生态毒理学 (2).ppt

相对简单的(环境/生态毒理学常用)测试方法的局限性对于筛选目的(screen)依然有用，但局限性表现在：(1)不适合实际预测；(2)不适合对特定点位(specificsite)的评价。对于后一种情形，可考虑将生态学和毒理学进行外在地(如利用证据权重evidenceweight方法)和内在地(如生态毒理学方法)相结合加以解决。例如，在确定风险表征(如预测效应的表征或确定PEC或PNEC)所需的预测无效应浓度(PNEC)时，选择内在地结合方式能最大限度地降低不确定性(uncertainty)，提高现实性。生态毒理学应该对大、小尺度的变化均给予关注，必须明确两个重要过程：,生态毒理学两个重要过程,(1)作为化学物浓度的函数，一种有机体的种群生长或衰落速率变化；(2)在随后降解的有毒化合物的短期暴露中，一种有机体的种群恢复速率。明确上述两个重要过程所应了解的信息：(a)个体水平上亚组织效应的结果，其中包括任何生命历程性质之间的平衡关系；(b)种群水平上个体效应的结果，其中包括任意组织之间的平衡关系；(c)控制种群大小和健康的(非生物、生物)过程；(d)最小可养活的种群大小，及其遗传约束条件。,不确定性Uncertainty,现实性Realism,基于环境毒理学的PNEC,生态学,基于生态毒理学的PNEC,预测无效应浓度(PredictedNoEffectConcentration,PNEC),相关的不确定性和现实性,环境毒理学与生态毒理学对比,进程时间,生态毒理学(有毒物质的生态学),当前的学科发展情形表现为：初始研究方法尚未被完全替代，而是被后续的方法所补充,生态学生物体相互作用，种群功能和过程,简单的野外观测,规划的野外观测,实验操作处理,环境毒理学生物体的毒性效应,简单实验室暴露,“准野外”调查,复杂的现场实验,生态学、环境毒理学和生态毒理学的发展,现代(环境)毒理学研究方法可以概括为三大类：(1)实验室方法；(2)临床观察和现场调查；(3)综合危险度评定。实验室方法：体外实验法(invitro)A.体外实验法将生物体器官、细胞、亚细胞或基因等分离至体外，接触受试化学物，观察其毒性。可大体分为器官水平、细胞水平和亚细胞水平。此外，微生物的体外实验主要用于致癌和致突变研究。器官灌流技术：将受试化学物由血管流经特定器官，观察环境污染物在脏器内的代谢转化和毒性作用；将某种器官从体内取出再制成原代游离细胞，进行环境污染物对细胞的毒性作用；,现代环境毒理学研究方法,用经体外多次传代的细胞株对外来化学物进行一般毒性和特殊毒性研究。主要优点：简单、快速、经济；实验条件容易控制，不受机体复杂效应因素的影响；可以选择不同种属生物的器官、组织、细胞株系、细胞受体等；为整体生物实验提供线索和依据，使实验设计更加合理；操作过程易于标准化、自动化。,主要缺点：培养都是在离体条件下进行，难以精确模拟或反映外源物在生物体内的生物转运和生物转化过程；无法得到毒性效应学和毒性动力学资料。主要应用：各种化学物的初筛，包括环境样品、混和化学物及化妆品测试；研究定量化学结构与活性的关系(quantitativestructureandactivityrelationship,QSAR)；新产品开发早期比较候选化合物的毒性；探讨毒副作用机理，特别是分子水平上的机制。,B.整体生物实验(wholebodybiomass，即体内实验法，invivo)在动物生存条件下进行染毒或给药，然后测试各种终点或指标。也称整体动物实验。实验设计应按人体可能接触的剂量和途径使实验动物在一定时间内接触环境污染物，然后观察动物出现的形态和功能变化。用于阐明外源物的毒性效应及其特点，而不是为证明其安全。可了解外源物毒性，阐明剂量响应关系，确定阈剂量和无作用剂量，探讨有关机理。两个主要原则：(1)在试验设计合理、保证质量前提下，从整体生物试验观察到的有毒效应资料可用来估测潜在危害；(2)为发现和检测外源污染物对生物的潜在毒性危害，在试验中有必要使用大剂量来诱导毒性效应。,新的发展趋势：(i)规范化的常规生物实验进一步国际化；(ii)非规范性试验方法正广泛用于新产品开发；(iii)转基因生物开始应用，标志基因转入生物体内和代表毒性的基因内部；(iv)探索建立半体内方法(exvivo)，集成体内和体外试验方法的优点，在分子水平同时分析多个毒性终点，不仅与体内观察结果一致，而且进行不同种属的比较。试验材料：由研究目的可选择植物、微生物、非哺乳类动物及哺乳类动物。,整体实验(体内实验)与体外实验的比较,临床观察(包括：短期或长期接触化学物的人体直接观察)；现场调查及流行病学调查(常见有：回顾调查法和前瞻调查法)人群调查(流行病学调查方法)：根据动物实验结果，以及对环境污染物毒理作用的假设和预测，选用适当的观察指标，对接触该环境污染物的人群进行调查，分析环境污染与人体健康损害的关系。必须指出：因现实条件下人群常接触多种污染物，加之各种生活习惯等因素的影响，在使用直接观察资料时，应去伪存真，结合室内研究进行综合分析。,现代环境毒理学研究方法(续I),常用的流行病学研究方法：(A)观察性研究；(B)实验性研究。前者：包括生态研究、现况研究、病例对照研究和队列研究；后者：包括随机对照研究、现场试验和社区试验。流行病学研究中的潜在误差：(1)随机误差；(2)系统误差。系统误差分为：选择偏倚、测量偏倚、混杂。其中，控制混杂最常用的方法是随机化规定研究群体以及配对方案。,流行病学中病因(cause)的研究评估一种可能的病因与结果关系的性质所采用的步骤：(1)时间先后(temporalrelationship)；(2)合乎情理(plausibility)；(3)一致性(consistency)；(4)联系强度(strength)；(5)剂量反应关系(doseresponserelationship)；(6)可逆性(reversibility)；(7)研究设计(studydesign)；(8)依证据判断(judgingtheevidence)。,现代环境毒理学研究方法,危险度评定(riskassessment)与管理毒理学(regulatorytoxicology)用以客观地综合评价和科学应用各种资料，提供控制和预防的科学依据。其它进展(1)毒理基因组学、生物微矩阵、DNA芯片、人工智能毒性筛选系统，即“硅上发现”(discoveryinsilicon)，“硅上临床试验”(clinicaltrailsinsilicon)等；(2)近代环境/生态毒理学引入生物化学、分子生物学的最新技术。例如酶、核酸、蛋白质理论和方法，PCR基因扩增、DNA系列分析、单克隆抗体技术等；,(3)新的分析化学手段使环境化学污染物的检测更加精确、灵敏。例如用于细胞膜离子通道研究的荧光(Fluorescence)分光光度法、直接测定自由基的自旋共振(SR)技术、研究生物大分子构象变化和污染物在动物体内代谢转化的核磁共振技术(NMR)等。环境/生态毒理学发展遵循不断地由宏观到微观，由整体到局部，由综合到分析，由理论到应用；同时，又沿着相反方向，螺旋式上升地发展。,生态毒理学需解决的问题,数秒至数日,数分钟至数年,数天至数年,数星期至数十年,分子细胞水平,生物机体,群体社区,生态系统,代谢物基因酶免疫系统组织病理学,代谢行为生长发育结构形态繁殖存活,生物多样性生物丰度种属内相互作用演替类型空间构成,繁衍能力分解营养成分生态循环食物网能量流动,与生态系统相关性,反应敏感性,时间尺度,生态毒理学的关键问题,对于急性和慢性毒性响应重点在于关键的测试参数：(1)受试物种应与常驻物种最为相似，应具有生态适当性和重要性；(2)暴露途径的需要是直接的和适当的；(3)受试物种是经证实具有对污染物或紧张刺激具有合适的灵敏度。生物标记物(Biomarker)指机体接触某种外源性化学物所造成各种改变。分为：接触标记；效应标记；敏感性标记。,生物标记物举例：金属硫因感应蛋白、混和功效氧化酶(MFO)、受迫蛋白等。目前生物标记物仅能提供暴露指示，尚未直接与有机体个体水平、种群和群落水平的影响相联系。生物指示物(Bioindicator)生物指示物可被视为了解一种条件和状态的生物学手段。包括对有机整体的评价，涉及包含多重水平的生物组织的野外数据，并直接与影响相关联。在目前条件下，生物标记物属于环境毒理学，生物指示物属于生态毒理学。受试物种选择的标准不仅要顾及经济因素，更要考虑生态重要性。,为更好地预测和进行特定点位评价，需要测试等价的重点物种，理想的情况是针对待评价的区域。受试物种的确定应根据基于种群的研究。当前，普遍可用的受试物种容易获取，但须尽可能采用合适的物种，尤其是更为有效并能提高评价水平的物种，尽管这可能需要付出更多的工作和努力。有机体毒性测试中通常未予考虑的两个特征：(1)利用其它物种进行测试的能力；(2)测试的终点(endpoint)是否具有生态学和毒理学上的适宜性。进一步，具有预测性和针对特定点位的毒性检测经常涉及混和物种，而不是简单的单一物种。,检测包括选择合适的单一和组合物种，重要性表现在：(1)相互作用影响毒性响应水平和模式；(2)真实环境中的相关性尚未充分被了解。尽管复杂的检测方法尚未取代单一物种测试，但它对于特定目标物(如杀虫剂)和污染环境介质野外调查的详尽评价是很有用的。存在的问题：(1)宏观野外研究比单一物种检测更接近实际，但缺少诸如检测效应的统计能力和强烈的边缘影响却是不利之处；(2)检测不能局限于实验室，室内检测(容易造成保护不够或过度保护)没有也不能重复野外情况；,(3)独立的替代物种响应无法与所有的营养水平、重点物种、种群或生态系统功能响应相关联。因此，涉及微观和宏观的混和物种测试更为实际。野外多重响应可以联合产生最终结果，这是从简单的室内实验完全不能预测的。例如：食物有限和毒物输入可以联合放大影响作用。,对生态/环境毒理学的两种认识,认为生态/环境毒理学是研究有毒物对非人类环境的影响的学科，主要致力于探索和了解有毒物对环境中各种非人类生物(即对非人类生命系统的生态受体)的影响。认为对生态环境的研究应包括对人类的研究，研究成果应被用来更好地理解有毒物可能对人类造成的影响。从目前发展趋势分析，第一种观点逐渐为更多研究人员所接受，这对于改变我国当今只偏重较为微观的、以人类为主要目标的环境毒理学研究转向更为宏观的、以不同水平的生态系统为主要目标兼顾人类，具有重要的指导意义。,实践,技术,科学,短,长,受益时间,短,长,局部,全球,数值,科学,实践,技术,其它法律和规章,其它技术,其它科学,其它社会需求,当前状态的平衡关系,理想状态的平衡关系,生态毒理学中科学、技术和实践成份的现实与理想平衡,来源,分布和环境转换,环境中地区水平,有机体暴露,经可能的生物富集作用进行吸收,个体响应，致死/亚致死效应,生态系统响应,效应,剂量,暴露,化学物的生态系统层次效应,环境因子和响应,过程和结果,相关化学物性质,来源,污染物,物理(固、液、气等),环境分布与转换,生化途径和通量,大气,水体,土壤/沉积物,物理化学(溶解性、蒸汽压、转换等),暴露和吸收,环境水平,有机体,生化及生理(生物富集、生物转换等),有机体响应,致死性和亚致死条件,生理(致死毒性、亚致死效应导致繁殖力降低),种群、群落和生态系统响应,改变的种群特征及动态,改变的群落结构和功能,生态系统功能变化,生态(物种改变、捕食被捕食关系中多样性变化、呼吸作用与光合作用比率变化、营养动态变化等),污染物进入地表水的主要途径,污染物进入地表水的主要途径(续),污染物进入陆地的主要途径,污染物进入大气的主要途径,毒性剂量,剂量：指生物体对化学物的吸收量或摄入量的一种度量。有毒化学物剂量在应用中通常有不同的量化或估算方式：,致死剂量(lethaldose)某种外源化合物能引发机体死亡的剂量。绝对致死剂量(absolutelethaldose,LD100)引起观察个体全部死亡或实验动物全部死亡的最低剂量。半数致死量(medianlethaldose,LD50)造成个体数50%死亡所需剂量(致死中量)，数值大小与毒性强弱关系相反。半数耐受限量(mediantolerancelimit,TLm)或称半数存活浓度一定时间内水生生物中50%个体能耐受的某种环境污染物在水相中的浓度，常用48小时(TLm48)或96(TLm96)小时。,毒性/毒理基本概念,最小致死剂量(minimumlethaldose,MLD,LD01,LDmin)引发机体中个别死亡的最低剂量。最大耐受剂量(maximaltolerancedose,MTD,LD0)个体中不发生死亡的最高剂量。最低观察到作用剂量(lowestobservedeffectlevel,LOEL,lowestobservedadverseeffectlevel,LOAEL)中毒阈剂量(toxicthresholdlevel)一定时间内，某种化学物按一定方式或途径与机体接触，并使某灵敏指标开始出现异常变化或机体开始出现损害作用所需的最低剂量。,最大无作用剂量(maximalno-effectlevel,MNEL)未观察到作用剂量(noobservedeffectlevel,NOEL,noobservedadverseeffectlevel,NOAEL)一定时间内，某种化学物按一定方式或途径与机体接触，根据现有认识水平和最为灵敏的实验方法和观察指标，未能观察到对机体造成任何损害作用和使机体出现异常反应的最高剂量。通常根据实验观察并经统计学处理获得。效应(effect)一定剂量外源化学物与机体接触后引起的生物学变化。分为量效应(quantityeffect)和质效应(qualityeffect)，两者可以转换。,效应可表现为“全”或“无”形式，例如：以是否死亡判断效应，即为计数效应；效应也可用分级和计量形式表示，分级或计量效应并非表示每一效应均是有害的。响应/反应(response)一定剂量外源化学物与机体接触后，呈现某种效应并达到一定程度的比率，或产生效应的个体数在总个体数中所占比例。响应(1)或许是“全或无(所谓局量子)”的现象，如死亡率；(2)或许是梯度效应，如生长率或生育力。剂量效应关系定义(doseeffectrelationship)不同剂量外源化学物与其在个体或群体中所表现的量效应大小之间的关系。,剂量效应关系阶段(doseeffectrelationship)根据个体接触环境污染物的健康效应不同，可分为：(1)污染物在体内增加，不引发代谢、生理、生化或其它功能活动的改变；(2)体内污染负荷进一步增加，引起代谢、生理功能或组织器官形态结构的轻微变化，但变化没有病理生理学意义；(3)负荷水平足以导致有病理生理意义上的改变，但未出现明显的临床症状；(4)个体受到污染物的严重损伤，出现临床疾病；(5)严重中毒或死亡。,剂量响应关系(doseresponserelationship)不同剂量外源化学物与其在个体或群体中表现的质效应发生率或响应率之间的关系。确立剂量响应关系所需的前提：(1)观察到的毒性反应与接触化学物之间存在较为明确的因果关系(cause-effectrelationships)；(2)毒性反应程度与接触或给予剂量有关，确定其关系需有以下条件：生物体内存在作用部位(受体)可与外源化学物相互作用产生毒性效应，效应及其程度与外源化学物在作用受体的浓度有关，受体浓度与接触或给予的外源化学物剂量有关；(3)具有量化外源化学物剂量和准确表示毒性大小的方法和技术。,用曲线(散点图)表示纵坐标：效应强度计量单位或响应百分率或比值；横坐标：剂量为横坐标。主要曲线类型：直线型、抛物线型(对数曲线)、S型曲线、“全或无(allornone)”反应。时间剂量响应关系：外源化学物在一定剂量下对机体所产生的毒性作用含有时间因素，实际应为时间剂量响应的三维关系(timedoseresponserelationship,TDRR)。,剂量反应关系反应(响应)是指：产生特殊效应群体占接触群体整体的百分比。剂量反应关系是流行病学研究的最常用的形式。低剂量时，几乎所有个体均无反应；高剂量时，几乎所有个体均发生反应，形成S型曲线。它反映个体的敏感性差异，属于个体敏感度的常规分布形式。但某些研究中该关系呈现直线关系，例如癌症发病相对危险度与放射接触剂量之间关系的研究。效应(effect)与反应/响应(response)不能互换前者指个体或群体因接触而产生的生物学变化，后者指出现特定效应的个体占总体的百分数比例(频率)。剂量效应关系中，生物学效应的单位为计量单位，而剂量反应/响应关系中的单位是比率或比值。,流行病学通常使用接触效应关系和接触反应关系。尽管前者也受