生态毒理学2011-Vppt课件

.,第六章毒物的剂量效应关系,.,第一章结语,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。,.,第二章结语,毒物Toxicants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。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。毒物的毒性与其来源无关；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；毒物都具有剂量效应、生物适应性、联合效应、构效关系，有时还有明显的蓄积毒性化合物的许多特性影响其与环境的相互作用，可以根据化合物的特性预测其可能的生态毒性生态毒物可以按生物效应、化学结构和物化性质进行分类。这样可以根据类似化合物了解特定化合物的生态毒性。毒物的生物效应与毒物的特性、接触剂量和接触时间有关,.,第三章结语,毒物进入环境后会通过一系列的物理化学过程，进行分配扩散和降解转化，最后在不同的环境相中趋于平衡。环境相Environmentalphase是质地相对均一、化合物在其内部的行为也比较一致的，环境的确切组成部分。毒物在环境不同相中的分布可以通过两相分配和逸度定律进行测定和预测。环球污染主要是指个别地方释放的污染物，通过大气和海水环流的运输作用，使之趋于全球均匀分布的过程。环球污染应该引起各国的重视，治理必须形成国际共识。,.,毒物的降解转化遵循一级化学动力学，可以用毒物在特定环境下降解转化一半所需的时间半衰期来表示。生物有效性Bioavailability是指环境中的化合物能否被生物吸收的性能。毒物的有效性主要取决于毒物的物理化学状态，以及生物接触和吸收的途径。取食者体内的化合物浓度通常高于食物中的浓度，这一积累过程称为生物放大biomagnification。生物放大因子BF=CB/CF化合物的结构特性与其生物活性之间存在着定量关系，被称为定量结构活性关系(QSARs)。利用这种关系，由易得的结构参数来推测活性参数，是一种简便有效的方法。但要注意预测与实际的可能差异。目前了解和预测化合物的环境分布过程已经建立了较好的方法，也做了大量的工作。但要准确地模拟环境，还需要考虑并提取更多的环境参数，同时也需要建立更有效的方法。,.,第四章结语,毒物必须从环境中被吸收后，并运输至靶标位点，才能发挥毒效。毒物代谢动力学toxicokinetics过程包括：吸收、运输、代谢、贮存和分泌5个方面，它决定有多少毒物分子进入靶标位点并与之作用。又称毒理宏观动力学化合物的吸收必须经过生物膜，涉及的跨膜运输机制有4种，不同毒物的跨膜机制和运输速率取决于化合物的性质。毒物在特定位点吸收后，可以通过体液循环运输至不同的组织器官（体内分布）。生物的解毒主要通过3种途径，即解毒代谢、分泌排泄、结合贮存。,.,毒物代谢通常包括两级代谢，初级代谢主要是在毒物分子内引入水溶性的活性基团；次级代谢是内源性代谢中间体与初级代谢产物结合，形成极性更强，可溶于水的代谢物。多功能氧化酶是毒物代谢的重要酶，可以被诱导，不同物种或个体的活力有明显差异。毒物的代谢，大多是解毒代谢，但也有一些代谢是增毒的吸持作用sequestration(贮存代谢)即将毒物贮存在惰性组织中，避免其与靶标结合的解毒途径毒物可以诱导生物产生大量特殊的蛋白质，如金属硫蛋白、应激蛋白等，它们可以结合毒物分子使之失活，保护生物功能大分子，或修复受伤害的生物大分子。其量的变化可以作为接触毒物的测试指标。贮存解毒有明显的缺点：饱和、置换和库的消耗。,.,分泌排泄excretion是通过分泌系统从体内清除毒物及其代谢物的重要解毒途径不同性质的毒物的主要分泌排泄途径不同；毒物在生物体内的滞留时间通常用生物半衰期表示。毒理动力学toxicodynamics过程：主要是毒物如何作用于靶标，并产生毒理学效应。又称毒理微观动力学干扰和破坏DNA分子的毒物，都具有遗传毒性。,.,大多数致癌、致变毒物都是强亲电的生物烷化剂和酰化剂，或者是带有可与DNA分子反应的自由基。有些化合物本身不致癌，但经生物转化后，可致癌。致癌致变毒物导致的大部分DNA分子损伤都可以由细胞修复。只有修复失败时才产生遗传毒性。致畸剂通过选择性抑制特定类型的组织和细胞，导致畸形或败育。致畸剂有很强的发育阶段敏感性。致癌、致变、致畸的生态效应是不一样的三致作用可以利用动物活体、离体细胞和单细胞生物进行测定。但不同方法各有优缺点，通常不能依靠单一的方法。,.,除攻击DNA导致三致作用外，生态毒物还会攻击其他功能分子，并在生化、生理和行为水平上产生毒效反应。一般低水平的损伤反应可以通过体内平衡进行补偿，否则就会转移到高层次上反应。损害适应性性状（生长、繁殖、基因池的更新和改变）的化合物，都会使物种的生存受到严重威胁，也是生态毒理学密切关注的化合物。毒理学过程与毒物的选择性？,.,毒物对种群的影响主要是因为敏感个体和年龄组的死亡，导致基因池和基因频率的变化、种群结构的变化。毒物对群落和生态系统的影响主要反应在两个方面，即结构和功能。群落和生态系统的结构和功能均有许多可以测定和计算的描述参数，生态毒理学研究可以通过比较群落和生态系统的这些参数，分析污染前后或处理和对照的变化，确定毒物对群落和生态系统的作用和危害。,第五章结语,.,物种多样性speciesdiversity测定的物种多样性指数有多种，常用的如Margalefsspeciesrichness：D=(S-1)/lnNS物种总数，N所有物种的个体总数。群落相似性similaritybetweencommunities测定常用的相似性指数有：Jaccordsindex=C/(A+B+C)100%Sorensonsindex=2C/(A+B+2C)100%相似性指数50表明样本间高度相似，25是中度和低度的界限。生态恢复能力resilience是生态系统固有的、从自然或人为胁迫下恢复的能力，常用生态系统恢复到影响之前状态所需要的时间表示。,.,关键物种keyspecies是对维持群落结构具有关键作用的物种。指示物种indictorspecies是可以表明毒物危害的物种，包括敏感物种susceptiblespecies和耐污染的机会物种opportunisticspecies。重要功能物种functionallyimportantspecies是在维持生态系统功能方面发挥重要作用的物种。附属物种redundancy是在维持生态系统功能方面作用不显著的物种。,.,许多生态毒理学的研究都是以单一物种为对象的，这类方法的主要缺点是其不适于预测化合物对生态系统的效应和毒害作用。首先自然生态系统比室内实验系统复杂得多，而且自然环境的许多物理、化学和生物因子，在室内无法模拟。但这些因子却可以显著改变毒物在自然环境中的形式、生物有效性、量和毒性。人工生态系统是测定毒物的群落和生态系统效应的较好途径。它可以为鉴定受影响的重要生态过程和参数提供有用的资料，有助于定量证实室内生测的结果，同样有助于解释低生物层次的实验结果，并确定其实际价值。,.,人工生态系统是在人为隔离的空间内，模拟建立的生态系统。它具有确切物理边界，并含有整套维持生态系统的生物物种，小型的被称为微宇宙microcosm，中型的被称为中宇宙mesocosm。人工生态系统作为自然生态系统的简洁模拟，具有以下特性：（1）生物组分均来自自然环境（2）系统是物理封闭性的，并与自然生态系统分离（3）与自然生态系统的物种和物质交换被关闭或部分关闭（4）具有重要的生态过程。如光合作用、呼吸作用、生产、代谢、营养循环、竞争、捕食、降解等（5）具有自我调节平衡机制人工生态系统的主要缺陷是：重复困难、费用昂贵、实验条件难以控制（包括无法模拟真实环境和实验设置的困难）。,.,第六章毒物的剂量效应关系,.,一、引言,剂量通常指生物接触毒物的量，它涉及到生物接触毒物的浓度和持续的时间。剂量可以进一步区分为外剂量和内剂量，前者是指生物接触环境毒物的量，后者是到达靶组织内的量。由于到达靶组织内的量很难测定，因此常用进入生物体内的量代替内剂量，但此时必需考虑不同毒物在体内的代谢情况。而使用外剂量时，必须考虑毒物的环境有效性和生物有效性。环境有效性environmentalavailability是指自然环境中的毒物，可以参与环境物理化学和生物过程的比率。而生物有效性bioavailability是指环境有效毒物通过扩散和主动运输，跨生物膜进入生物体内，最终可以在生物体内参与毒理作用或代谢过程的比率。,.,效应是环境毒物对生物体作用后，引起的生物学改变，包括质效应和量效应。前者如致死、三致等。后者如呼吸量、生长量和内禀增长率的改变、种群密度变化等。有些毒物进入生物体内，可以发挥非专一性的毒性（如强酸强碱使蛋白变性、组织溶解），而更多的化合物是专一性的与靶标结合后，才对生物系统产生特定的效应。由于毒物的作用机理以及生物接触毒物的剂量不同，反应的速度有明显的差异。一般依据反应速度的快慢，可以将反应分为不同的类型，如急性毒性反应、亚急性毒性反应和慢性毒性反应等。,.,急性毒性acutetoxicity：生物在高剂量毒物的作用下，在极短的时间内（通常小于24小时），产生组织和机能障碍等中毒症状，如眩晕、呕吐、抽搐痉挛、呼吸困难、大小便失禁，甚至死亡。急性毒性常用效应中值来表示。如呼吸毒剂和神经毒剂通常具有很强的急性毒性。测试时间多为2496小时。如果在接触毒物后，立即（几分钟甚至几秒钟）产生中毒症状的，则又称为即时毒性immediatetoxicity。亚急性毒性subacutetoxicity：生物在较长时间内（36个月），连续接触较低剂量的毒物，由于毒物的积累，最终导致急性中毒症状的产生。亚急性毒性常用最大无作用剂量和最小有作用剂量表示。测试时间多为3个月以上。慢性毒性chronictoxicity：生物长时间（6个月以上）接受低浓度毒物的作用，在生理机能、组织器官和繁殖等方面出现病变，如肝、肾、神经和生殖组织细胞的不可逆损伤，三致和不育等。慢性毒性常用最大无作用剂量和最小有作用剂量表示。测试时间为生物的一生或大半生。世界卫生组织建议小鼠为1.5年、大鼠为2年、犬为6年。,.,二、剂量效应关系毒物的作用剂量与生物毒效反应之间的关系，即为剂量效应关系，通常用数学方程（毒力回归线）描述。不同毒物的剂量效应关系不同。由于有些物质是生物必需的，有些是不必需的，但所有物质达到足够剂量后，都可能产生毒害。因此，必需物质在极小剂量和超常剂量下都有毒效，毒效随剂量的两极化而逐步加重。而非必需物质在低剂量下是没有毒害的，只有超过一定的阈值，才表现出毒害，并随着剂量的加大而逐步加重，直至死亡。毒理学研究的剂量效应关系，通常是高剂量端的剂量效应关系。,.,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,.,1、剂量的表示方法：由于毒物处理的生物有机体的大小不一，因此剂量一般用浓度，而不是绝对量。动物实验通常用单位体重的施用量（mg/kgbodyweight或mg/kgbodyweight/day）或单位体表面积的施用量2、效应评价终点：应该易于重复定量、且与所研究的毒作用过程有关。另外，由于生物个体的遗传和表型差异，化合物的毒效评估还需要经过统计分析死亡率是毒物研究常用的效应评价终点，因为其容易鉴别、生物学上容易解释、统计学上容易重复。因此死亡率测定提供了比较大量化合物毒性的简便方法，也无须事先了解其作用机理死亡率测定通常用于短期（急性）毒性的测定。实验包括预试摸索浓度范围，设置系列浓度进行实验，每个浓度处理适当数量的动物，观察一定时间后的死亡率，获得剂量反应曲线,.,3、剂量效应曲线由于生物群体的异质性（遗传、年龄、性别、体重、营养状况等），不同取样对剂量效应曲线有一定的影响,剂量mg/kg,剂量对数log(mg/kg),死亡率,死亡率几率值,50,5,Log(LD50),y=a+bx,.,4、急性毒性测定常用的效应中值致死中量LD50：导致群体半数个体死亡的毒物剂量。致死中浓度LC50：导致群体半数个体死亡的毒物浓度。有效中量ED50：导致群体半数个体产生反应的毒物剂量。有效中浓度EC50：导致群体半数个体产生反应的毒物浓度。,.,5、毒性的比较不同毒物对同种生物或同种毒物对不同生物的毒性可以用其效应中值的大小进行比较。相对毒力指数relativetoxicityindex是表示不同化合物对同种生物毒性大小的常用参数。即试验时设标准毒物（S）对照，被测化合物（A、B、C）的相对毒力指数可以按下式求出：A的相对毒力指数S的LD50/A的LD50,.,6、毒物的联合作用jointaction自然环境中的毒物通常不是单一存在的，它们通常同时作用于生物。毒物的互作关系可以分为4种类型:独立作用independent:乙醇和氯乙烯引起鼠肝细胞脂质过氧化效应，实际上乙醇导致线粒体脂质过氧化，而氯乙烯是微粒体脂质过氧化；增效作用Synergistic、相加作用additional和拮抗作用antagonistic。,.,毒物的联合作用可以通过测定共毒系数co-toxicitycoefficient(CTC)来确定：首先测定混合毒物M及其各个组分A、B、C的毒性，再分析混合毒物中各组分所占的百分率p，随后选定组分A为标准毒物，计算出混合毒物及其各个组分的实测相对毒力指数k，然后按下式计算：理论kM=kA.pA+kB.pB+kC.pC+CTC=100.实测kM/理论kM农药混配常用CTC大于120为增效作用，小于80为拮抗作用，介于二者之间为相加作用。而生态毒理学上常用小于40、40250和大于250为标准。如：A的LD50为2微克/头，B的为4，A和B的4：1混剂M的为1。则：kA1，kB0.5，实测kM2，pA0.8，pB0.2故：理论kM1x0.8+0.5x0.2=0.9CTC100 x2/0.9222该混剂有显著的增效作用。,.,三、影响剂量效应的因素1、影响化合物进入生物体内的因素：接触吸收方式及化合物的性质、水溶性、分子大小、环境pH值，主要影响跨膜运输途径和速度。2、影响靶标作用浓度的因素：解毒代谢、贮存和分泌。3、生物对不同毒物的敏感性差异：不同物种及同一物种不同个体之间的差异，通常会影响实验结果。选择测试物种时，通常选择敏感物种、环境中有一定丰度的物种、室内易于饲养的物种、可以指示群落中其他物种反应的物种（代表性）。选择测试样本生物时，要尽量减小重复组之间的变异，注意个体大小、性别、年龄或发育阶段、饲料和营养状况、健康状况等另外，遗传背景（品系、生物型、地理宗）也会影响测试结果。因此，野外采集的生物，在测试前通常需要驯化饲养，以便最大限度的降低其变异度。另一方面，也要注意室内长期饲养后，微进化对生物敏感性的影响。4、环境参数：温度、pH、水质（软水或硬水）、气或水流、基质、光照等。试验中通常需要对这些因素进行标准化。,.,四、室内毒性测定1、室内毒性测定的一般原则。室内测定一般从小规模的简单实验开始，随后在此结果上设计更大规模的复杂实验。不同层次的实验的操作不同，但基本设计原则相似：（1）测试条件控制：如温度、光照、pH、基质成分、气或水流等。（2）处理方式：测试生物以相同的方式接受系列剂量的毒物。如水生生物在系统的玻璃缸中接受确定时间的不同浓度的毒物。（3）毒性判别标准的标准化：如死亡率、生长量和繁殖率等。（4）设置对照。通常有三种类型的对照。阴性对照negativecontrol：其他处理相同，只是没有测试物及其载体/溶剂。载体/溶剂对照carrier/solventcontrol：其他处理相同，有载体/溶剂，只是没有测试物。阳性对照positivecontrol又称参比对照referencecontrol：其他处理相同，只是用已知具有良好毒性反应的毒物代替测试物。这不仅可以监测测试系统是否适宜，有时还可以提供毒性比较的参照标准。一般情况下，如果阴性对照或载体/溶剂对照的死亡率超过10，实验视为无效。如果低于10，处理死亡率则需要校正。即：校正死亡率（实测死亡率对照死亡率）/（1对照死亡率）,.,2、生态预测室内实验应该考虑的因素：（1）生物种类：可能时，每一营养层次至少选一种生物，而不是单个物种。（2）选用的不同物种对毒物反应的浓度范围要宽。（3）选用的生物要来源于不同的地理区域，变异度要大。（4）尽可能选用当地物种。（5）尽可能选用生态重要物种。（6）尽可能选用人或重要动物食物链中的物种。（7）优先选择经济和娱乐重要的物种。（8）优先选择室内易于饲养繁殖的物种，如寿命和生活周期短、生长快、抗病、抗寄生、抗物理伤害等。（9）优先选择生物学背景清楚的物种，以利于后期结果的分析和应用。,.,3、室内实验的处理方式。常用的有4种处理方式：（1）静态测试statictest：在测试期间不更换介质。简便廉价，需要的空间和时间少，废物少。适合急性毒性测定，尤其是筛选。缺点是剂量不准、有代谢物污染、不适合长期慢性和亚急性毒性测定，仅适合静态环境生物的测定。（2）更新测试renewaltest：定期（如24小时）更换全部或部分介质。类似静态测试，只是毒物的剂量更接近名义剂量。但对测试生物有一定的干扰，工作量大。（3）循环测试recirculationtest：测试介质在储备室和测试室之间封闭循环。优点是可以减少测试胁迫作用，如介质缺氧等。缺点是费用高、设备复杂、循环设备可能对结果产生影响。（4）流通式测试flow-throughtest：测试介质由储备室流过测试室排除。测试条件更一致更稳定，结果重复性更好，适于长期测试，和急、慢性毒性测试，尤其适合高耗氧量的测试，可以使用激流环境生物进行测定。缺点是费用高、设备复杂、废物排放多。,.,4、资料记录实验记录：精确记录实验毒物的名称、类型、浓度（剂量），测试生物的来源、状态、数量，处理的方法、接触时间、结果检测标准等。通常情况下只报告名义浓度（称量计算），但测试化合物可能因降解、蒸发、吸附等而减少，有时希望用化学监测确定真实浓度。实验的标准化：有利于不同实验室之间的重复、比较、和资料共享。,.,5、慢性毒性测定尽管这些急性测定对比较化合物的急性毒性很有用，但对生态毒理学来说，更希望测定低浓度长时间的慢性毒性。慢性毒性测定主要是用亚致死剂量处理，持续观察其生长抑制、生殖力降低、接触后的存活力等慢性效应，这些测定均可为化合物的生态风险预测提供有用的资料。卵到卵的全生活史慢性测定是经典的方法。但难度较大。敏感期的慢性毒性测定相应较简单，但仍需了解关于测试生物的生物学信息，如生活周期、营养和生理要求、行为、捕食关系、物理需求（光、温、湿、光周期、基质等）,.,6、慢性毒性的表示方法：最大剂量maximumdose，是指不引起生物产生统计显著反应的毒物剂量，并用无作用浓度noobservableeffectconcentration(NOEC)或无毒害浓度noobservableadverseeffectconcentration(NOAEC)表示。最小剂量minimumdose，是指引起生物产生统计显著反应的毒物最小剂量，并用最低有效浓度lowestobservableeffectconcentration(LOEC)或最低有害浓度lowestobservableadverseeffectconcentration(LOAEC)表示。最大容许毒物浓度maximumacceptabletoxicantconcentration(MATC)：是NOEC和LOEC之间的浓度范围，有时用二者的数学平均数作为控制指标。早期曾用短期资料预测长期慢性毒性常使用人为的应用系数，如将LD50乘以0.1、0.01、0.001、0.0001，作为环境安全浓度。其最大的缺点是：急性毒性和慢性毒性的机理不同，这样预测没有科学依据。,.,五、室内个体测定观察的毒效1、死亡率mortality：是易于确定、“全或无”的可定量反应，结果容易进行生态学解释，因此被广泛应用，并建有数据库。但死亡率测定通常需要处理后观察一段时间，并用刺激反应证实是否死亡。这对于有麻痹作用的化合物尤其重要。2、生长growth：是易于测定的个体适应性特征，同时它趋向于累计综合反应多种可能影响种群的亚致死效应，因此常用于慢性毒性测定。有时间接测定食物转化率foodconversionefficiency(FCE)和生长潜能scopeforgrowth(SfG)。但必需注意有些毒物在低浓度下可以刺激生长。3、生殖reproduction：是对慢性毒性和亚致死效应最敏感的、具有重大生物学意义的评价重点。具体指标包括性成熟期、生殖率、孵化率、幼仔成活率等。对生殖的影响可以是短期的，主要是影响配子发生或生殖组织细胞的永久损伤。生殖测定费用常较高。,.,4、发育development：因为发育可以影响生物的适合度，因此毒物可以通过影响发育导致不良的生态后果。理想的慢性毒性测定应该观察实验动物整个生活史、甚至几代的反应。如乙烯雌酚diethylstilbestrol(DES)是防治妇女流产的非类固醇药物，目前已经查实，服用这种药物后，孕育的女儿在青春期易患阴道和宫颈肿瘤。这类测定耗费大用时长，因此常用敏感阶段测定代替。,.,5、形态学变化morphologicalchange：是确定和评估环境污染影响的生物学普查指标。如污染水体中鱼鳍溃烂、骨骼变型、肿瘤等。摇蚊幼虫畸形已经被用来评估淡水生态系统慢性毒性胁迫的长期效果。由于自然种群中也存在基因性和表型变异的畸形，但污染胁迫会增加发生率，因此需要室内实验提出评估参数。6、细胞学或组织病理学变化cytologicalorhistopathologicalchange：是对细胞器和细胞结构功能可能毒效的有用指标。如细胞器的数量、大小、性状，尤其是涉及蛋白合成和解毒的细胞器，可以诊断接触毒物造成的损害和早期细胞学的变化。如接触有机污染物多环芳烃和多氯联苯，可以导致内质网增生、溶酶体和自吞噬囊泡增多。,.,7、生化改变biochemicalchange：这一指标过去使用的很少，近年来逐步增加，它不仅灵敏，而且可以明确毒物的作用机理。过去曾经利用发光细菌进行监测，现在涌现出许多生化和分子生物学方法。8、行为改变behavioralchange：行为是神经和肌肉的综合反应，它可以影响猎食、交配、避敌和栖所选择，从而影响物种的适合度。如果是重要物种，则会影响生态系统的结构和功能。植物的光反应以及海洋生物的光定向，已被用来评价污染的亚致死效应。鱼类的避敌行为也有许多研究。目前，还有利用神经电生理技术进行的研究。但这些研究尚需要标准化。,.,六、动物毒性测定资料的外推分析1、由一个物种推测另一个物种：选择代表物种测试，可以代表一类。但这种推测常出问题。2、由单一物种推测多物种群体：根据生物学和生态学关系，可以推测一个物种受到毒害后对其他物种的影响。但由于生态学关系复杂，且许多间接关系难以确定，因此这种推测问题较多。3、由个体水平推测高层次水平：这一推测分析使用的较多，如由个体影响推测对种群的影响，由敏感物种推测对群落和生态系统的影响。但单一物种很难反应生态系统的不同营养层次和其他指标，因此常利用不同营养层次的敏感物种同时测定，以便提高推测的可靠性。4、由室内推测野外：适应性性状和人工生态系统的测试结果能较好地用于推测，但由于野外环境的复杂性，常需要相互验证。,.,结语,剂量通常用相对量表示。分为生物接触毒物的量（外剂量）和进入生物体内与靶标作用的毒物的量（内剂量）。效应是毒物作用后引起的生物学改变，包括质效应和量效应。通常依据效应时间分成急性、亚急性和慢性毒性毒物的作用剂量与生物毒效反应之间的关系，即为剂量效应关系，可以用数学方程来表示，即毒力回归方程。,.,急性毒性通常用效应中值表示，而慢性毒性常用最大无作用剂量和最小有作用剂量来表示。效应中值可以代表种群个体的平均敏感水平，而毒力回归方程的斜率则反映了群体的变异度。不同毒物对同种生物或同一毒物对不同生物的毒性大小可以用相对毒力系数来比较。不同毒物之间的联合作用，可以有3种不同的互作关系（增效作用Synergistic、相加作用additional和拮抗作用antagonistic）。CTC大于120为增效作用，小于80为拮抗作用，介于二者之间为相加作用。而生态毒理学上常用小于40、40250和大于250为标准。,.,室内毒性测定要注意：测试生物标准化控制测试条件毒物处理方式、剂量和重复毒性判别标准设置对照：阴性对照negativecontrol；载体/溶剂对照carrier/solventcontrol；阳性对照positivecontrol又称参比对照referencecontrol：校正死亡率（实测死亡率对照死亡率）/（1对照死亡率）,.,室内实验常用4种处理方式：静态测试statictest、更新测试renewaltest、循环测试recirculationtest和流通式测试flow-throughtest生态毒理学研究经常使用动物毒性测定资料进行外推分析，但风险很大。,.,第七章环境毒害的生物监测与生物标记,.,一、引言,生物监测biomonitoring：就是利用活体生物定期监测环境参数的变化。包括活体生物组织内毒物的含量，各种生物化学、生理学、形态学和行为学的变化，以及群落和生态系统中不同物种的丰度和多样性。生物标记biomarkers：是指生态毒理学研究中可以指示外源毒物潜在效应的可测量的生物反应。主要包括两大类，即与不同环境相中毒物浓度相关、且可能直接反应毒效的活体生物体内毒物含量，和生物不同层次对毒物的毒效反应。,.,生物监测和生物标记的基本原理：生物接触毒物后，会在不同层次上产生与毒物毒性和剂量相关的反应，这些反应可以用于预测某种毒物进入特定环境的量，以及可能产生的后果。有些生物标记是专一性的，利用这些灵敏的标记进行监测，可以代替周围环境化合物的化学分析。但大多数标记是非专一性的，它们只能指示环境生物受到了毒物的某些胁迫。由于毒物的剂量反应，以及生物不同层次的平衡补偿，生态毒理学研究通常需要同时监测不同的生物标记。,.,平衡,补偿,可逆,不可逆,死亡,健康,胁迫,可治愈,不可治愈,病变,死亡,含量标记,补偿标记,可逆标记,死亡标记,病变标记,.,1、活体生物监测：早期研究发现许多生物可以富集环境中的毒物，由此建立多种前卫物种sentinelspecies监测技术。如贝类和牡蛎可以指示海洋及河口的环境污染。但首先必需弄清环境毒物浓度或生物富集后的浓度与毒效的剂量反应关系，以及亚细胞、细胞和个体反应与种群和生态系统毒效的关系。生物监测可以分为3大类：毒物生物富集的监测亚细胞、细胞和个体反应的监测毒物生态效应的监测,.,利用活体生物监测污染的生物效应还必需注意5R问题：（1）相关性Relevance。监测要与所考虑的环境相关，要使用环境中的重要物种。（2）可靠性Reliability。涉及的物种应该在环境中广泛分布，以便不同地点之间准确的相互比较。（3）抗逆性Robustness。有时希望涉及的生物在低浓度下可以正常存活，尤其是生物富集测定。另外，如果需要将测试生物转移到新地点或环境，也希望他能正常的存活。但有时用敏感物种作为指示物种时，则完全不同。（4）反应性Responsiveness。监测的生物反应应该可测，而且反应程度与毒物的作用成正相关。（5）重复性Reproducibility。同样处理产生同样的反应，并与剂量一致。,.,2、生物体内毒物富集的发生状况活体生物可以通过2种途径富集毒物，即生物浓缩和生物放大。生物浓缩bioconcentration：是生物通过积累和贮存直接从环境中吸收毒物的过程。生物放大biomagnification：是生物通过生物浓缩和营养传递富集毒物的过程。这一过程的毒物富集主要是通过食物链和食物网实现的，即毒物的浓度随营养层次的升高而升高。生物富集bioaccumulation取决于许多物理化学因子（如化合物种类、分配和降解）、生物学因子（包括物种、栖境、生理学、取食行为等）和环境因子（如季节、区域水分动态等），它们可以影响毒物的分布和生物有效性。,.,3、生物富集对生态毒理学研究的重要性即使环境中毒物的浓度很低，但通过生物富集，仍能达到毒害水平。即便这种富集浓度不影响生物自身，也可能对捕食者甚至人类健康造成危害。某些生物组织中的毒物浓度，可以用来指示周围环境中的毒物浓度。,.,4、影响生物富集的因素金属元素的富集：主要通过被动扩散吸收，部分通过主动运输吸收。陆生生物比水生生物强。调节有3种途径，即降低吸收、增强分泌排泄和结合贮存。后者导致生物富集。影响富集的因子有盐度、温度、酸度、氧含量和毒物互作。它们主要影响金属的化合特性以及可溶性。有机毒物的富集：主要通过分配过程进行吸收，取食也是一个重要的富集过程。影响富集的主要因子是化合物的kOW和生物的脂肪含量和性质。生物转化对金属和有机毒物的富集都有重要影响。如微生物可以将汞转化为毒性更高、可以在生物体内高浓度富集的甲基汞，有机毒物大都可以被代谢转化，但也有一些具有很强的抗转化能力，这些化合物通常都很毒。,.,5、利用生物富集进行监测目前利用的生物富集指示生物种类很多，测试结果不仅可以指示是否接触过污染，而且可以指示潜在的不良效应。这类监测的主要目的是提供毒物浓度的长期监测资料，同时鉴定富集发生的地区和物种，以便建立预警系统，采取措施以防止污染对特定地区和物种的毒害。牡蛎和贝类是用于生物富集监测的代表性指示生物，它们大都是商业重要物种，其组织内的毒物是时间和空间的综合积累。因为它们过滤食物，因此容易富集污染物；因为它们很少移动，可以体现生活区内毒物的有效性；因为它们可以定期收获，故它们可以提供时间范围内毒物浓度变化的资料。此外，测定它们比测定水中的毒物浓度要容易得多。它们还是全球广泛分布的物种，而且对有机毒物的转化代谢能力差。,.,但贝类类似的富集指示生物也有缺陷。如痕量毒物需要很长时间才能达到组织和环境之间的浓度平衡。因此，不同地点、性别、大小和发育阶段的个体之间的变异，直接影响到结果的真实性。另外，不同地点的温度、盐度等的差异，也会影响富集浓度的比较。尽管上述不足，许多环保组织仍依据从富集物种收集的资料制定环境保护措施。只是监测的污染化合物种类非常有限，主要包括金属元素（锌、铜、镉、铅、汞）、农药（氯化烃类如滴滴涕）和多氯联苯。少数情况下也监测石油烃类、多环芳烃和放射性物质。,.,生物富集指示生物的选择条件：1、可以富集污染物而又有较强的抗性2、不具备显著的移动扩散能力3、监测区内很容易采集4、寿命较长5、个体较大，以便有足够的分析材料6、室内野外均易于处理7、可以耐受淡海交界处水，此处常有污染8、在环境毒物浓度和组织毒物浓度之间，存在简单的相关关系,.,贝类较符合上述条件，已被不少国家用于环境监测，即Musselwatch除了贝类之外，还有各种不同的富集指示生物，包括人在内。如利用少儿牙齿和人乳监测生活环境中的铅污染和氯化烃类农药污染等。进行生物富集监测有2个主要目的：一是确定污染物分布的时间和空间变化二是确定食用生物体内污染物是否超标,.,6、利用生物标记监测环境毒害利用生物标记的目的就是要建立环境中毒物与活体生物反应之间的联系专一性生物标记是只对一种或一类毒物产生的特定反应。如氨基乙酰丙酸脱氢酶受铅的专一性抑制。乙酰胆碱酯酶对有机磷和氨基甲酸酯类杀虫剂特别敏感。因此可以用专一性生物标记测定是否接触过特定的化合物、产生的毒害、以及特定毒物的环境有效性。非专一性生物标记可以被一系列环境毒物诱导的特定反应，如多功能氧化酶可以被多种毒物诱导。虽然它无法提供单个毒物的信息，但它确实可以表明生物对毒物的接触以及这种接触可能对生物产生毒害。专一性生物标记很少，在环境监测过程中，通常使用一套生物标记，从亚细胞水平到种群和生态系统，各个层次均选择专一和非专一的标记,.,（1）生化水平的反应与生物标记铅污染的监测使用氨基乙酰丙酸脱氢酶的抑制作为生物标记。有机磷和氨基甲酸酯类杀虫剂污染使用乙酰胆碱酯酶活力抑制作为生物标记。MFO活力诱导被广泛用作监测毒物胁迫作用的生物标记。尤其是利用水生生物的MFO监测造纸厂对水体的污染。但在没有明显污染源的情况下，这种非专一性的生物标记的测定结果很难解释。DNA变异测定，包括单链断裂、加合物等。但必需注意生物的修复功能。因此，这类技术通常会高估化合物的遗传毒性。胆固醇和嘌呤以及蛋白质的浓度变化。如金属硫蛋白，但这种蛋白对金属污染的剂量反应关系不清，同时不同生物的反应能力不同，限制了它的实际应用范围。胁迫蛋白同样受其非专一性的影响。不同氨基酸的相对浓度。如苏氨酸和丝氨酸的结合浓度被认为是贝类受毒物胁迫的生物标记。,.,（2）个体的生理反应与生物标记包括呼吸率、生长速率、取食、分泌等，但它们都受其他环境因素的影响。因此较难解释。通常需要使用多个标记，并与化学分析相配合，才能进行较准确的评估。常用的一些生物状态指数conditionindex有：生长潜能、贝类的壳重比例、生物耗氧量与氮素分泌量的比率等。（3）个体的行为反应与生物标记包括感觉反应（趋光性、趋化性、温度选择、接触抑制等）、节律活动、运动活性、激活与学习现象，以及迁飞、聚集和猎食行为等。鱼类的避敌行为研究的较多，但条件适应会影响反应的灵敏度。同时行为反应的测定通常较复杂。,.,（4）种群和群落水平的监测敏感物种和机会物种。种群结构的变化。年龄结构的测定需要注意种群的自然变化；利用等位基因测定种群的基因结构变化更为准确，目前已开发不少等位基因标记。物种丰富度（群落结构），如地衣种类数量的变化。生物多样性,污染源距离,物种数,多样性指数,.,结语,生物不同层次的反应均可用于毒害监测。毒物毒害的监测评估方法很多，但没有一种方法是全面的。因此需要多种方法的配合，主要是野外高层次监测与室内尤其是低层次实验的配合，另外还需要时间或空间上的对照。生化和亚细胞水平的实验，简便快速、重复性好、精确性好、反应灵敏、而且还有转移性的反应。但测定的结果并不一定反应生态水平的毒害。高层次监测复杂、耗费大，常受非毒物因素的干扰，测试结果较难分析原因。,.,第八章生态风险评估与管理,毒物生态风险评估ecologicalriskassessment（ERA）是研究预测毒物胁迫产生不利生态效应的可能性的过程。主要是弄清毒物进入环境后是否存在生态危害以及危害的程度。特点：生态风险是指对生态系统的负面影响，它是客观存在的，但却具有显著的不确定性。此外，生态风险不能用经济损失来估计，而是以生态系统的健康、安全和完整为依据。,.,1、问题界定problemidentification：主要是确定环境污染类型和该环境中需要保护的生态组分。通常首先考虑化合物的可能来源、污染的范围和区域、该区域内重要的物种，以及该区域的土地所有、工业运作和土地使用状况等。如工厂废气对大气的污染、废水和废物对水体或附近国家公园的污染，农用化学品对生物群落的危害等。2、接触评估exposureassessment：由污染源排放方式、单位时间排放量、污染区域以及环境降解状况，推测计算不同环境相中的特定毒物分布浓度，由此结合生物的生活习性和吸收途径，确定不同生态相中生物的接触浓度或可能进入体内的量。,.,3、生态效应评估ecologicaleffectsassessment：依据生态系统的管理目标，选用特定的生态组分和系列评价指标，通过系列实验或利用已有的毒理学资料，确定污染毒物对生态系统结构和功能的剂量效应关系。主要是确定毒物的效应中值、最大无效应浓度等。4、风险表征riskcharacterization：就是依据接触剂量和剂量反应关系，估计毒物的可能生态效应。包括定性风险表征和定量风险表征2种：（1）定性风险表征：表明有无不可接受的风险，以及风险的性质，通常用高、中、低和无来描述。（2）定量风险表征：除进行风险定性外，还要从定量的角度表明风险值(R=风险概率p和事件严重度s的乘积)。（3）常用的商值法是一种半定量的表征方法：风险指数Q=环境接触浓度EEC/毒理学终点浓度TOXh再乘以安全系数SF。,.,美国农药规划办公室提出的商值,EEC:环境暴露浓度（环境接触剂量）,.,化学品对水生生物生态风险评估决策程序污染源排放推算预测水环境中的接触浓度EEC测定鱼类f、浮游生物c、藻类a的毒性中值Qf,c大于0.1，Qa大于0.3，高风险风险指数QEEC/LC50Qf,c小于0.001，Qa大于0.003，低风险高、低风险之间长期毒性研究，计算t时间后的环境接触浓度EEC(0,t)观测无可见效应浓度NOECQ大于0.1，高风险风险指数QEEC(0,t)/NOECQf,c小于0.001，低风险高、低之间为中等风险,.,5、风险管理riskmanagement：根据风险评估的结果，同时通过投入效益分析，确定可以接受的风险度和危害水平，依据适当的法规条例，制定相应的政策，选用有效的控制技术、管理措施，并付诸实施，以保护生态安全、获得最大的效益。环境保护涉及到不同社会团体的利益，而且不同团体的认识不尽相同，实施风险管理必需形成共识，因此需要管理专家进行预警宣传。6、监测方案monitoringprogramme：一旦实施风险管理，就必需监测环境的反应和管理的效果。管理监测集中在环境评价终点上，且监测的范围较广，以提供更准确的资料，同时发现可能的意外。,.,7、风险评估和管理程序问题界定接触评估生态效应评估风险表征风险交流预警风险管理生态环境监测,.,结语,生态风险评估是环境治理的重要组成部分。它是化合物对生态系统影响的评估进入更合理的程序，同时也能充分利用各种已有资料但由于多种不确定性，生态风险评估很难做到精确。要更好地进行生态风险评估，就需要不断地拓展各种化合物在不同生态系统中对不同生物、以及不同生物的不同发育阶段的毒性资料。此外，还必需了解毒物的联合作用。,.,生态毒理学实验方法,常规毒性实验微宇宙毒性实验分子与细胞毒理学方法致突变效应检测,.,常规水生生物急性毒性实验,水生生物：鱼、水蚤和藻类，2496小时LC50。均有标准检测技术，重点注意：测试生物的选择（种类、发育期、大小、均匀度，健康与条件适应状况）实验条件（容器及其大小、水的性质、水温、pH、溶氧量）实验设计（浓度范围与级别、处理样本数、重复和对照、观测时间和效应指标）,.,植物急性毒性实验,种子发芽实验：实验条件（恒温25正负1度，黑暗）、实验设置（拌土，6浓度3重复，每处理15粒种子，对照发芽率65以上）、结果检测（对照根长2cm时检测发芽率和根伸长抑制率，计算EC10和EC50）。植物生长实验：实验条件（土壤、光强与光周期、温度与温差、CO2浓度）、实验设置（拌土，5浓度3重复，每处理10株苗，对照）、结果检测（14天检测全株、根和地上部分长度、鲜重和干重平均值，计算EC10和EC50）。,.,陆生动物急性毒性实验,小鼠1822g，大鼠200g。口服或经皮。预试寻找剂量范围。56剂量，每处理35头，观测2周死亡率并做病理检验，计算致死中量。蚯蚓：滤纸接触法和土壤混药法，6浓度，每处理1520条，4重复，观测7和14天致死中浓度。,.,亚慢性毒性实验,试验期常为动物生命期的1/10-30，大鼠36个月，狗412个月，初步检测毒作用的最小浓度和无作用的最大浓度。动物：敏感性，健康年幼。小鼠1417g，大鼠5080g，兔和猫12kg，狗58kg，体重正负小于20。实验设计：每处理鼠20只以上，大动物46只，雌雄各半。至少3剂量，设对照。剂量一般为致死中量的1/50-80。染毒方式模拟人在环境中接触毒物的方式。观察：综合指标（饮食、生长、活动、症状、死亡）、生化检测（血液和肝、肾功能）、组