生态毒理学研究方法

,单击此处编辑母版标题样式,#,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,生态毒理学研究方法,生态毒理学研究方法,第1页,毒性影响原因,生物原因,(1),生物分类组别,(taxonomic group),种属和个体差异：不一样种属生物或同一个属不一样个体之间对同一毒物反应差异，原因复杂，但主体原因是毒物在体内代谢差异,(,包含代谢酶,),所致。在进行毒性试验时，应尽可能选择条件一致生物以降低个体差异造成影响。,(2),年纪阶段,/,机体大小,反应灵敏度差异。新生和幼年生物通常对毒物较成年生物敏感。新生生物中枢神经系统发育不完全，对相关兴奋剂敏感性差，而对抑制剂则较为灵敏。新生生物膜通透性较强，对一些脂溶性神经毒物毒性反应较大。经代谢转化后毒性增强化学物，对新生和幼年生物毒性较成年低，反之，在体内可快速代谢失活化学物，对新生和幼年生物毒性可能较大。,(3),营养与健康,营养不足或失调影响化学物毒性作用。如蛋白质缺乏引发酶蛋白合成降低、活性降低，解毒能力降低，毒性增加。维生素缺乏也有类似情况。健康情况也有影响。,(4),生物节律,即生物钟，化学物毒性与其进入体内发挥作用时间相关。,生态毒理学研究方法,第2页,非生物原因,(1),温度,(,每增加,10,C,，多数有毒物毒性会改变,2,到,4,倍,),影响方式复杂。适应温度和试验温度。,毒性影响原因,适应温度,耐受温度,抑制水平,(,产卵,),负载水平,(,活动生长,),致死阈值,5%,致死阈值,50%,最终初始致死温度,三种毒性终点,(,死亡、生长、,产卵,),下适应温度和耐受温,度关系。虚线各自内部面积,指示耐受区。,生态毒理学研究方法,第3页,毒性影响原因,(2),pH,和碱度,pH,对毒性影响是多方面，在酸性条件下,(pH,5),时，,H,+,本身对水生生物便是致命。酸对鱼生理影响集成模型以下列图所表示：,2H,+,+Ca,3,(PO,4,),2,3Ca,2+,+2HPO,4,2,2H,+,+CaCO,3,Ca,2+,+CO,2,+H,2,O,H,+,CO,2,+H,2,O,K,+,Na,+,+HPr,H,+,+Na,+,Pr,H,+,H,+,鳃,ECF,H,+,+NH,4,Na,H,+,H,+,+HP,4,2,H,+,+NH,3,Ca,2+,肾,骨骼,ICF,H,+,+HCO,3,K,+,+HPr,H,+,+K,+,Pr,K,+,HP,4,2+,NH,3,H,+,NH,4,H,2,PO,4,ECF:,外细胞液,ICF:,内细胞液,Pr:,蛋白质,生态毒理学研究方法,第4页,H,+,还能影响痕量金属毒性，方式为：,(1),影响水中金属形态；,(2),与金属竞争生物膜上表面反应位。下列图为天然水中痕量金属主要形态及其转化。,毒性影响原因,不稳定有机络合物,稳定有机络合物,游离离子,颗粒态吸附,无机络合物,胶体形态,生态毒理学研究方法,第5页,按操作定义金属形态,样品,原始样品在室温下风干，然后在,105,C,烘箱中烘干。用玛瑙研钵研磨后，过尼龙筛，,筛选一定孔径颗粒。取一定量样品，按下述方法对金属进行化学逐层提取：,蒸馏水,(W/V,1:20,2h,25,C),液相：水可溶态,固相,1M/0.5M MgCl,2,(pH=7,W/V=1:20,2h,25,C),固相,液相：离子交换态,1M NaOAc(pH=5.1,W/V=1:20,2h,25,C),固相,固相,固相,液相：碳酸盐结合态,液相：中等可还原态,液相：有机硫化物结合态,0.04M NH,2,OH,HCl(,在,25%HOAc,中,W/V=1:20,2h,96,C),液相：残渣态,30%H,2,O,2,+0.02M HNO,3,(pH=2,W/V=1:20,4h,85,C),浓,HNO,3,HClO,4,HF(8h,160,C),生态毒理学研究方法,第6页,Henderson,Hasselbach,方程式,对于弱酸,HA,H,+,+A,Ka=(H,+,)(A,)/(HA),logKa=log(H,+,)(A,)/(HA),logKa=log(H,+,)+log(A,)/(HA),log(H,+,)=,logKa+log(A,)/(HA),pH=pKa+log(A,)/(HA),对于弱碱,HB,+,H,+,+B,Ka=(H,+,)(B)/(HB,+,),logKa=log(H,+,)(B)/(HB,+,),logKa=log(H,+,)+log(B,+,)/(HB,+,),log(H,+,)=,logKa+log(B,+,)/(HB,+,),pH=pKa+log(B)/(HB,+,),解离常数,pKa,与弱酸和弱碱,pH,关系,污染物处于,pH,改变水介质中，其吸收进入机体内在相当程度上受,pH,影响，,即在肠胃消化道内酸碱反应。,由上述关系，,pH,影响弱酸和弱碱水溶解度。另外，,pH,还能影响亲脂金属形态,生物有效性，不经形成表面络合物而穿过细胞膜。,生态毒理学研究方法,第7页,(3),盐度,主要应用于盐度改变显著得海湾地域。对大多数金属而言，低盐度会增加毒性。盐度对金属生物有效性影响主要与其形态相关。,(4),硬度,硬度主要成份是二价钙离子和镁离子。美国环境保护局,USEPA,定义硬度通常以,CaCO,3,等价值。,(5),化学混合物,(isobologram,，等热辐射测量图,),普通地，同一化学分类化学物含有相同毒性。混合物毒性并非是简单加和关系。,毒性影响原因,化学物,B,LC,50,化学物,A,LC,50,直接化学物相加,协同,/,增强,无相互作用,无相互作用,联合毒性行为,(,中间加和响应,),拮抗作用,有毒混合物模型：条目定义,化学物,A,：,96,小时,LC,50,1mg/L,化学物,B,：,96,小时,LC,50,=10mg/L,二者分别按,1mg/L,和,10mg/L,加入,96,小时死亡描述,定义,50%,死亡,50%,死亡,(1),倍数百分比增加,(2),低于情形,(1),(3),高于情形,(1),无相互作用，各自反应,拮抗作用，混合低于各自,相加,直接相加,低于加和,增强作用,生态毒理学研究方法,第8页,(6),溶解有机碳,(DOC),溶解有机分子，分子量跨度从低于,1000,高至,100000,以上。作为金属离子络合剂。,(7),脂水分配系数,(,化合物毒性除与其在脂水相相对溶解度相关，还与其体液绝对溶解度相关,),(8),电离度,(,弱酸或弱碱型有机物在体内,pH,条件下，电离度低，非离子行百分比高，轻易被吸收发挥毒性,),(9),挥发度和蒸气压,(,暴露接触机率,),(10),分散度,(,粉尘、烟雾等固态物质毒性与分散度即颗粒粒径大小相关,),(11),纯度,(,杂质：剩下原料、合成副产品、添加剂、赋形剂,),(12),湿度,(,伴随高温时，化学物经皮肤吸收速率加紧,),(13),气压,颗粒物作用,：食物主要性,气态污染物除去呼吸吸入和气孔,/,表皮进入植物外，还有两条基础进入路径：以溶解态形式直接经过生物膜传输；,摄取污染颗粒物质,(,仅对异养生物,),。,有机污染物孔隙水相和沉积物相之间分配：,C,w,/C,s,=K,oc,f,oc,，,K,oc,，,f,oc,分别为有机相分配系数和沉积物有机碳分数。沉积物水，土壤水分配系数能够由辛醇水分配系数近似：,logK,oc,=a,K,ow,+b,。,毒性影响原因,生态毒理学研究方法,第9页,沉积环境中影响化学物生物有效性许多主要过程受沉积物氧化还原条件影响。其中，常处于厌氧环境沉积物中硫化物对金属作用很大。酸可挥发性硫化物,(acid volatile sulfide,AVS),与酸化过程中同时提取金属含量关系是主要描述沉积物中金属生物有效性指标。比率形式：,AVS/SEM,邻位,间位，但也有例外。因为受体和或酶普通只能与一个旋光异构体结合，产生生物效应，化学旋光异构体之间毒性不一样。,(9),有机磷化合物：主要指五价磷有机杀虫剂。,接触条件,(1),接触路径：接触路径不一样，则吸收、分布不一样，其代谢转化、毒性反应性质和程度也不一样。,(2),溶剂和助溶剂：不一样溶剂和助溶剂可加速或减缓毒物吸收、排泄，从而影响其毒性。,(3),毒物浓度和容积：稀释作用情况不一致，有浓溶液毒性强，有则稀释后反而强。,(4),交叉接触：不一样暴露路径交叉作用。,毒性影响原因,生态毒理学研究方法,第11页,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,生态毒理学应包含各种组织水平上研究,不一样类型生物组织水平之间关系,“,嵌套形式”，细胞效应即简单地意味着全部生物水平效应。,情形,B,和,C,中竖条纹区域代表不确定性,(Uncertainty),。,低级生物响应,(,如酶活性或免疫响应改变,),可能代表从健康反应直至压迫,(stress),广谱范围。所以，难以确定这种响应和有机体适应性定量关系。从个体水平响应结果外推至种群或群落水平属于另一类问题,(,如情形,C),。,生态毒理学研究方法,第12页,生态毒理学方法学方法,生态毒理学研究特点,(1),研究目标,：保护多物种种群和群落免受造成现实或潜在危害有毒物浓度暴露。,(2),关注物种,：受控于直接试验法需要。,(3),判定不穷尽性,：无法判别所相关心受试物种。所以，结果外推程度不确定。有机体在生态系统中反应与试验室内受控条件下结果可能不一致。,(4),受试有机体,：尤其指水生生物，生活在多变环境中，体温随环境温度改变，有些与温度相关毒性预测性较差。外部或暴露剂量及暴露时间直接从测定结果取得。,(5),毒性作用机理和结构活性关系,：偏重于基础研究，重点在于测定效应和临界,(,阈值,),浓度。,(6),常见检测方法,：通常较新，有些已标准化，但对于生态系统层次有效性还未确定。,在介绍、讨论和评价各种方法理论和实践意义时，经常包括生物指示物、标识物，生态指示物和模型。,生态毒理学研究方法,第13页,生物指示物普通概念和原理,生物指示物可被视为了解一个条件和状态伎俩。利用生物指示物所依靠普通原理在于有机体对生态环境特定条件或特定条件改变产生响应，而且生物响应可加以测定。,生态指示物是指示生态系统条件,/,状态生物响应，但不一定是生态系统水平上一个测度。,比如,湖水中叶绿素,a,浓度是仲夏浮游植物群落一个生物测度，并用于相关磷浓度湖泊生态系统整体状态指示物。高浓度磷会造成富营养化，引发湖泊中各种营养水平响应。评价富营养化程度，尽管可选取磷浓度或一些鱼种群和群落参数，但对于常规评价，叶绿素,a,测定是可靠且相对简单指示物。,理想生物指示物条件,：生物响应能够定量化；专用于扰动；在试验室和现实环境中均可进行观察；对系统整体功效有重复性和可靠性。,区分两种生物响应,：,(1),到达某一试验终点；,(2),某一化学物质在组织中积累。,生物指示物和生物监视器定义：推荐将生物指示物用于全部类型响应，从亚细胞至系统，而不是物质累积。而生物监视器则主要针对机体累积类型。,二者性质比较,(,参见下述表格,),生态毒理学研究方法,第14页,生物指示物和生物监视器性质比较,生态毒理学研究方法,第15页,对潜在有毒物耐受性和抵抗性,(I),耐受性,：指一个经受暴露于非正常高浓度物质,(,元素或化合物,),能力，这些物质能造成负面生物效应且能不确定地加以维持。,最常提及例子出现在物种内部，给定物种生态类型或种系表现出一个经受给定污染物浓度能力，该浓度对原始种系明确有害。,(II),耐受机理,a.,阻止有毒物吸收；,b.,吸收然后将污染物存放于与机体相隔离结构中,(,如结石，特殊包裹物和液泡,),或者以非生物活性形式存放；,c.,内部或外部降解化学物成为较少危害物质；,d.,吸收然后经过细胞排泄而排除；,e.,回避,(,仅对可运动生物,),。,生态毒理学研究方法,第16页,生物尺度问题,(1),生化标识物,/,指示物原理和性质,生化指示物