganTissueCellOrganelleBiomolecule Individual Population Community Ecosystem Biosphere TractabilityAbilitytoassigncausationPro activityinuseofknowledge EcologicalrelevanceResponsedurationLong termconsequences HIGH HIGH LOW LOW 生物水平与测定的主要反应 分子水平 酶活力 核酸变异 基因表达量差异 细胞 组织 器官 结构的改变 生化途径的改变 生物个体 急性亚急性致死 慢性三致 亚致死效应 包括呼吸 光合等生理参数 繁殖能力 行为反应等 种群 种群结构变化 年龄结构 性比等 种群密度与消失 群落 群落结构变化 物种消失影响食物链和生态网 生态系统 功能变化 生物群落改变影响生态系统的功能 如湿地的 肾 功能 森林的 肺 功能 一般来说 随着生物层次水平的升高 测定获取资料的难度越大 占用的时间越长 准确性越差 目前了解的也越少 但对生态毒理学研究越重要 生态毒理学的基本研究方法 3 回顾生态毒理学方法Retrospectiveecotoxicology 主要是利用历史资料分析物质在环境中的毒理学作用 实质上是一种流行学方法 即分析确定某种生态毒效与特定物质的关系 优点 可以解决环境毒物在极低浓度下 其毒效积累难以测定的问题 提供已发生毒效的可能原因 促进采取相应措施 避免或减少同样毒效的发生 这一方法在致癌因子的分析中 一直认为是可靠的 缺点 1 不能预测物质的生态毒性 2 无法准确确定关键因子 如癌症 食物中的化合物 吸烟的影响 遗传因素等 3 很难设立对照区 生态毒理学的基本研究方法 4 预测生态毒理学方法Predictiveecotoxicology 即根据已有的知识 预测特定物质进入环境后的毒理学作用 这一方法在生态毒理学研究中越来越重要 主要途径 理论预测与实验预测相结合 理论预测 根据化合物的结构和特性 可以大致确定该化合物在环境中的降解和生物富集能力 以及生态毒性状况 实验预测 释放前利用模式生物测定其急性和慢性毒性 又称为安全评估 优点 可以预测化合物释放后的环境毒理学效应 各国据此设立了多种相关机构 专门负责新药登记 以及废物排放的检测 该方法的建立是环境保护史上里程碑式的进展缺点 1 预测与实际有一定的差异 2 实验预测依据的是剂量 反应关系 因此释放后需要化学监测环境中是否会超标 3 所有的毒物都有选择性 模式生物无法代表环境中所有的生物 释放后仍需进行生态监测 生态毒理学的发展趋势 研究新型毒物的生态毒理学效应研究复合毒物及次生毒物的生态毒理学效应研究低剂量毒物的长期生态毒理学效应研究毒物对高水平生物系统的毒理学效应开发新型毒理学效应标志 结语 生态毒理学是现代社会毒物环境污染催生的一门新的交叉学科是研究环境毒物对生态系统的毒害作用及其环境归宿的科学生态毒理学过程涉及多个层次 生物反应也表现在不同水平上 研究者可以使用不同的方法进行研究 但各种研究方法均有利弊 通常需要综合各种研究数据 才能获得真实的资料 生态毒理学研究的目的是准确评价化合物的环境毒性和风险 促进政府立法进行环境治理 通过法律和科学来保护生态环境 第二章毒物的来源 类型和特性 何谓毒物 Paracelsus Allsubstancesarepoisons onlythedosemakesadistinctionbetweenonewhichisapoisonandonewhichisaremedy 毒物Toxicants 有毒物质Toxicsubstances 是在低剂量下就会破坏生物有机体结构和功能 甚至产生致死作用的物质 毒素Toxins是生物有机体产生的天然有毒物质毒液Venom是动物分泌的有毒液体毒剂Poison是人工合成或加工的有毒物质 何谓生态毒物Ecotoxicants 是人为释放 在低浓度下即可对生态系统产生毒害作用的有毒物质 包括人工合成的和人为扩散增加的 环境污染物 进入环境后使环境的正常组成和性质发生直接或间接有害于人类的变化的物质 分自然形成和人类活动产生的两种 大气污染物 水体污染物和土壤污染物等 气体污染物 液体污染物和固体污染物 化学污染物 物理污染物和生物污染物 一次污染物 也称为原生污染物 和二次污染物 又称次生污染物 致畸物 致突变物和致癌物 可吸入颗粒物以及恶臭物质等 毒物的来源 工业废弃物生活垃圾机动车尾气农用化合物开矿事故 暴雨洪水生物 毒物的一般特性 1 物理状态 气 液 固体 影响毒物排放后在环境中的物理扩散 2 物化性质 油水分配系数 水溶性 土壤吸附性 影响毒物在不同生态相中的分布 3 生化特性 影响降解与转化 生物富集和分泌排泄 4 生理学特性 具有特定的靶标 直接激发致死和亚致死效应 5 生态学特性 尚无标准测定方法 目前主要从个体反应性推测 包括对种群参数和动态的影响 对群落结构和生态系统功能的影响 毒物的毒理学特性 有毒物质的毒性与其来源无关 天然的有毒性很高的 重金属 毒素 人工合成的也有几乎无毒的 肥皂 不同毒物的急性毒性和慢性毒性并不一致各种毒物都具有一定的选择性 剂量效应 生物适应性 联合效应 毒物的剂量效应 毒物有两大类 即生物必需物质和非必需物质 前者如铜 锌 镁 后者如滴滴涕 它们对个体生物的一般剂量效应如下图 死亡 不可逆伤害 可逆伤害 无害 剂量 有益 剂量与接触时间的协同作用 剂量接触时间预计反应很低很长 许多年无可测效应低长 数月到数年敏感者死 亚致死效应明显中中 数天死活各半 幸存者受害严重高短 数时到数天只有个别抗性个体存活很高很短 几小时全部个体死亡 生态毒物的分类 依据不同的特征可以有不同的分类 生物特性分类 如用途 农药 杀鼠剂 效应 致癌 致畸 致变物 靶标 神经毒剂 呼吸毒剂 作用机制 触杀 胃毒 熏蒸毒剂 作用特点 抑制 刺激剂化学结构分类 如烃 氯化烃 多环芳烃 有机氯 有机磷 有机重金属 重金属 呋喃 二恶英物化性质分类 如亲脂类 亲水类 中性有机化合物 放射性物质 表面活性剂同种化合物因不同的分类系统可以有不同的分类名称 如滴滴涕是亲脂类 有机氯类 杀虫剂 这些分类有助于了解和推测化合物的生态毒理学特性 EPAclassificationofpollutantshttp www epa gov ebtpages pollutants html AgriculturalChemicalsAirPollutants Aerosols Asbestos