环境生物学(南开大学)第四章污染物的生物效应检测.ppt

环境生物学,第四章 污染物的生物效应检测,一、生物测试（Bioassay）的定义及特点 1、定义：系统地利用生物的反应，测定一种或多种污染物或环境因素单独或联合存在时，所导致的影响或危害。 2、特点：长期、综合,第一节 生物测试及方法,3、生物测试的结果可表明（以水环境为例）： 环境状况对水生物的适合度（最适、耐受、生存） 环境因素的作用强度 环境因素对毒物的影响 毒物对受测生物的毒性 水生物对污染物的敏感性 废水处理的效果 污染物允许排放量 有关水质标准和排放许可的验证,第一节 生物测试及方法,第一节 生物测试及方法,二、方式,第一节 生物测试及方法,三、受试生物 1、应满足的条件 : 1）对毒物或因子敏感 2）分布广泛、易得 3）重要生态学价值 4）实验室易养 5）生物学背景清楚 6）生物反应能被测定，可标准化 7）与人类有一定联系,第一节 生物测试及方法,2、还应考虑到受试生物的个体大小和生活史的长短，以前是否有过接触待测试物等异常情况。 四、生物测试的标准化 影响生物测试结果的因素： 1、受试生物 2、实验条件 3、不同的实验室,第二节 一般毒性实验,一、基本概念 1、毒物（toxicant、poison、toxic substance) 一定条件下，较小剂量即可引起不良生物反 应的外来化学物质。 2、中毒毒效应 生物体受到毒物作用引起功能或器质性改变 后出现的疾病状态称中毒。 3、无损害作用：可逆的生物学变化，不引起机体 形态、生长发育和寿命的改变。,第二节 一般毒性实验,4、效应（Effect）与反应（Response） 5、剂量效应关系(Doseeffect relationship)和剂 量反应关系（Doseresponse relationship） 6、危害性（Hazard）: 有毒物质在与机体接触或使用过程中，引起中毒 可能性。与风险（Risk)相近 7、危险性： 化学物质在正常的生产使用条件下，能引起机体发生中毒的可能性。偏重物质本身性质（与“毒性”相近）。,第二节 一般毒性实验,二、常用毒性参数 1、致死剂量（或致死浓度）：LD或LC 表示一次染毒后，在一定时间内引起受试动物死亡的剂量或浓度。 绝对致死剂量或浓度：LD100或LC100 半致死剂量或浓度： LD50或LC50 最小致死剂量或浓度：MLD或MLC 最大耐受剂量或浓度：LD0或LC0 ?,第二节 一般毒性实验,2、无作用剂量（NOED） 随实验方法的改进而变化（降低） 最大无作用剂量（MNEL） 最小有作用剂量（MEL） 3、毒作用带：一种根据毒性和毒性作用特点综合评 价外来物危险性的指标。是对LD50的补充。 急性毒作用带 慢性毒作用带,第二节 一般毒性实验,4、半效应浓度：在一定时间内，引起50%受试生物的某种效应变化的浓度。只有同种效应才能比较。 5、半数抑制浓度：常用于对生长速率和活性的抑制。 6、毒物单位与分级： mg/L, mg/kg, mg/m2 分级：按急性毒性，人为分级。与染毒方式有关。,第二节 一般毒性实验,三、急性毒性试验 只研究结果，不研究机理，目的是找出造成某 特殊急性效应的剂量，为进一步开展其他毒性实验 提供设计依据。 材料与条件 实验设计 染毒方式 统计计算,第二节 一般毒性实验,四、亚急性与慢性毒性试验 必要性：机理探讨、敏感指标、多指标、综合性指标、特殊性指标、敏感阶段、NOEC 应用系数（AF）：慢性毒效应与急性毒效应的关系。可以推算慢性毒效应值 五、蓄积毒性试验 1。试验方法 2。剂量蓄积与效应蓄积,第三节 生物的分子和细胞水平检测,一、生物（学）标志物（biomarker） 1、概念：化学污染物导致生物有机体的生物化学 和生理学的改变，这些改变运用于监测和评价污染 物的暴露及其效应则称为生物标志物。 2、分类： 作用：暴露生物标志物（Exposure biomarker ） 效应生物标志物（Effect biomarker ） 复合生物标志物 效应：行为、生理、生化,第三节 生物的分子和细胞水平检测,3、特异性 生物标志物的特异性差异很大，高度特异性和非 特异性生物标志物在化学品危害的监测和评价中都有 应用价值。 4、基本原则：指示性、敏感性、特异性 5、在监测和评价中的应用：预警作用 6、局限性：相对复杂、生态相关性低,第三节 生物的分子和细胞水平检测,选择生物标志物的原则： 1）能在较高生物水平发生显著效应之前被测量（预警作用）； 2）测定快速、经济且足够容易，适于广泛应用（实用）； 3）测量服从于标准的质量控制/质量保证（可标准化）； 4）最好对毒物种类有特异性（非特异性也有价值）； 5）与毒物有清晰的剂量-效益关系； 6）能被应用于广泛的敏感性物种（野生、家养、地方性）； 7）与个体以上水平效应的联系比较理想（不总是必需）。,第三节 生物的分子和细胞水平检测,二、测定方法 1、DNA加合物 a、免疫法 b、荧光法 c、32P 后标记法 2、蛋白加合物 3、代谢酶活性 a、乙酰胆碱酯酶（AChE） b、腺三磷酶（ATPase）,第三节 生物的分子和细胞水平检测,4、酶诱导（浓度+活性） a、MFO (ELISA) b、GST 5、抗氧化酶系统 a、过氧化氢酶（Ct） b、谷胱甘肽过氧化酶（GPx） 作业2：查资料，上述检测方法的实例研究，每人准备10分钟的介绍（ppt形式）。,第四节 生物三致效应检测,一、致突变效应 （ 一）基本概念 1、基因突变（Gene Mutation） 只涉及染色质的一部分改变，不能用光学显微 镜直接观察。 诱变(induced mutation): 外来因子作用下的突变。 2、染色体畸变（Chromosome Aberration） 染色体数目、结构发生改变，可以用光学显微镜直接观察。,第四节 生物三致效应检测,（二）、试验方法： 1、体外基因突变试验 2、细胞遗传学试验 3、体内基因突变试验 4、DNA损伤试验,第四节 生物三致效应检测,第四节 生物三致效应检测,二、致畸效应 1、致畸作用（Teratogenesis） 致畸物通过母体作用于胚胎而引起胎儿畸形的 现象称为致畸作用。 2、致畸作用的毒理学特点 a、不同发育阶段敏感性不同 b、不同发育阶段畸形不同 c、种属差异明显 d、致畸作用带较窄,第四节 生物三致效应检测,3、化学致畸作用机理 a、突变引起胚胎发育异常 b、对细胞生长分化比较重要的酶类受到抑制 c、母体正常代谢过程被破坏 d、致畸物干扰细胞分裂过程,第四节 生物三致效应检测,4、斑马鱼胚胎发育致畸试验,第四节 生物三致效应检测,三、致癌效应 1、癌的定义：细胞自主生长，不断分裂形成危害机体的肿块（恶性肿瘤）。 特点：自主分裂、可移植、退行发育、膜异常 化学 2、致癌机理 物理：射线 生物：病毒 细胞癌变学说： 体细胞突变 细胞分化失常,第四节 生物三致效应检测,3、发展阶段： a、引发阶段 b、促长阶段 c、浸润和转移阶段 浸润：癌细胞分泌毒素，侵蚀和破坏体内各种组织和器官。 转移：癌细胞从初生肿瘤中离散，随血液循环向全身扩散。,第四节 生物三致效应检测,4、恶性肿瘤分类： 癌：从上皮组织、腺体等长出来。如皮肤癌、胃癌、乳腺癌。 肉瘤：从间叶组织长出来。如骨肉瘤、淋巴肉瘤。癌：肉瘤 9：1 血癌？ 5、试验方法 a、短期筛选方法 b、长期动物诱癌试验 c、观察指标,第四节 生物三致效应检测,6、致突变与致癌的关系,第四节 生物三致效应检测,7、“三致”作用的比较,第五节 微 宇 宙 法,一、微宇宙法（Microcosm） 是研究污染物在生物种群、群落、生态系统和生 物圈水平上的生物效应的一种方法，又称为模型生态 系统法（Model Ecosystem）。 微宇宙可分为自然微宇宙和人工微宇宙。 1。标准化水生微宇宙（含沉积物） 人工 2。烧杯水生微宇宙（只有水体） 人工 3。室外水生微宇宙（中宇宙）人工、自然 4。柱状土壤微宇宙自然 5。模拟农田生态系统人工,第五节 微 宇 宙 法,二、现场围隔生态系统（Enclosed Ecoystem） 将野外的自然环境人为围隔起来，研究近自然环境因素条件下污染物的生态效应。 1。海洋（水体）围隔 2。潮间带围隔 3。淡水水体围隔（可以包括底质） 三、优缺点： 生态代表性强；可重复性差,