生态毒理学专业知识培训课件

生态毒理学专业知识课程安排及教学大纲课程安排及教学大纲(I)n基本概念、发展历史及未来趋势，基本方法论；n有毒物质生物吸收的途径及动力学；n有关的生态系统原理；n普通(传统)毒理学的基本研究方法；n毒理学中的生态学方法；n环境优先污染物(有毒物)分类介绍I(重金属、类金属、有机态金属)；n环境优先污染物(有毒物)分类介绍II(持久性有机污染物POPs：1 农药)；n环境优先污染物(有毒物)分类介绍III(持久性有机污染物POPs：2 多环芳烃PAHs)；n环境优先污染物(有毒物)分类介绍IV(持久性有机污染物POPs：3 多氯联苯PCBs、二恶英Dioxin、内分泌干扰素Endocrine interferon，Endocrine Disruptive Substances，EDC等)；n其它环境污染物介绍(放射性物质、气相污染物、其它毒物)；n毒性的影响因素；n混合物毒性以及相关的复杂问题；n生态监测与预测模型；n技术适用性及研究方法的选择；个案/实例研究；n生态风险评价、环境健康危害及安全性评估的基本要素和步骤；2生态毒理学专业知识n有毒物质生态危害的治理、恢复、复原、改造，以及化学毒物的管理和法规；n复习、答疑。n授课方式：课堂教学授课方式：课堂教学(多媒体多媒体)；n成绩评定方法：成绩评定方法：(1)期末考试期末考试70%(开卷开卷)；(2)平时作业练习平时作业练习30%。课程安排及教学大纲课程安排及教学大纲(II)3生态毒理学专业知识教学参考资料教学参考资料(I)(I)专著：专著：环境毒理学，孟紫强主编，中国环境科学出版社，2000。Environmental Toxicology,D.A.Wright,P.Welbourn,2002.Principle of Ecotoxicology,C.H.Walker,2nd edition,2001.Fundamentals of Ecotoxicology,M.C.Newman,1998.Ecotoxicology:Ecological Fundamentals,Chemical Exposure and Biological Effects,G.Schrman,B.Markert,1998.Ecotoxicology:The Study of Pollutants in Ecosystems,F.Moriarty,3rd edition,1999.Ecotoxicology of Organic Contaminants,E.Bacci,1994.Ecotoxicology in Theory and Practice,V.E.Forbes and T.L.Forbes,1994.Handbook of Ecotoxicology,D.J.Hoffman,1995.Handbook of Ecotoxicology,P.Calow ed.,1993.Handbook of Estimation Methods in Ecotoxicology,S.E.Jrgensen,B.HallingSrensen,1998.英汉毒理学词典，江泉观，1995。4生态毒理学专业知识1.环境生物毒理学，张毓琪，陈叙龙，1993。2.现代毒理学进展付立杰主编，2001。3.毒理学张铣，刘毓谷，1997。4.(II)期刊：期刊：EcotoxicologyEnvironmental Toxicology and ChemistryHuman Ecological Risk AssessmentEnvironmental Science and TechnologyMarine Pollution BulletinEcotoxicology and Environmental SafetyJ.Environmental Quality教学参考资料教学参考资料(II)5生态毒理学专业知识课程概述课程概述vv基本概念基本概念基本概念基本概念vv历史沿革历史沿革历史沿革历史沿革vv发展趋势发展趋势发展趋势发展趋势vv分支学科分支学科分支学科分支学科vv研究层次研究层次研究层次研究层次vv基本方法论基本方法论基本方法论基本方法论6生态毒理学专业知识基本概念：有毒物，选择毒性，毒性作用分类基本概念：有毒物，选择毒性，毒性作用分类有毒物有毒物(toxicant,poison)：在一定条件下，较小剂量即能够对机体产生损害作用或使机体出现异常反应的外源化学物称为有毒物。毒物与非毒物之间没有绝对界限。毒性、选择性毒性及其原因：毒性是指外源化合物与机体接触或进入机体内的易感部位后，能引起损害作用的相对能力。损害作用愈大，毒性愈大。在一定条件下，外源化学物对机体的毒性具有选择性选择性(Selective toxicity)。其原因：(1)物种和细胞差异；(2)不同生物或组织器官对外源化学物或其毒性代谢产物的蓄积能力不同；(3)不同生物或组织器官对外源化学物在体内生物转化过程的差异；(4)不同生物或组织器官对外源化学物造成的伤害的修复能力存在差异。毒性作用分类毒性作用分类：(a)速发(immediate)或迟发(delayed)性作用；(b)局部(local)或全身(systemic)作用；(c)可逆(reversible)或不可逆(irreversible)作用；(d)对形态(morphologic)或功能(functional)的影响；(e)过敏性反应(hypersensitivity)或称变态反应(allergic reaction)：是指病理性免疫反应。引发反应的外源化学物称为过敏原(allergen)。高敏感性：少数个体对某种外源化学物具有高反应性(hyper-reactivity)或高感受性(hyper-susceptibility)，与过敏性不同。高耐受性(hyper-resistibility)；(f)特异体质反应(idiosyncratic reaction)：指机体产生的一种遗传性异常反应。剂量剂量可以指给予机体的数量、与机体接触(exposure)的数量、吸收进入机体的数量或在靶器官中的含量或浓度。7生态毒理学专业知识环境污染物简单分类环境污染物简单分类物理性污染物理性污染电离辐射、电磁辐射、电离辐射、电磁辐射、噪声污染，放射性元素噪声污染，放射性元素生物性污染生物性污染细菌和病毒污染、动物细菌和病毒污染、动物和植物毒素和植物毒素化学性污染化学性污染工业化学品、农业化学工业化学品、农业化学品、日用化学品、医用品、日用化学品、医用化学品、军事化学武器化学品、军事化学武器8生态毒理学专业知识不同阶段毒性的基础框架示意图不同阶段毒性的基础框架示意图吸收排泄生理响应a,b,c,etcA,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9生态毒理学专业知识有毒物的某些重要的生化和生理效应有毒物的某些重要的生化和生理效应细胞膜细胞膜 1功能：构成具有特定穿透性的屏障，调节传输系统，控制物质进出细胞的传输速率和程度；2毒性响应：破坏或修改膜穿透性；扰动控制传输系统。酶酶 1功能：高度特异蛋白用以催化介质间细胞代谢的化学反应；2毒性响应：可逆或不可逆酶抑制反应。脂脂(lipid)代谢代谢 1功能：涉及细胞膜结构，细胞功能和代谢过程；2毒性响应：扰动导致破坏肝功能。蛋白生物合成蛋白生物合成 1功能：涉及氨基酸组分在多肽链中特定的排列顺序；2毒性响应：压迫蛋白合成容量。微粒微粒(microsomal)酶系统酶系统 1功能：肝脏中的代谢多酶系统以及外源化合物的生物转运；2毒性响应：激发或抑制酶功能。控制过程和生长控制过程和生长 1功能：激素等控制细胞生物合成和生物异化的途径和速率；2毒性响应：控制酶的结构或活性改变，破坏激素的合成、存储、释放或隔绝，降低生长速率。糖糖(carbohydrate)代谢代谢 1功能：糖酵解(glycolysis)，柠檬酸或三羧酸循环，己糖单磷酸(HMP)或戊糖单磷循环(葡萄糖降解)，酸肝糖分解；2毒性响应：破坏氧化和糖酵解。呼吸作用呼吸作用 1功能：生物氧化为活细胞提供能量；2毒性响应：特定点位电子传输抑制，氧化磷酸化作用不耦合或被抑制。10生态毒理学专业知识污染物对某一区域的一般作用污染物对某一区域的一般作用对生态系统中已自然定居且适应的活的组分而言，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；群落结构改变，而且一般地物种数目降低；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。0100%0100%100%0因素1因素2因素311生态毒理学专业知识种群的故障树种群的故障树(Fault Tree)分析图分析图示示直观了解一种化学物质对特定种群的影响方式直观了解一种化学物质对特定种群的影响方式自然原因自然原因受影响种群受影响种群生长、发育、死亡和生殖生长、发育、死亡和生殖直接影响直接影响间接影响间接影响有毒化学物有毒化学物自然原因自然原因有毒化学物有毒化学物短期影响短期影响长期影响长期影响短期影响短期影响长期影响长期影响12生态毒理学专业知识群落种群个体组织细胞群落个体种群组织细胞群落个体种群 组织细胞情形A情形B情形C不同组织水平上有毒化学品效应关系的概念图解不同组织水平上有毒化学品效应关系的概念图解不同组织水平上有毒化学品效应关系的概念图解不同组织水平上有毒化学品效应关系的概念图解研究的难点研究的难点表现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；还表现在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。观察到的生物组织不同类型的关系观察到的生物组织不同类型的关系观察到的生物组织不同类型的关系观察到的生物组织不同类型的关系“嵌套形式嵌套形式”，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，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。程。情形B和C中的竖条纹区域代表不确定性(Uncertainty)。次级生物体的响应(如酶活性或免疫响应的改变)可能代表从健康反应到一种压迫(stress)的广谱效应。因此，发现这种响应和有机体适应性的定量关系是困难的。从个体外推至种群或群落代表另一类问题(如情形C)。13生态毒理学专业知识基本概念：环境、环境污染基本概念：环境、环境污染环境环境：特定主体周围的所有生物因子和非生物因子。环境因所研究主体的不同而可大可小，相对比例和尺度。主体和环境也可相互转换：一个环境主体可以是另一主体的环境因子，一个主体的环境因子在特别情形下，也可转化为主体。小/微环境(microenvironment)：以某一特定生物个体为主体，则该个体周围的各种生物、非生物因子构成该个体有限的小/微环境；大环境(macroenvironment)：以某一种群为主体，则该种群周围的各种生物、非生物因子构成该种群的大环境。环境污染环境污染：当物理、化学、和生物因素进入大气、水体、土壤等，且其数量、浓度、和持续时间超过环境的自净能力(self-purification capacity)，以致影响生态平衡和人体健康，此时的环境状态称为环境污染。污染的原因可分为自然(自然灾害)和人为(“工业三废”：废气、废水和废渣)污染。14生态毒理学专业知识生物圈生物圈由生物及其生存的部分大气圈、水圈、岩石土壤圈组成。一般认为从海平面以下约11km到海平面以上约10km范围内的适于生物生存。生态系统生态系统 生物与周围环境之间相互作用、不断进行物质、能量和信息交换，形成统一的整体，称为生态系统生态系统。生态系统中各种生物和非生物因素根据其在物质和能量交换循环中的作用和状态，可分为四部分。四部分相互作用、相互联系、相互依存、既矛盾又统一，形成完整的不可分割的统一体：(i)生产者生产者：指制造有机物的绿色植物和能进行光合作用的细菌，能够从周围环境中摄取水、二氧化碳等无机物质合成有机物质；(ii)消费者消费者：指能利用有机物进行生命活动的生物，可进一步分为一级消费者(即以植物为食的食草动物)，二级消费者(即以一级消费者为食的食肉动物)，三级消费者(是以二级消费者为食的大型食肉动物)，依此类推，人类是最后一级(高级)消费者；(iii)分解者分解者：指细菌、真菌、放线菌等微生物，能分解生产者和消费者的尸体，使有机物转化为无机物，还原到环境中；(iv)非生物环境非生物环境：即环境中的无生命物质，如水、空气、土壤、日光等，是生物生存的必需条件。基本概念：生物圈，生态系统基本概念：生物圈，生态系统16生态毒理学专业知识n生态学生态学主要研究生物与非生物因素相互作用的科学，这种相互作用决定了自然界生物体的分布、丰度、及其历史变迁。n生态平衡生态平衡生态系统中，各种生物之间、生物与环境之间的物质和能量交换保持动态平衡，称之为生态平衡。生态系统是一个复杂的、不断变化的动态系统，生态平衡也是不断变化的动态平衡。n食物链和食物网食物链和食物网生态系统中，生物之间以摄食和被摄食的关系逐级传递物质和能量，呈相互依存的链状关系，称之为食物链。自然界的食物关系错综复杂，交织成网络关系，即食物网。能量的流动、物质的迁移和转化都通过食物链或食物网进行。n生物富集生物富集环境中的化学物质通过食物链、食物网逐步转移、蓄积、富集，可提高到千百万倍而后进入人体。生物体从环境中不断摄入浓度极低的化学物质在体内蓄积起来达到相当高的浓度，这种现象称为生物富集。(接下页)基本概念：生态学，生态平衡，食物链和生物富集基本概念：生态学，生态平衡，食物链和生物富集17生态毒理学专业知识生物富集的条件生物富集的条件：(a)该化学物质容易为各种生物吸收；(b)在生物体内排泄和降解困难；(c)在积累过程中对生物体本身未达到致命伤害。不同生物对同一化学物质富集系数不同，同一生物对不同化学物质富集系数不同，同一生物不同部位对化学物质的蓄积能力也不同。富集系数富集系数(biological accumulation factor,BCF)生物体内化生物体内化学物质浓度与环境中化学物质浓度之比。学物质浓度与环境中化学物质浓度之比。18生态毒理学专业知识基本概念：传统毒理学与环境毒理学基本概念：传统毒理学与环境毒理学传统毒理学传统毒理学传统毒理学传统毒理学(classical toxicology)(classical toxicology)q“以人类为基本对象，研究物理、化学和生物因素对生物体的损害作用及其机理的科学”(孟紫强，2000)；q“尽管也涉及从亚细胞至独立个体、种群水平的生物体的毒性效应，但主要关注点是人类，其它生物体或多或少是作为替代”(Wright and Welbourn,2002)。环境毒理学环境毒理学环境毒理学环境毒理学(environmental toxicology)(environmental toxicology)已经涉及生态毒理学内容已经涉及生态毒理学内容已经涉及生态毒理学内容已经涉及生态毒理学内容q“是研究环境污染物对生物有机体的损害作用及其机理的科学。不仅研究对生物个体的损害作用，而且研究对生物群体、生态系统乃至整个生物社会的损害及其对策”(孟紫强，2000)；q“研究天然和人工环境中有毒物质的效应”(Duffus,1980)；q“研究污染物在分子至生态系统水平上对生态系统结构和功能的影响”(Ladis and Yu,1995)；19生态毒理学专业知识Truhaut于1969年首先提出EcotoxicologyEcotoxicology的概念。其它的研究定义：“是从整体关系的角度研究自然或合成污染物对生态系统成份的毒性效应的毒理学分支”(Truhaut,1977)；“由毒理学自然延伸至研究污染物的生态效应”(Moriarty,1983)；“研究生态系统中毒性物质的命运(归宿)及其效应的科学”(Cairns and Mount,1990)；“研究环境中有毒物质及其对存活生物影响的科学”(Jrgensen,1990)；“研究对非人生物体、种群和群落的毒害效应的科学”(Suter,1993)；“研究有毒物的命运及对生态系统的效应”(Shane,1994)；“集成化学污染物对种群、群落和生态系统的生态学和毒理学效应，及其归宿(如迁移、转化和衰解)”(Forbes and Forbes,1994)；“预测潜在有毒物对自然生态系统和非靶标物种的效应”(Hoffman等，1995)；“研究生物圈中的污染物及其对生物圈成份(包括人类)效应的科学”(Newman,1998)；基本概念：生态毒理学基本概念：生态毒理学(I)20生态毒理学专业知识“应用毒理学的原理和方法，从生态学角度研究环境污染物对生态系统及其组成成分的有害作用和相互影响规律的学科。生态毒理学是环境毒理学的一部分，也是生态学的一部分”。“生态毒理学是研究外源化学物对生物个体、种群、群落和生态系统的 不良生态学效应，以及从分子、细胞、组织和器官等不同生命层次和生理、代谢、发育、遗传、生殖等生命现象水平研究其与外源化学物的相互关系及作用机理，并揭示生物的适应机制和确定反映环境胁迫的指示表征的学科”(孟紫强，2000)。在生物圈中，同种的生物个体个体(Individual)组成种群种群(Population)，若干种群的有机联系及其生境组成群落群落(Community)，群落及其生境的相互作用构成生态系统生态系统(Ecosystem)。生态毒理学生态毒理学生态毒理学生态毒理学区别于传统毒理学在于其对环境污染物最终效应的任何评价均须涉及下述一个四步过程(Wright and Welbourn,2002)：污染物释放进入环境污染物释放进入环境；污染物传输进入生物体内，发生或不发生化学形态转化污染物传输进入生物体内，发生或不发生化学形态转化；污染物暴露于单一或多个靶标生物污染物暴露于单一或多个靶标生物；污染物产生个体、种群或群落层次污染物产生个体、种群或群落层次/水平上的响应水平上的响应。基本概念：生态毒理学基本概念：生态毒理学(II)21生态毒理学专业知识环境环境/生态毒理学主要成份及作用关系生态毒理学主要成份及作用关系提取(Extraction)合成(Synthesis)利用(Use)处置(Disposal)原始化学物质规章(Regulation)风险管理(Risk Management)风险评价(Risk Assessment)有机体(Organism)吸收(Uptake)分布(Distribution)伤害(Injury)毒性(Toxicity)暴露(Exposure)天然的生物和非生物转换(Natural Biotic/Abiotic Transformation)人类与牲畜的各种排泄产物(Excretory Products from Man&Livestock)来源来源(SOURCE)归宿归宿(FATE)效应效应(EFFECT)环境环境(ENVIRONMENT)22生态毒理学专业知识污染物 Pollutant生化改变 Biochemical changes生理变化 Physiological changes整体有机体响应 Whole Organism Response种群变化 Population Changes生态系统 Ecosystem群落组成 Community Composition响应时间增加对特定化学物的联接难度增加重要性增加不同组织水平响应之间联接关系示意图不同组织水平响应之间联接关系示意图23生态毒理学专业知识营养水平结构：食物网组分等级营养水平结构：食物网组分等级环境太阳空气水土壤显热能量与物质流能量与物质流动方向动方向营养水平等级营养水平等级初级生产者消费者捕食者食腐者分解者主要生物分类主要生物分类自养植物和细菌食草动物和植物病原体肉食动物和动物病原体食腐动物死亡生物量消费者，细菌，真菌，小型无脊椎动物功能定义：吸功能定义：吸收收吸收太阳能为矿物质转化进入植物生物量吸收植物原料、氧和矿物质转化为动物生物量吸收活动物生物量、水和氧吸收死亡动物生物量、水和氧吸收死亡植物和动物生物量、水和氧功能定义：释功能定义：释放放H2O、痕量气体、显热、死亡生物量CO2、H2O、痕量气体、显热、粪便CO2、H2O、显热、粪便CO2、H2O、腐殖质(土壤)、显热结构贡献结构贡献基本外貌结构(见下图)植被结构形状，分类型无直接，但控制食草动物的影响无土壤结构形状，影响非生物分室生物分类型24生态毒理学专业知识景观生态系统分层秩次模型景观生态系统分层秩次模型社会人类动物区系植被土壤水文地形地质气候外域输入1.类似于现实世界，非生物、生物分室相互影响。2.此结构用于构建模拟模型，模拟模型模拟模型对生态毒理影响研究十分重要。3.该模型没有包括信息概念。4.模型单位信息集合中的能量含量与单位秩次中显著信息集合数目之间的关系参见下图。25生态毒理学专业知识与前述模型中生态系统有关的信息集合的能量含量与前述模型中生态系统有关的信息集合的能量含量低低高高单位信息集合中能量含量每种分类中显著信息集合的数目26生态毒理学专业知识生态毒理学所涉及的层次组织生态毒理学所涉及的层次组织自然科学自然科学地质学海洋学大气化学气候学地理学生物化学水文学土壤科学沉积学胶体化学物理化学分析化学有机化学无机化学生命科学生命科学全球生态学景观生态学系统生态学环境微生物学群落生态学元种群生物学种群生物学和遗传流行病学生理/解剖行为发育生物学畸形学神经学药理学内分泌学免疫学肿瘤学生物化学与生物物理分子遗传学生物圈景观生态系统栖息地微栖息地相间关联化学群落种群个体系统器官组织细胞生物分子用于了解非生物相互作用的学科用于了解非生物相互作用的学科用于了解生物相互作用的学科用于了解生物相互作用的学科相互作用相互作用相互作用相互作用27生态毒理学专业知识环境毒理学主要研究任务环境毒理学主要研究任务研究环境污染物对人体的损害作用及机理，探索环境污染物对人体健康损害的早期检测指标和生物标记物，从而为制定环境卫生标准和防治环境污染对人体健康的危害提供理论依据和措施。依据环境污染物对其它生物包括动物、植物、微生物等生物个体、种群及生态系统甚至在特定环境中的整个生物社会的危害，研究其损害作用及其机理、早期损害指标及防治理论和措施。最终任务是保护生物圈内包括人类在内的各种生物的生存及持续健康的发展。环境毒理学主要研究内容环境毒理学主要研究内容 环境毒理学的概念、理论和方法；环境污染物在人体内的吸收、分布、转化和排泄，及对人体的一般毒性作用和机理；环境污染物及其转化产物对人体的致突变、致癌变、致畸变等地特殊毒性作用和机理；环境污染物的毒性评价方法，包括急性、亚急性和慢性毒性试验，代谢试验，蓄积试验，繁殖试验，迟发神经毒性试验，以及各项“三致”试验等；各种污染物对人体损害作用的早发现、早防治的理论和措施；环境污染物在其他生物体包括动物、植物、微生物中的吸收、转运、代谢转化、排出体外、毒性作用的规律及预防措施。环境毒理学研究任务与内容环境毒理学研究任务与内容28生态毒理学专业知识生态毒理学研究对象和内容生态毒理学研究对象和内容生态毒理学主要研究对象生态毒理学主要研究对象不是生物个体的变化，而是生物群体的改变；不仅研究环境污染物对某一种群的损害，而且研究对生态平衡的影响。一方面研究环境污染物进入生物机体后产生的毒害甚至死亡的直接作用，另一方面也要研究环境污染物引发生态平衡紊乱所导致的间接毒害作用。生态毒理学研究生态毒理学研究主要集中在两个领域两个领域：(1)污染物对非哺乳类动物种群的毒性作用；(2)将污染物对某种生物的效应建成模式，以便推测另一种生物可能发生的改变。同一毒物对同一生态系统中不同种类的生物可能有不同的效应；同一毒物对不同生态系统中同种生物也可能不同。在论述毒物对某一种群的毒性时，必需描述其所属的生态系统；在论述某一种群受到污染物的直接毒害作用时，必需描述其对其它生物因素和非生物因素的影响。一种毒物能够同时与多种生物种群发生相互作用，且对不同种类生物的效应各异。29生态毒理学专业知识n当前，相对简单的(环境毒理学常用的)测试方法对于筛选目的依然有用，但既不适合于实际的预测，也不适合于对特定点位(Specific site)的评价。对于后一种情形，需要将生态学和毒理学进行外在地(证据权重方法)和内在地(生态毒理学)相结合。例如，确定风险表征(预言性的效应表征或PEC被PNEC除)所需的预测无效应浓度(PNEC)，内在结合方式能最大地降低不确定性，提高现实性。n生态毒理学应该对大、小尺度的变化均给予关注，必须明确两个两个重要过程重要过程：(1)作为化学物浓度的函数，一种有机体种群生长或衰落的速率是如何变化的；(2)一种有机体种群从随后降解的有毒化合物短期暴露中的恢复有多快。n应了解的信息应了解的信息：(a)个体水平上的亚组织效应的结果，包括生命历程特性之间的任何平衡；(b)种群水平上的个体效应的结果，包括组织之间的任意平衡；(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以及遗传约束。生态毒理学两个重要过程生态毒理学两个重要过程30生态毒理学专业知识环境毒理学环境毒理学生态毒理学生态毒理学首要的是实验室内问题(例如采集、培育、控制、测试)首要生态问题(例如食物链、群落结构的重要性)独立物种测试组合物种测试对主要问题检测的费用对主要问题不正确决策的费用简易测试复杂测试首要关注的是化学污染物化学污染物仅仅是其中的一个问题，但不一定是最重要的问题仅包括毒理学家毒理学家、生态学家，还需要其它学科(如微生物学家)环境毒理学与生态毒理学的对比环境毒理学与生态毒理学的对比31生态毒理学专业知识进程时间进程时间生态毒理学生态毒理学：有毒物质的生态学：有毒物质的生态学当前的发展情形：当前的发展情形：当前的发展情形：当前的发展情形：初始的研究方法尚未被替代，但正被后续的方法所补充初始的研究方法尚未被替代，但正被后续的方法所补充初始的研究方法尚未被替代，但正被后续的方法所补充初始的研究方法尚未被替代，但正被后续的方法所补充生态学生态学：生物体相互作用：生物体相互作用种群功能，过程种群功能，过程简单的野外观测简单的野外观测规划的野外观测规划的野外观测实验操作处理实验操作处理环境毒理学环境毒理学：生物体：生物体的毒性效应的毒性效应简单实验室暴露简单实验室暴露“准野外准野外”调查调查复杂的现场实验复杂的现场实验生态学、环境毒理学和生态毒理学的发展生态学、环境毒理学和生态毒理学的发展32生态毒理学专业知识现代毒理学研究方法现代毒理学研究方法：可以概括为实验室方法，临床观察和现场调查、综合危险度评定三大类。A.实验室方法：体外实验法实验室方法：体外实验法(in vitro)体外实验法体外实验法(in vitro)：(a)器官灌流技术将受试化学物经血管流经特定的器官，观察环境污染物在脏器内的代谢转化和毒性作用；(b)或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；(c)或利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，无法得到毒效学和毒性动力学资料。主要应用主要应用：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(quantitative structure and activity relationship,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。现代环境现代环境/生态毒理学研究方法生态毒理学研究方法(I)33生态毒理学专业知识现代环境现代环境/生态毒理学研究方法生态毒理学研究方法(II)B.整体生物实验整体生物实验(whole body biomass，即体内实验法，即体内实验法，in vivo)：多在整体动物进行，也称整体动物实验。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的变化。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。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，探讨机理。两个主要原则两个主要原则：(1)在试验设计合理、质量保证前提下，从整体生物试验观察到的有毒效应资料可用以估测潜在危害；(2)为发现和检测外源物对生物的潜在毒性危害，在试验中有必要使用大剂量诱导毒性效应。新的发展趋势新的发展趋势：(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)转基因生物已开始应用，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(ex vivo)，集中体内和体外试验的优点，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。试验材料试验材料：根据研究目的可选择植物、微生物、非哺乳类动物及哺乳类动物。生态毒理学生态毒理学主要针对植物和非哺乳类动物群体进行研究，同时鉴于人类特殊的生物圈地位，也开展人类生态毒理学研究。水蚤是毒性试验经常选用的物种。生态毒理模型生态毒理模型：生态毒理学通过将收集的毒理学资料通过数学和计算机科学的方法编制，以预测未来的生态毒理现象。34生态毒理学专业知识C.临床观察临床观察(包括短期或长期接触化学物的人体直接观察)，现场调查及流行现场调查及流行病学调查病学调查(常见有：回顾调查法和前瞻调查法)人群调查人群调查(流行病学调查方法流行病学调查方法)：根据动物实验的结果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。D.危险度评定危险度评定(risk assessment)与管理毒理学与管理毒理学(regulatory toxicology)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。E.其它其它(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”discovery in silicon，“硅上临床试验”clinical trails in silicon等。(2)近代环境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分光光度法、直接测定自由基的自旋共振技术、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等。环境毒理学的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。环境环境(生态生态)毒理学研究方法毒理学研究方法(II)35生态毒理学专业知识生态毒理学面临的问题生态毒理学面临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与生态系统相关性反应敏感性反应敏感性时间尺度时间尺度36生态毒理学专业知识生态毒理学的两个关键问题生态毒理学的两个关键问题(I)急性和慢性毒性响应急性和慢性毒性响应重点在于三个关键测试参数三个关键测试参数(1)受试物种应与常驻物种最为相似，具有生态适当性和重要性；(2)暴露途径需要是直接和适当的；(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。生物标记物生物标记物(Biomarker)：例如金属硫因感应，混和功效氧化酶，受迫蛋白。目前仅能提供暴露指示，尚未直接与有机体水平上的影响相联系，更不用讲种群和群落水平。生物指示物生物指示物(Bioindicator)：包括对有机整体的评价，涉及多重水平的生物组织的野外数据，并直接与影响相关联。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。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。为更好地预测和特定点位评价，需要测试等价的重点物种，理想的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，但不能犹豫采用可适当利用的物种，尤其是更为有效并能提高评价水平的物种，尽管这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)测试的终点是否具有生态学和毒理学上的适宜性。(接下页)37生态毒理学专业知识进一步，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，其重要性重要性体现在：(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。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。生态毒理学的两个关键问题生态毒理学的两个关键问题(II)38生态毒理学专业知识对生态对生态/环境毒理学的两种认识环境毒理学的两种认识1.认为生态/环境毒理学是研究有毒物对非人类环境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。2.认为对生态环境的研究应包括对人类包括对人类的研究，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具有重要的指导意义。39生态毒理学专业知识不确定性 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预测的无效应浓度预测的无效应浓度(Predicted No Effect Concentration,PNEC)与环境毒理学、生态学和生态毒理学相关的不确定性和现实性与环境毒理学、生态学和生态毒理学相关的不确定性和现实性40生态毒理学专业知识实践实践实践实践技术技术技术技术科学科学科学科学短短长长受益时间受益时间受益时间受益时间短短长长局部局部全球全球数值数值数值数值科学科学科学科学实践实践实践实践技术技术技术技术其它法律和规章其它法律和规章其它技术其它技术其它科学其它科学其它社会需求其它社会需求当前状态的平衡平衡关系理想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平衡和理想平衡生态毒理学中科学、技术和实践成份的现实平衡和理想平衡41生态毒理学专业知识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(I)途径主要污染物注释污水排放口来自商业和家庭的各种无机和有机污染物；通常出现清洁剂变化大，不仅取决于污水厂所接受的，而且取决于污水的处理方式来自商业房基地排放口取决于商业活动；来自化学工业的多种污染物；来自采矿活动的重金属；某些区域造纸厂是重要来源污水中污染物浓度必须低于法规限制核电厂排放口放射性核素接受常规监测和严密控制陆地径流地表堆放的污染物；杀虫剂通常未控制，难以测定来自大气雨雪沉降；生物杀伤剂的直接应用；喷雾、灰尘的突发污染污染物远距离传输；害虫、寄生虫、带病菌者、杂草控制；潜在的气态喷雾问题42生态毒理学专业知识途径主要污染物注释海洋堆放原始污水；深海中存放于封闭容器中的放射性化学物和毒性废物应关注容器因长期存放可能降解导致污染物从容器中释放石油钻探设备和终端的释放烃类意外事故或战争后果海难事故烃和其它有机污染物油轮海难泄漏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(II)43生态毒理学专业知识污染物进入陆地的主要途径污染物进入陆地的主要途径途径主要污染物注释废物堆放，包括垃圾堆，填埋点，工业堆放各种不同污染物某些工业堆放中富含特别污染物，如石油，金属矿堆积，PCBs等农业和森林中使用杀虫剂喷雾、灰尘、种子敷料等形式的杀虫剂，灭鼠剂，除草剂，杀真菌剂对杀虫剂使用有严格的控制疾病病菌携带昆虫杀虫剂大范围的主要污染是对疟疾蚊和苍蝇的控制措施农业用地的污水利用重金属、硝酸盐、清洁剂河水或海水泛滥各种含污染物的污水随灰尘、小颗粒物、雨、雪从空中沉降与煤灰、灰尘、酸雨杀虫剂有关的污染物短距离传输(烟囱喷雾、煤灰、灰尘的漂移)长距离(被雨雪携带)44生态毒理学专业知识污染物进入大气的主要途径污染物进入大气的主要途径途径主要污染物注释家庭烟囱有机污染物，与烟尘颗粒和气体结合的烃。SO2,CO2,NO2等污染水平取决于燃料燃烧质量和烟道气体清洁工业房基地、发电厂等烟囱类似于家庭烟囱，但许多取决于当地的实际情况；来自核电厂的放射化学物对于危害物质，清洁气流非常重要内燃机和喷气发动机CO2,(NOx),烃类，其它有机污染物，含铅化合物(含铅燃料)污染水平取决于发动机和排气系统的设计；推广使用无铅汽油限制铅污染杀虫剂使用杀虫剂，杀真菌剂，除草剂挥发性杀虫剂以气态进入空气；到达大气圈层的杀虫剂喷雾小滴、杀虫剂灰尘生成物冰箱排放氯氟甲烷气溶胶氯氟甲烷，如CF2Cl2,CFCl3严格控制使用45生态毒理学专业知识毒性剂量的概念：不同应用中有毒化学物剂量检测或估计方法毒性剂量的概念：不同应用中有毒化学物剂量检测或估计方法(7)致死机体负荷(临界机体残余物)在机体死亡时测定。它通常与实验室生物检测和野外/现场中毒结果有关。(6)剂量可由暴露浓度和时间的乘积推导得到。当有毒物属非生物富集的气体时，对许多巨型植物，这种估计是重要的。在水生生物毒性测试中也常使用。(5)在小型生物体中，有关内部组织分布的信息会丢失，但整体的机体负荷可以测定(例如骨骼的化学品组成与软组织明显不同，如果包括会产生误导作用)(4)在与受体点位或组织存在事先测定关系的靶标组织或替代组织或排泄物中对摄入化学品进行分析：例如血液、尿液、毛发(例如治疗药剂/杀虫剂测试、工业暴露研究)(3)化学品以小块皮肤皮试形式按一次性剂量加以执行(例如测试用治疗药剂、化妆品)(2)化学品作为受控定量配给饮食的一部分执行(例如治疗药剂/食品添加剂/杀虫剂测试)(1)注入受试有机体的组织/细胞外空间的化学物质检测量(例如上市销售前测试的治疗药剂)剂量剂量：是生物体对化学物的吸收量或摄入量的一种度量，通常可以有是生物体对化学物的吸收量或摄入量的一种度量，通常可以有一系列量化或估算方法，如下表：一系列量化或估算方法，如下表：响应也许是“全或无(局量子)”的现象，如死亡率；也许是梯度效应，如生长率或再生性能(生育力)46生态毒理学专业知识n致死剂量致死剂量(lethal dose)某种外源化合物能引发机体死亡的剂量。n绝对致死剂量绝对致死剂量(absolute lethal dose,LD100)；n半数致死量半数致死量(median lethal dose,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。n半数耐受限量半数耐受限量(median tolerance limit,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。n最小致死剂量最小致死剂量(minimum lethal dose,MLD,LD01,LDmin)引发机体中个别死亡的最低剂量；n最大耐受剂量最大耐受剂量(maximal tolerance dose,MTD,LD0)个体中不发生死亡的最高剂量。n最低观察到作用剂量最低观察到作用剂量(lowest observed effect level,LOEL,lowest observed adverse effect level,LOAEL)或称中毒阈剂量中毒阈剂量(toxic threshold level)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。基本概念：剂量和效应基本概念：剂量和效应(I)47生态毒理学专业知识最大无作用剂量最大无作用剂量(maximal no-effect level,MNEL)或未观察到作用剂量未观察到作用剂量(no observed effect level,NOEL,no observed adverse effect level,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。根据实验观察并经统计学处理获得。效应效应(effect)一定剂量外源化学物与机体接触后引起的生物学变化。分为量效应量效应(quantity effect)和质效应质效应(quality effect)，两者可以转换。响应响应/反应反应(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。剂量效应关系剂量效应关系(dose-effect relationship)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量效应大小之间的关系；基本概念：剂量和效应基本概念：剂量和效应(II)48生态毒理学专业知识剂量响应关系剂量响应关系(dose-response relationship)不同剂量外源化学物与其在个体或群体中所表现的质效应发生率或响应率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：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；(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。用曲线表示(表示效应强度的计量单位或表示响应的百分率或比值为纵坐标，剂量为横坐标的散点图)。主要曲线类型主要曲线类型分为：直线型、抛物线型、S型曲线、“全或无(all or none)”反应。时间剂量响应关系时间剂量响应关系：外源化学物在一定计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(time-dose-response relationship,TDRR)。毒能毒能(potency)外源物诱发机体强烈生物效应的能力，即产生毒性效应的剂量范围。毒效毒效(efficacy)外源物在理想条件下可以达到的对生物体的最大影响，即剂量响应曲线中生物体“响应”的上限。两者主要用于比较化学物对生物体影响的能力和特点。基本概念：剂量效应与剂量响应关系基本概念：剂量效应与剂量响应关系49生态毒理学专业知识基本概念：临界值，兴奋效应，受体基本概念：临界值，兴奋效应，受体临界值临界值/阈值阈值(threshold)的概念被嵌入许多基于种群的毒性经验方法(如LOEC，NOEC)。但其它模型在涉及此概念时，通常采用一种更为机械的方法。如早期的One-hit模型和随后的将公认的单一和多重受体并入的Multi-hit模型。后者构成线性多阶段模型(LMS)。毒物兴奋效应毒物兴奋效应(Hormesis)：生物体对低水平有毒化学物产生积极响应，实际上刺激细胞生长和修复。这种刺激作用可以解释为相对于控制标准，对生理或生殖适应性的某些测度的增强；但在增加有毒暴露水平时，抑制作用将取而代之。毒物兴奋效应主要有两种解释毒物兴奋效应主要有两种解释(a)一种特定但不常用的解释：效应的出现源于几种污染物如痕量金属在高浓度时有毒，但在很低水平时对植物和动物的存活是必需的；(b)另一不太特定但更广泛使用的解释：在有机体耐受区域内与抑制性激发相应的去毒机理出现短暂的矫枉过正作用。受体受体(感受器感受器)被能导致伤害和毒性的有毒物进行化学改变的正常机体成份。受体通常是蛋白质，还包括核酸或脂质。50生态毒理学专业知识阈剂量阈剂量(threshold)指诱发机体某种生物效应显现的最低剂量，即引发超过机体自稳适应(homeostatic adoption)极限的最低剂量。耐受性耐受性(tolerance)机体对外源物毒效应的反应性降低，源于先前接触同一外源物或结构类似的化学物所致。主要机制：主要机制：(1)到达靶标部位的化学物浓度降低，称分布耐受性(dispositional tolerance)；(2)机体组织对化学物反应性降低。化学物相互作用化学物相互作用：两种或以上化学物同时或先后作用于生物体，并相互影响其毒性作用，称相互作用。大致分为联合作用联合作用和拮抗作用拮抗作用两大类：I 联合作用包括：(a)简单加和作用(additivity，化学结构/性质近似的化合物或作用于同一器官系统或作用机理相似的化合物)，(b)协同强化作用(synergism，毒性增加)，(c)增毒作用(potentiation，本无毒性，与其它化学物同时给予则导致毒性增强)，(d)独立作用(independent joint，没有相互作用)；基本概念：阈剂量，耐受性，相互作用基本概念：阈剂量，耐受性，相互作用(I)51生态毒理学专业知识II 拮抗作用致使毒性效应降低，包括：(a)功能拮抗(functional antagonism，作用于同一生理机能，但作用相反，结果使生理功能仍能维持)，(b)化学拮抗(chemical antagonism，化学物反应导致毒性下降)，(c)转运/配置拮抗(dispositional antagonism，干扰或改变另一化学物的吸收、代谢、分布和排泄，是靶标浓度降低或排泄增加使得毒性降低)，(d)受体拮抗(receptor antagonism，与同一受体结合，毒性低于各自结合的毒性)。III 其它：(a)竞争效应(competitive，导致污染物进入数量和几率降低或竞争吸附/结合点位)；(b)保护效应(protective，掩盖/掩蔽作用，改变毒性和与生态系统组分接触行为)；(c)抑制效应(inhibitory，作用导致生物活性下降，难以进入系统产生危害)。基本概念：阈剂量，耐受性，相互作用基本概念：阈剂量，耐受性，相互作用(II)52生态毒理学专业知识n最大可接受毒性浓度最大可接受毒性浓度(maximum acceptable toxic concentration,MATC)指无观察效应浓度与最低观察效应浓度的几何平均值。是对低于致死剂量(慢性)生物法的一种度量。n无观察效应浓度无观察效应浓度(no observed effect concentration/level,NOEC/NOEL)指