生态毒理学 (8).ppt

参考文献：FundamentalsofEcologicalModels.S.E.Jorgensen,2001生态模型法原理，S.E.Jorgensen著，陆健健，周玉丽译，1988Bioaccumulationofpersistentorganicchemicals:mechanismsandmodels.D.Mackay,A.Fraser.EnvironmentalPollution,2000,110:375391RankingoftoxicsreleaseinventorychemicalsusingalevelIIIfugacitymodelandtoxicity,F.G.Edwards,E.Egemen,R.Brennan,N.Nirmalakhandan.Water.Sci.Technol.,1999,39(10-11):83-90,群落或更高层次响应研究方法的样例(1)隔室/围栏(enclosure)微宇宙/微观世界(microcosms)指合成的或营造的生态系统。水生生态模型系统中容积通常小于1m3，处于人工控制或半控制环境中，是人为制造的研究实验系统。中宇宙/中观世界(mesocosms)指真实生态系统中有代表性的片断隔室。水生生态模型系统中容积通常在11000m3，处于人工控制和半控制环境中，研究生态系统的某种特性。微宇宙和中宇宙是实验系统，用以再现一特定生态系统的部份或全部。,室内暴露系统的优点和不足,中宇宙(隔室)研究的优势与局限,可以调查生态系统水平效应和物种间相互作用,可以同时研究化学物对多物种具有不同灵敏度的效应,尽管可以监测，但实验条件难以控制。未预料的事件，例如异物引入某一重复实验将摧毁全部实验,环境条件和暴露比室内研究更有现实性,即使在时间为零时，系统在重复实验中仍可出现变化，而且重复实验随时间出现分歧,生态系统成份可以控制(隔离，去除，或增加)，以便检测有关污染物效应的假设,与围栏效应的改变随时间出现,在合适的统计设计中建立重复和未处理控制,围栏体系建立和维护费用昂贵,系统内的条件可以在加入目标化学物前后进行监测,必须考虑尺度因子和边界效应,系统可维持一定时间,鉴于实际原因(体形大小)，很少能包括大型生物群落，尤其是捕食者,测试系统包括一个能运行的生态系统,局限,优势,利用中宇宙/微宇宙进行生态毒理研究样例,生殖行为,230天,抗胆碱酯酶杀虫剂,小型动物群落,牧场草地围栏,毒性和累积,12周,化学分散，和非分散石油,底栖无脊椎动物和鱼类,近岸海,水化学包括杀虫剂，初级生产量，大型植物，浮游动物密度和物种组成，各营养层次群落结构,通常至少一季度，夏季每两周给剂量,各种杀虫剂，单独或组合，部份要求用于登记,现存的群落加繁殖用鱼类,人工池塘,水化学包括杀虫剂，浮游动物，大型无脊椎动物，水中悬垂生物，大型植物，鱼,25周,烈性杀虫剂硫丹,自然聚集体,农场池塘,水中叶绿素a，磷浓度，溶解性反应性磷浓度，沉积物氧化还原电位，藻类生物量，浮游动物放牧速率,3年,营养物,天然聚集体,围栏,藻类种群密度随时间变化，多样性指数，计算公平性和丰度,2小时,Zn,实验室饲养的自然浮游植物聚集体,静态实验室方法,毒性和累积,24小时,11种水溶性中性亲脂化合物,蚊,沉积物/水，与仅有水对比,终点,检测持续时间,物质,有机物/群落,系统类型,微宇宙相对于中宇宙的优势a)微宇宙环境比中宇宙能更快地运转；b)更方便重复，耗费更低；c)比室内实验能涉及更广泛的生态问题；d)为宇宙实验允许使用放射性示踪，而在野外围栏是不现实的或非法的。使用微宇宙有关的局限性a)微宇宙不能正常容纳大型生物，例如鱼和动物，至少是成体形式；b)有限的机体系统容易被化学暴露扭曲变形；c)如果采用破坏性采样，小型微宇宙意味着在一时间过程中只能采集有限数目样品；d)对绝大多数微宇宙设计，不会出现重新集群现象。,微宇宙(隔室)研究的优势与局限,e)通常较短的实验时间意味着检测不到恢复。(2)整体系统的处理情况某些样例(参见表格),烧杯水生微宇宙试验设计条件,评价农药对非靶生物影响的室外水生微宇宙设计条件,陆地土壤核心微宇宙试验设计条件,涉及整体系统处理的生态毒理研究样例,在距离来源不同距离和时间上监测植物群落多样性、群落系数、相似百分数、对早期连续群落的效应,15年,慢性辐射,橡松树森林,土壤化学，真菌，树木、地衣状态的各种生理指示物，地衣形貌，羽状地衣和地衣群落结构,25年,硫酸和或硝酸沉降处理，有或无土壤肥料改善,枫糖和松树森林植被,径流化学，部份土壤化学,5年,酸化逆转性,森林集水区,添加的Cd的地球化学，水化学，浮游动物，大型无脊椎动物群落结构，在平行的实验室实验测得的Cd的食物链效应,几年,加入放射标记Cd，有关的围栏和室内研究,湖泊,主要化学参数，形态变化，所有营养水平的群落指数,几年,加硫酸至目标pH，后停止，观察恢复,湖泊,水化学，初级生产，不同营养层次的群落结构,一年或更少,磷和氮，单独或组合,湖泊,无脊椎动物漂移,硫酸,溪水,终点,持续时间,处理，物质,系统类型,生态毒理评价中生态适当性、实验控制和可重复性的关系,低,高,生态适应性,实验控制和重复,低,高,单物种检测,微观实验microcosms,中等实验mesocosms,常规生物监测,生态系统处理/操作,“天然”实验,群落水平评价使用的因果关系基准,相关性的强度strengthofassociation相关性的一致性consistencyofassociation特异性specificity暂时性temporality合理性plausibility一致性coherence类推性analogy生态梯度ecologicalgradient实验法experimentation,生物方法中简易性与生态现实性的关系,生态现实性,简易性,稳态,单向流,单一物种,择生生物,自然,群落,微宇宙,围栏,控制系统,野外研究,理想的生物方法,方法学中技术的进步对生态毒理学的影响(1)分析化学检测下限(detectionlimitation)；样品分析的质量保证(QA)和质量控制(QC)。(2)电子显微镜能量发散X射线技术(EDSXRD)。(3)计算机方法的选择(1)生物尺度选择利用表格和图示；方法选择指南：使用者应考虑技术可行性，针对特定问题各种技术的优势和劣势。,(2)方法选择(3)受试有机体或系统的选择(4)可用的资源个案实例研究(略),染色体组工具的集合,描述不同类型的用于分析的染色体组工具，用于评价总基因库及其性能方面的扰动,监测点位,有机和无机化学分析,用于监测和评价的样品置备,染色体组工具,通过随机放大聚合DNA(RAPD标记物)分析代表性微生物群落的指示DNA显著性(IDS),时间序列分析,评价和预测扰动,基于化学分析的压迫评价,扰动与基线,谱带共享指数,时间尺度上的ARDRA分析,选择指示形细菌种,基本生化过程,生物地球化学循环,分析：CO2生成量CO2固定量CH4生成量氮N的水平(NH4+,NO2,NO3)磷酸盐,与基线数据或随时间的变化相关联的代谢控制因素,生理参数指数IPP,微生物群落,微阵列分析,或,PCR/多元或实时PCR,基于推理知识的追踪,指示性/新的/庇护/未培育的物种,染色体组工具辅助监测和评价,基线数据,大气,土壤,水体,基线恢复,环境影响,工业,生物修复生物增加,短期效应,恢复具有无或很低生态惩罚的变化基线,减轻作用的测试,长期效应,染色体组工具,辅助评价工业活动的环境影响，包括污染原因和减轻及净化过程,通用概念网络,生物地球化学循环：C:N:P比率生物降解控制因素微营养物缺失代谢潜力,基本资源领域(分子水平目标),有关受体：细菌群落真核微生物共生/非共生关系,大气,土壤,水体,压迫的定量评价：受影响区域负荷量负荷模式无机负荷有机负荷,基于推理知识的追踪：特定位置易变的DNA元素归结于恢复基线的DNA显著性,通用概念网络,在映射绘图基础上，对选择坐标(变量)进行动态监测,在DNA水平上评价扰动,生物有效性过程,结合污染物,释放污染物,固相结合污染物A,结合,分裂,后续的迁移B,结合污染物迁移C,经生理膜吸收D,进入活体系统E,吸收污染物进入机体,生物响应部位,A，B和C可发生在有机体内部，如内脏的细胞腔；A、B、C、D属于生物有效性过程；E由于土壤和沉积物不再发挥作用而排除在外。,D,顺序选择生物有效性工具,三种选定的生物有效性工具根据7项标准按每类的得分(13，3为最佳)进行排序,SIMS:二级离子质谱L2MS:微探针两步激光质谱DGT:薄膜扩散梯度,不同尺度范围的评价方法,实验室研究,水平/尺度,野外现场研究,没有适用的,生态系统,整体系统处理(1)致死和亚致死效应(2)种群和群落改变(3)地球化学改变(4)所有相互作用,微宇宙和中宇宙各种人工生态系统(1)群落内部,群落,调查，长期或短期监测(1)群落内部丰度(2)相对丰度(3)生殖力,种群,个体,器官,细胞,分子,调查，长期或短期监测(1)补充(2)生存(3)年龄结构(4)密度,采样(1)生物富集(2)行为,采样(1)生理状况,采样(1)组织学研究(2)血液学研究,采样(1)生化指示物金属硫因，酶等,各种控制实验体系(1)生殖力，生命周期(2)年龄结构(3)密度,各种控制室内处理(1)急性毒性(2)亚急性效应(3)行为，生物富集,各种控制室内处理(1)生理状态(2)功能参数,各种控制室内实验(1)组织学研究(2)血液学,各种控制室内研究(1)生化指示物金属硫因，酶等,有毒物的生物和生态效应评价方法,有毒物生物和生态效应评价方法(续),种群大小对污染的可能响应,i,ii,iii,iv,v,污染,种群大小,时间(年),曲线i：下降，直至零；曲线ii：下降，趋缓至持续；曲线iii：开始增加，抵抗力进化；曲线iv：短暂，由抑制水平恢复；曲线v：恢复，由迁移或重新殖民。,K,0,0,时间(年),种群大小,由Logistic方程式得到的“S”型生长曲线,环境承载容量,dN/dt=r0N(1N/K)r0:在低种群密度条件下种群生长速率,种群密度的依存性,指数增长,逐渐降低,平衡阶段,种群生长评价方法,种群生长速率r定义为单位时间种群增长除以种群中的个体数。若种群大小为N(t)，r=1/NdN/dt，单位时间每(人)口。如果r为常数，则有N(t)=N(0)ert显示指数形式的种群增长。=er为净生产率，是每年种群倍乘的一个因子。r=loge,(1)假设有机体在年龄t1时第一次繁殖，在年龄t2时第二次繁殖，在年龄t3时的三次繁殖；(2)假设每一雌体在第一次繁殖产生的后代数目为n1，第二次为n2，第三次为n3；(3)假设雌体从出生至年龄ti时的存活率为li；则种群生长率r可由下式计算(EulerLotka方程式),通常的生命史,年龄,t1,t2,t3,n1,n2,n3,出生,繁殖年龄,繁殖年龄,繁殖年龄,后代数目,后代数目,后代数目,k1,k2,k3,k4,k5,1,3,9,3,27,5,6,9,18,21,S,R1,R2,R3,R4,48,年龄(月),种群密度,时期(月),产卵,成体,刚孵化,幼鱼,以鲑鱼为例,抵抗污染的进化过程的简单样例,CA,AD,AB,AAAAAAAA,EA,CCCC,CD,DDDD,CECE,AB,DE,AA,EEEE,r=0,r=1,r=+1,特性2,E,A,C,B,D,F,CC,CD,DD,DE,EE,AB,AA,特性1,特性1,由图A至B，远离初始的等位基因(C至E)数目增加；而靠近初始的等位基因(A)的数目则下降。,图C显示用于“复制”增加的速率r，即适应性。图D显示遗传选项的集合，它带有由基因重组所获得的遗传类型(用圆圈代表)。选项集合的边界是平衡曲线(用粗线条表示)。,图E显示最佳的策略(即进化的结果)。图F显示遗传选项，它们在种群中可保持直至进化过程的结尾。,特性2,特性2,死亡生产的平衡关系形式,防卫,A,3,2,0,+1,C,机体生长速率,增长速率/适应性=1,3,2,0,+1,B,机体生长速率,防卫,死亡率,机体生长速率,遗传选项集合,平衡曲线,适应性轮廓线,0适应性通过原点(代表稳定种群),图形叠加：当等位基因达到最高适应性时，用来鉴定进化结果,外在死亡率,最大生产速率,注意：(1)平衡关系会抑制解毒机制的作用；(2)用于防卫的资源配置可同时降低生产率和死亡率。,死亡率,死亡率,增长速率/适应性=1,显示最佳策略的位置(代表所研究环境的最终进化结果),长期死亡与生产受迫的进化结果,图中的直线代表零适应性轮廓线,机体生长速率,死亡率,机体生长速率,死亡率,A,B,(1)最佳防卫基因选择在污染环境中；而无防卫基因选择在无污染环境中。(2)一般地，污染不会改变遗传选项集合的形状。平衡曲线在污染环境(A)和未污染环境(B)中具有不同形状，进化结果(星号*标示)在污染环境中会涉及更多的防卫。(4)如果基因在以前无记载或缺少表达的污染环境中进行表达，那么进化的结果可能在无污染和被污染的环境中有所不同，其种群在遗传上也是不同的。,有毒物压迫下生命历程特征的平衡曲线,死亡率,生长速率,生长速率,生长速率,死亡率,生长压迫,死亡压迫,死亡率,死亡率,生长速率,生长速率,死亡率,死亡率,生长速率,生长速率,无毒物环境,有毒物环境,RelativeFitness=0,RF=1,RF=+1,RF=+2,死亡率,死亡率,上面