环境生物学(南开大学)-第四章-污染物的生物效应检测

环境生物学环境生物学(南开大学南开大学)-)-第四章第四章-污染物的生物效污染物的生物效应检测应检测 一、生物测试（一、生物测试（Bioassay）的定义及特点）的定义及特点 1、定义：系统地利用生物的反应，测定一、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。时，所导致的影响或危害。2、特点：长期、综合、特点：长期、综合 第一节第一节 生物测试及方法生物测试及方法 3、生物测试的结果可表明（以水环境为例）：、生物测试的结果可表明（以水环境为例）：v环境状况对水生物的适合度（最适、耐受、生存）环境状况对水生物的适合度（最适、耐受、生存）v环境因素的作用强度环境因素的作用强度v环境因素对毒物的影响环境因素对毒物的影响v毒物对受测生物的毒性毒物对受测生物的毒性v水生物对污染物的敏感性水生物对污染物的敏感性v废水处理的效果废水处理的效果v污染物允许排放量污染物允许排放量v有关水质标准和排放许可的验证有关水质标准和排放许可的验证第一节第一节 生物测试及方法生物测试及方法第一节第一节 生物测试及方法生物测试及方法二、方式二、方式 暴露时间暴露时间暴露方式暴露方式效应效应受试生物受试生物短期短期静态静态急性急性单种单种中期中期半静态半静态亚急性亚急性多种多种长期长期动态动态慢性慢性模拟生态模拟生态 第一节第一节 生物测试及方法生物测试及方法 三、受试生物三、受试生物 1、应满足的条件、应满足的条件:1）对毒物或因子敏感）对毒物或因子敏感2）分布广泛、易得）分布广泛、易得3）重要生态学价值）重要生态学价值4）实验室易养）实验室易养5）生物学背景清楚）生物学背景清楚6）生物反应能被测定，可标准化）生物反应能被测定，可标准化 7）与人类有一定联系）与人类有一定联系 第一节第一节 生物测试及方法生物测试及方法 2、还应考虑到受试生物的个体大小和生活、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史的长短，以前是否有过接触待测试物等异常情况。常情况。四、生物测试的标准化四、生物测试的标准化 影响生物测试结果的因素：影响生物测试结果的因素：1、受试生物、受试生物 2、实验条件、实验条件 3、不同的实验室、不同的实验室 第二节第二节 一般毒性实验一般毒性实验 一、基本概念一、基本概念 1、毒物（、毒物（toxicant、poison、toxic substance)一定条件下，较小剂量即可引起不良生物反一定条件下，较小剂量即可引起不良生物反 应的外来化学物质。应的外来化学物质。2、中毒、中毒毒效应毒效应 生物体受到毒物作用引起功能或器质性改变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。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、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。形态、生长发育和寿命的改变。第二节第二节 一般毒性实验一般毒性实验 4、效应（、效应（Effect）与反应（）与反应（Response）5、剂量、剂量效应关系效应关系(Doseeffect relationship)和剂和剂 量量反应关系（反应关系（Doseresponse relationship）6、危害性（、危害性（Hazard）:有毒物质在与机体接触或使用过程中，引起中毒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（可能性。与风险（Risk)相近相近 7、危险性：、危险性：化学物质在正常的生产使用条件下，能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（与引起机体发生中毒的可能性。偏重物质本身性质（与“毒性毒性”相近）。相近）。第二节第二节 一般毒性实验一般毒性实验 二、常用毒性参数二、常用毒性参数 1、致死剂量（或致死浓度）：、致死剂量（或致死浓度）：LD或或LC 表示一次染毒后，表示一次染毒后，在一定时间内在一定时间内引起受试动物引起受试动物死亡的剂量或浓度。死亡的剂量或浓度。绝对致死剂量或浓度：绝对致死剂量或浓度：LD100或或LC100 半致死剂量或浓度：半致死剂量或浓度：LD50或或LC50 最小最小致死剂量或浓度：致死剂量或浓度：MLD或或MLC 最大耐受剂量或浓度：最大耐受剂量或浓度：LD0或或LC0?第二节第二节 一般毒性实验一般毒性实验 2、无作用剂量（、无作用剂量（NOED）随实验方法的改进而变化（降低）随实验方法的改进而变化（降低）最大无作用剂量（最大无作用剂量（MNEL）最小有作用剂量（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、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。是对价外来物危险性的指标。是对LD50的补充。的补充。急性毒作用带急性毒作用带慢性毒作用带慢性毒作用带 第二节第二节 一般毒性实验一般毒性实验4、半效应浓度：、半效应浓度：在一定时间内在一定时间内，引起，引起50%受试生物受试生物的某种的某种效应效应变化的浓度。只有同种效应才能比较。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。、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：、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。分级：按急性毒性，人为分级。与染毒方式有关。第二节第二节 一般毒性实验一般毒性实验 三、急性毒性试验三、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。提供设计依据。材料与条件材料与条件 实验设计实验设计染毒方式染毒方式统计计算统计计算第二节第二节 一般毒性实验一般毒性实验 四、亚急性与慢性毒性试验四、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、指标、特殊性指标、敏感阶段、NOEC 应用系数（应用系数（AF）：慢性毒效应与急性毒效应的）：慢性毒效应与急性毒效应的关系。可以推算慢性毒效应值关系。可以推算慢性毒效应值五、蓄积毒性试验五、蓄积毒性试验 1。试验方法。试验方法 2。剂量蓄积与效应蓄积。剂量蓄积与效应蓄积 第三节第三节 生物的分子和细胞水平检测生物的分子和细胞水平检测 一、生物（学）标志物（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、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。物的暴露及其效应则称为生物标志物。2、分类：、分类：作用：暴露生物标志物（作用：暴露生物标志物（Exposure biomarker）效应生物标志物（效应生物标志物（Effect biomarker）复合生物标志物复合生物标志物效应：行为、生理、生化效应：行为、生理、生化 第三节第三节 生物的分子和细胞水平检测生物的分子和细胞水平检测 3、特异性、特异性 生物标志物的特异性差异很大，高度特异性和非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。应用价值。4、基本原则：指示性、敏感性、特异性、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、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、局限性：相对复杂、生态相关性低 第三节第三节 生物的分子和细胞水平检测生物的分子和细胞水平检测选择生物标志物的原则：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）；）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）；）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）测量服从于标准的质量控制/质量保证（可标准化）；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）；）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）与毒物有清晰的剂量-效益关系；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）；）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（）与个体以上水平效应的联系比较理想（不总是必需不总是必需）。）。第三节第三节 生物的分子和细胞水平检测生物的分子和细胞水平检测 二、测定方法二、测定方法 1、DNA加合物加合物 a、免疫法、免疫法 b、荧光法、荧光法 c、32P 后标记法后标记法 2、蛋白加合物、蛋白加合物 3、代谢酶活性、代谢酶活性 a、乙酰胆碱酯酶（、乙酰胆碱酯酶（AChE）b、腺三磷酶（、腺三磷酶（ATPase）第三节第三节 生物的分子和细胞水平检测生物的分子和细胞水平检测 4、酶诱导（浓度、酶诱导（浓度+活性）活性）a、MFO(ELISA)b、GST 5、抗氧化酶系统、抗氧化酶系统 a、过氧化氢酶（、过氧化氢酶（Ct）b、谷胱甘肽过氧化酶（、谷胱甘肽过氧化酶（GPx）作业作业2：查资料，上述检测方法的实例研究，每：查资料，上述检测方法的实例研究，每人准备人准备10分钟的介绍（分钟的介绍（ppt形式）。形式）。第四节第四节 生物三致效应检测生物三致效应检测 一、致突变效应一、致突变效应（一）基本概念一）基本概念 1、基因突变（、基因突变（Gene Mutation）只涉及染色质的一部分改变，不能用光学显微只涉及染色质的一部分改变，不能用光学显微 镜直接观察。镜直接观察。诱变诱变(induced mutation):外来因子作用下的突变。外来因子作用下的突变。2、染色体畸变（、染色体畸变（Chromosome Aberration）染色体数目、结构发生改变，可以用光学显微染色体数目、结构发生改变，可以用光学显微镜直接观察。镜直接观察。第四节第四节 生物三致效应检测生物三致效应检测 （二）、试验方法：（二）、试验方法：1、体外基因突变试验、体外基因突变试验 2、细胞遗传学试验、细胞遗传学试验 3、体内基因突变试验、体内基因突变试验 4、DNA损伤试验损伤试验 第四节第四节 生物三致效应检测生物三致效应检测 第四节第四节 生物三致效应检测生物三致效应检测 二、致畸效应二、致畸效应 1、致畸作用（、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。现象称为致畸作用。2、致畸作用的毒理学特点、致畸作用的毒理学特点 a、不同发育阶段敏感性不同、不同发育阶段敏感性不同 b、不同发育阶段畸形不同、不同发育阶段畸形不同 c、种属差异明显、种属差异明显 d、致畸作用带较窄、致畸作用带较窄 第四节第四节 生物三致效应检测生物三致效应检测 3、化学致畸作用机理、化学致畸作用机理 a、突变引起胚胎发育异常、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、对细胞生长分化比较重要的酶类受到抑制到抑制 c、母体正常代谢过程被破坏、母体正常代谢过程被破坏 d、致畸物干扰细胞分裂过程、致畸物干扰细胞分裂过程 第四节第四节 生物三致效应检测生物三致效应检测 4、斑马鱼胚胎发育致畸试验斑马鱼胚胎发育致畸试验 第四节第四节 生物三致效应检测生物三致效应检测 三、致癌效应三、致癌效应 1、癌的定义：细胞自主生长，不断分裂形成危害机、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）。体的肿块（恶性肿瘤）。特点：自主分裂、可移植、退行发育、膜异常特点：自主分裂、可移植、退行发育、膜异常 化学化学 2、致癌机理、致癌机理 物理：射线物理：射线 生物：病毒生物：病毒细胞癌变学说：细胞癌变学说：体细胞突变体细胞突变细胞分化失常细胞分化失常 第四节第四节 生物三致效应检测生物三致效应检测3、发展阶段：、发展阶段：a、引发阶段、引发阶段 b、促长阶段、促长阶段 c、浸润浸润和和转移转移阶段阶段浸润：癌细胞分泌毒素，侵蚀和破坏体内各种组织和浸润：癌细胞分泌毒素，侵蚀和破坏体内各种组织和器官。器官。转移：癌细胞从初生肿瘤中离散，随血液循环向全身转移：癌细胞从初生肿瘤中离散，随血液循环向全身扩散。扩散。第四节第四节 生物三致效应检测生物三致效应检测4、恶性肿瘤分类：、恶性肿瘤分类：癌：从上皮组织、腺体等长出来。如皮肤癌、癌：从上皮组织、腺体等长出来。如皮肤癌、胃癌、乳腺癌。胃癌、乳腺癌。肉瘤：从间叶组织长出来。如骨肉瘤、淋巴肉肉瘤：从间叶组织长出来。如骨肉瘤、淋巴肉瘤。瘤。癌：肉瘤癌：肉瘤 9：1血癌？血癌？5、试验方法、试验方法 a、短期筛选方法、短期筛选方法 b、长期动物诱癌试验、长期动物诱癌试验 c、观察指标、观察指标第四节第四节 生物三致效应检测生物三致效应检测6、致突变与致癌的关系致突变与致癌的关系 第四节第四节 生物三致效应检测生物三致效应检测7、“三致三致”作用的比较作用的比较 第五节第五节 微微 宇宇 宙宙 法法 一、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（系统法（Model Ecosystem）。）。微宇宙可分为自然微宇宙和人工微宇宙。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）。标准化水生微宇宙（含沉积物）人工人工2。烧杯水生微宇宙（只有水体）。烧杯水生微宇宙（只有水体）人工人工3。室外水生微宇宙（中宇宙）。室外水生微宇宙（中宇宙）人工、自然人工、自然4。柱状土壤微宇宙。柱状土壤微宇宙自然自然5。模拟农田生态系统。模拟农田生态系统人工人工 第五节第五节 微微 宇宇 宙宙 法法 二、现场围隔生态系统（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。境因素条件下污染物的生态效应。1。海洋（水体）围隔。海洋（水体）围隔2。潮间带围隔。潮间带围隔3。淡水水体围隔（可以包括底质）。淡水水体围隔（可以包括底质）三、优缺点：三、优缺点：生态代表性强；可重复性差生态代表性强；可重复性差