生态毒理学 (4).ppt

国外管理机构采用的植物毒性测试方法,利用植物响应进行环境评价的分类,当前逐渐兴起将生物法(Bioassay)用于检测地下水、径流和污水等化学成分未知的介质。由此，借助环境样品的系列稀释法利用清洁(无毒性)的水制成某一剂量范围，而毒性与稀释程度相关。这一方法通常与样品的综合化学分析平行进行，化学和毒性数据用以达到污水治理措施的决策。该方法的延伸称为毒性鉴定估计(ToxicityIdentificationEstimate,TIE)或毒性降低估计(ToxicityReductionEstimation,TRE)。应用涉及污水在一系列化学提取和/或pH调节设计以分离和鉴定毒性部分的过程之前和之后的检测与再检测。,比较生物法(ComparativeBioassay),底栖群落结构变化,沉积物毒性生物检验数据,沉积物化学分析,沉积物质量评价三合一(Triad)方法的组成,不同阶段的毒性基础框架,吸收,排泄,生理响应,a,b,c,etc,A,B,C,etc,生物合成,动态阶段,初始反应,生物生化响应,靶标,更改靶标,动力学阶段,去毒性作用,前毒物,毒物,脂储藏,代谢,+,行为响应,(受体),和,有毒物作用的三个时相,毒物存在的剂型和剂量,接触相,毒物,吸收，分布，代谢，排出,毒物动力相,靶组织中与受体相互作用,可吸收毒物,活性物的有效剂量,效应,毒效相,有毒物一些重要的生化和生理效应,污染物对区域的一般作用,对生态系统中自然定居且已经适应的活的组分而言，使其区域适宜性降低；对某些物种和群体产生与污染物强度和类型有关的负面影响；造成群落结构改变，而且一般地，物种数目随之降低；生态系统中的能量流与物质流改变；具有较长生命跨度的较大有机体消失；具有短生命跨度的机会性物种出现，表现为时间和空间上种群大波动，例如赤潮。,污染物毒害作用通常与三个环境因素相关：(1)过度的植物生产量；(2)去氧还原作用；(3)对有机体的毒性或类似的生理毒害作用。,情形A,情形B,情形C,不同组织水平上有毒化学品的效应关系,可观察到的生物组织不同类型之间的关系,“嵌套形式”，细胞效应即意味着所有生物水平的效应，这代表一种过于简化的过程。,情形B和C中的竖条纹区域代表不确定性(Uncertainty)。,次一级生物体的响应(如酶活性或免疫响应的改变)可能代表从健康反应到胁迫反应(stress)的广谱效应。因而难以发现这种响应和有机体适应性的定量关系。从个体水平外推至种群或群落水平代表另一类不确定性问题(如情形C)。研究的难点：如何在亚细胞或生理水平上观察个体生物幸存力的相关变化；如何将基于个体的毒性效应(通常是实验室检测方法)外推至观察的种群或群落水平。,种群的故障树(FaultTree)分析图,可直观地了解一种化学物质对特定种群的影响方式,在生态系统水平上评价毒性响应,传统方法包括下述步骤：在实验室内，检测代表若干物种的一组生物的慢性毒性；将结果外推至其它物种；指示环境质量基准以便保护目标生态系统的结构和功能。野外研究(生态系统监测)实验室模型(时间尺度限制)统计方法(危险浓度方法)基础物种方法(keystonespecies),化学物在环境相中相互关系示意图,空气Cair,水Cwater,生物Cbiota,土壤Csoil,沉积底物Csediment,Kaso,Kaw,Ksew,Kbw,化学物吸收和保持的机理,环境分散,有机体吸收,转换,排出/净化,水/土壤/空气中的化学物,表面吸附和/或经食物摄入,分配,器官/组织内的动态平衡(稳态/平台),新陈代谢,母体化学物,与细胞成份反应,代谢产物,新陈代谢,中间物,分布,影响污染物迁移和分布的因素,极化作用(polarity)和溶解度(solubility)水分子属于极化分子，许多有机污染物属于非极性，产生排斥的憎水效应(hydrophobiceffect)。分配系数(partitioningcoefficients)指化学物在不同相(phase)或介质(medium)中浓度分配，当达到平衡时，两相间的浓度比值。代表性的系数为KOW(辛醇水分配系数)，提供一个表征化学物憎水性强弱的指标。蒸气压平衡状态下，在固体或液体表面上某种物质蒸气所施加的压力。,不同环境分室(compartment)之间的分配驱动力是所谓“逃逸趋势”，即逸度(fugacity)。污染物气水界面的分配可用亨利常数H描述：H=Cg/Cw。逸度：f=C/Z，C是化学物在某相中的浓度，Z是逸度容量常数。分子稳定性和抵抗分子(recalcitrantmolecules)以持久性有机污染物POPs(persistentorganicpollutants)为代表。,基本概念,吸附指污染物在两相公共边界(界面)上的积聚。通常使用两种吸附等温式描述吸附现象：(1)Langmuir(理论推导)；(2)Freundlich(经验)等温方程式。Longmuir吸附等温式X/M=abC/(1+bC)或C/(X/M)=1/(ab)+C/aFreundlich吸附等温式X/M=KC1/n或log(X/M)=logK+logC/nX：吸附量，M：吸附剂质量，K：待推导的参数，C：吸附达到平衡时溶质在溶液中的浓度，n：待推导的参数，a：最大吸附量，b：反映结合键强度的亲和力参数。,Langmuir,Freundlich,吸附量,吸附质液相浓度,I,II,III,I阶段：低浓度近似线性关系；II阶段：增长放缓，非线性关系；III阶段：接近饱和阶段。,简化的生物积聚/富集概念模型,U,E,U,E,U,E,暴露持续时间,浓度,可能的内部分室的再分配,吸收,可能的生物转化和去毒,排泄,U:Uptake,吸收E:Elimination,除去,水,食物,损失,生物转化,生物体,生物积聚污染物从水、空气、固体来源中积聚到生物体内或体表。生物浓缩一般限定为从水中浓缩。,稳态(steadystate)由各种过程及其所需的能量导致机体浓度为常量；平衡(equilibrium)平衡浓度来源于不需要能量维持的化学平衡过程。区分稳态和平衡概念是源自生物积聚的稳态浓度可远高于化学平衡所预测的浓度。,随时间变化的简单生物积聚,时间,浓度,积聚阶段,排除阶段,Ct=Cs(ku/ke)(1eket),Ct=C0ekt,CS：来源浓度；ku：吸收清除，在等密度来源中可表达为速率常数；ke：排除速率常数。,污染物吸收进入细胞的机理,经通道扩散,主动运输(需能量),经双脂层扩散,易化扩散,胞饮(内吞)作用需能量,离子通道,离子泵,门户离子通道,载体分子,污染物被植物吸收的各种途径,迁移速率和目标点位取决于有毒物的物理化学属性和环境条件。例如温度、湿度、紫外线暴露叶边界层高度。,生物转运、转化和生物膜,环境化学物对机体作用的大小和部位，与其在体内的吸收、分布、代谢和排泄过程密切相关。研究转运和转化过程有助于了解化学污染物在体内的转归、生物学效应、和毒副作用机理。生物转运化学物的吸收、分布和排泄具有类似的机理，均是反复通过生物膜的过程，统称为生物转运。生物转化化学物在组织细胞中发生的结构和性质的变化过程。生物膜细胞膜(质膜，plasmamembrane)和各种细胞器的膜结构统称。,生物膜具有流动性，主要由液晶态的脂质双分子层和蛋白质构成，脂质主要成份为磷脂。生物膜的功能主要通过蛋白质完成。化学物通过通过生物膜的方式(1)被动转运生物膜对物质的转运不起主动作用，如简单扩散，滤过作用等；(2)特殊转运生物膜对物质转运有主动作用，如易化/促进扩散，主动转运、吞噬作用和胞饮作用。,(A)被动转运简单扩散(simplediffusion)指沿浓度梯度由高至低扩散主要影响因素包括(1)膜两侧浓度梯度(concentrationgradient)；(2)脂水分配系数(lipidwaterpartitioningcoefficient)一般地，只有脂溶性和水溶性均高的物质才容易经过简单扩散方式透过生物膜(因生物膜为脂相，两侧为一般为水相，除需经过脂相，还需通过相依的水相)；(3)化学物解离度和体液pH值离子态的物质脂溶性低，非离子态脂溶性高，易通过生物膜，体液pH可影响弱酸和弱碱的解离度和形态。滤过作用化学物质透过生物膜上的亲水孔道(双分子层中的蛋白质的亲水性氨基酸)的过程。,被动转运和特殊转运,驱动力是膜两侧存在流体静压或渗透压。(B)对于非脂溶性、大分子量的物质，则需通过生物膜上特殊的转运系统完成主动转运伴随能量消耗，逆梯度由低向高转运通过生物膜。其特点：(1)需要载体参与，一般为蛋白质，与目标物形成复合物；(2)沿逆浓度梯度方向，需消耗代谢能量，代谢抑制剂可阻止此转运过程；(3)载体对目标物有选择性，化学物须具有一定的基本结构，否则无法转运；(4)载体容量具有饱和性；(5)性质相似又需要同一载体转运则发生竞争性抑制。,易化扩散(facilitateddiffusion)难溶于脂质的化学物利用载体由高至低移动的过程。某些易化扩散涉及跨膜的离子交换(exchangediffusion)。特点：不消耗代谢能量，有一定的主动性和选择性。机理：可能是载体特定地与化学物结合，分子内部发生构型变化而形成通过的通道。吞噬和胞饮吞噬作用(phagocytosis)某些固态颗粒物与膜上某种蛋白质有特殊的亲和力，可改变细胞膜的表面张力，引起外包或内凹，将异物包围进入细胞。,异化扩散、吞噬和胞饮,吞饮或胞饮(pinocytosis)液滴异物也可通过上述方式进入细胞。吞噬和胞饮两者合称入胞作用(endocyrosis)或膜动转运(cytosis)。扩散通常由Fick定律描述dS/dt=DAdC/dX(微分形式)dS/dt：通过污染物通过表面/界面的速率，D：扩散系数，A：发生扩散的表面面积，dC/dX：研究变量(这里指浓度)通过边界的变化梯度。吸附动力学反应级数通常包括：零级反应：dC/dt=kC0一级反应：dC/dt=kC其它还有在主动转运和易化转运中遇到的饱和动力学。其中，一级动力学吸收方程式应用最广泛。,生物转运与去毒的一般机理,生物甲基化或生物转化,生物矿化作用,与巯基组氨酸三甲基内盐或其它配体结合,阶段I代谢,阶段II代谢,金属或类金属,有机化合物,阶段I代谢,化合物排除,排除或锁定(sequestration),生物转运可导致排除、去毒、锁定(屏蔽)、再分配或活化作用加强。阶段I代谢一般指氧化、还原和水解反应；阶段II代谢一般指结合反应。,化学物代谢转化方式,外源化学物生物转化过程主要包括：(1)氧化、(2)还原、(3)水解、(4)结合。前三种反应往往使分子上出现极性基团，使其溶于水，然后可进行结合反应。氧化、还原和水解反应是外源化学物首先经过的第一阶段反应(称为第I相反应)，最后经过结合反应即第二阶段反应(第II相反应)后排出体外。化学物在生物体内的生物转化经常存在多种反应路线、经过多种反应、产生多种代谢产物(包括中间产物)，表明外源化学物生物转化的多样性。I相反应(1)氧化反应包括：微粒体氧化(由微粒体混合功能氧化酶系催化，microsomalmixedfunctionoxidizesystem，MFOS)。,涉及的反应：脂肪族羟基化；芳香族羟基化；环氧化；N脱烷基反应；O和S脱烷基反应；脱氨基反应；N羟基化反应；烷基金属脱烷基反应；S氧化反应；脱硫反应；氧化脱卤反应。非微粒体氧化(由非微粒体混合功能氧化酶系催化)。有关的酶有：醇脱氢酶；醛脱氢酶；胺氧化酶(单胺氧化酶，二胺氧化酶)；前列腺素生物合成的共同氧化。I相反应中引入的极性基团常常是II相反应中的结合部位。(2)还原反应包括微粒体酶还原和非微粒体酶还原。,化学物代谢转化方式,涉及的反应：羰基还原反应(醛类和酮类)；含氮基团还原反应(硝基还原、偶氮还原、氮氧化物还原)；含硫基团还原反应；含卤素基团还原；无机化合物还原；(3)水解反应酯类水解；酰胺类水解；水解脱卤；环氧化物水化反应。,II相反应(结合反应)毒物与其代谢产物与内源代谢产物(化合物或基团)经生物合成形成结合物(conjugate)。结合反应产物一般极性较大，毒性较低，易排出体外(1)与葡萄糖醛酸结合最常见、最重要的一种结合反应，包括直接结合和间接结合(先转化后结合)两种。(2)与硫酸结合形成硫酸酯(3)谷胱甘肽结合(4)乙酰化反应(5)氨基酸结合(6)甲基化反应：按甲基嵌入位置分为N、O、S甲基化。(7)磷结合反应,影响生物转化的因素,实质是对催化酶的功能和活力产生影响，使转化途径和速率发生变化物种差异和个体差异物种差异指代谢酶的种类不同，即生物转化催化酶的有无，以及代谢酶的活力不同。饮食营养状况年龄、性别、激素、昼夜节律等生理因素差异代谢饱和状态毒物浓度或剂量影响毒物代谢状况和毒性作用。毒物进入体内的浓度增高，单位时间内代谢酶对毒物催化代谢的产物量随之增高，但毒物量达到一定浓度时，代谢所需基质可能被耗尽或参与代谢的酶能力不够，单位时间代谢产物不再随之升高，这种代谢途径被饱和的现象，称代谢饱和。,代谢酶的抑制和诱导(1)抑制分为特异性抑制(指针对性和专门性)和竞争性抑制。(2)诱导指外源化学物致使某些酶的活性增强或含量增加。,化学物体内转化反应方式及排出方式,通过氧化、还原和水解后排出体外；通过氧化、还原和水解，再进一步结合后排出体外；直接通过各种结合作用后排出体外；有部分与营养物结构相似的毒物可参与到营养物的代谢过程中。经肾脏由尿液排出；经消化道排出(肝胆排出)；经呼吸道排出；经其它途径排出。,毒性产生第一步：分布过程,吸收,分布进入,重吸收,中毒,系统前排除,分布脱离,排泄,解毒,最终毒物,靶分子蛋白、核酸、脂质、大分子复合物,有毒物,接触点位(皮肤、呼吸道、消化道叶孔、根、鳃等),传布,靶点,传布过程中涉及的有关反应,传布过程中涉及的有关反应,毒理微观动力学和宏观动力学,细胞毒性,暴露于污染物,吸收,再分布,储藏,生物转化,排泄,毒理微观动力学,毒理宏观动力学,毒物化学动力学阶段的反应，包括毒物吸收至生态系统生命组分或生物体、机体体液运输、组织及器官内的分布和累积、毒物的生物转化与代谢、毒物的排泄以及有机体代谢物的排泄。,毒物生物动力学阶段的反应，指包含分子、离子或胶体形式存在的毒性物质与细胞表面或细胞内部的特定作用部位(受体)的交互作用，最后产生毒性效应。,毒性产生第二步：最终毒物与靶分子作用,反应种类非共价结合共价结合电子转移氢原子萃取酶反应,最终毒物,靶分子,毒性结果功能紊乱结构破坏新抗原形成,靶位影响因素反应性可接触性关键反应,(1)非极性反应的非共价结合一般可逆；(2)而共价结合不可逆，能永久改变内源性分子结构，有重要的毒理学意义。,毒性产生第三步：细胞功能和稳态失调,靶分子功能,调节细胞功能,维持细胞稳态,基因表达失控,细胞活动失常,细胞内稳态损伤,细胞外稳态损伤,细胞分裂失控：组织增生细胞程序死亡：组织退化、畸生蛋白质合成：过氧化酶体增生,神经肌肉活动失控：震颤，惊厥，痉挛，组织坏死，麻痹，感觉异常,ATP合成钙离子调节蛋白质合成微管功能膜功能,细胞受伤和死