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♦化学、数学和医学等学科是生态毒理学形成和发展的基石。
♦植物学、微生物学、土壤学、大气科学、水文学等学科,为生态毒理学向广度发展提供了理论基础。
♦生物学、遗传学和分子生物学等学科,为生态毒理学向深度发展提供了方法基础。
三、生态毒理学的
研究对象、内容及任务
♦生态毒理学的研究目标是探讨和阐明有毒有害因素对动物、植物、微生物的个体和群体的生物学效应和健康损害及其规律。
♦其主要研究对象是非人类生物,特别是野生生物,其中包括一些非人类的模式生物如试验用的非哺乳类实验动物、实验植物及实验微生物等
♦研究内容:
(1)毒物与污染物在物理环境释放、分布、行为及其与物理、化学环境的相互作用
(2)毒物与污染物进入生态系统途径及其变化
(3)毒物与污染物的生物效应,即有毒、有害物质对生命有机体危害的程度及范围的研究;
生物监测和生物检测是进行生物效应研究的两种技术手段。
♦任务:
♦
(1)为环境管理提供科学依据
♦
(2)为环境污染控制和治理提供科学依据和工具
♦(3)为生态系统健康状况和可能出现的问题进行评价和预测提供手段,为生态损伤的早发现、早防治和早修复提供科学依据
♦(4)促进绿色GDP增长
生态毒理学基本研究方法
♦
(一)体内研究-整体生物毒性试验
♦急性、亚急性、慢性毒性
♦繁殖、蓄积、代谢试验
♦三致(致癌、致畸、致突变)试验
♦
(二)体外研究-器官、细胞和亚细胞水平试验
♦(三)细胞和分子水平的研究
♦(四)模型生态系统毒理学试验
♦(五)生物群体调查
第二章
基本概念和基本理论
第一节基本概念
⏹一、毒物、毒性、剂量
⏹
(一)、毒物:
在一定条件下,以较小剂量暴露就能引起生物机体功能性或器质性损伤的化学物质.
⏹物质的毒性作用和无毒性作用是相对的,可随暴露的剂量而相互转化;
⏹正常情况下毒物和非毒物是有明确界限的,即毒物和非毒物也有其绝对性的一面
⏹Toxin:
是指由植物、动物和微生物产生的有毒物质。
⏹Poison:
是指人为制造或实验室合成的有毒物质。
⏹Toxicant:
指导致产生各种中毒症状的物质,既有天然的也包括人工合成的化学品。
⏹Venom:
某些动物分泌的毒液
⏹毒物的分类
•全世界登记的化学物质已达1000多万种,人们经常接触和使用的约有7-8万种,每年约有1000多种新的化学物质进入人类的生产和生活环境。
按化学物质的用途和分布范围,可分为:
1.工业化学品如生产原料、辅剂、中间体、副产品、杂质、成品等;
2.食品添加剂如糖精、香精、食用色素、防腐剂等;
3.日用化学品如化妆品。
清洁与洗涤用品、防虫杀虫用品等;
4.农用化学品如化肥、杀虫剂、除草剂、植物生长调节剂、保鲜剂等;
5.医用化学品如各种剂型的药物、消杀剂、造影剂等;
6.环境污染物如存在于废水、废气、废渣中的各种化学物质;
7.生物毒素如动物毒素、植物毒素、细菌毒素、真菌毒素等;
8.军事毒物如芥子气等战争毒剂。
9.放射性物质如放射性核素。
天然放射性元素等。
(二)、毒性(Toxicity):
毒物引起生物体损害的性质和能力。
毒物的暴露:
生物体对毒物的接触或吸收
中毒(Toxication):
有害物引起生物机体出现功能或器质性改变而出现的疾病状态。
在同等剂量下,对机体损害能力越大的化学物质,其毒性越高。
相对于同一损害指标,需要剂量越小的化学物质,其毒性越大。
如“毒物”和“非毒物”是相对的一样,化学物质的毒性大小也是相对的。
只要达到一定的剂量水平,化学物质就具有毒性,而如果低于某一剂量水平时,不具有毒性。
因此,剂量是化学物质毒性的决定因素。
除了剂量外,接触条件如接触途径、接触期限、速率和频率等因素对化学物质的毒性及性质也有影响。
(1).接触途径
多数情况下,化学物质需要进入血液并随血流到达作用部位才能发挥其毒性,而同一种化学物质经由不同途径(经口、经皮、经呼吸道等)与机体接触时,其吸收系数(即入血量与接触量之比)是不同的。
(2)接触期限、速率和频率
(三)、毒性的分类
急性毒性(acutetoxicity):
指一次被人体吸收的量较大,在短时间(24小时内)引起急性病理反应而表现出中毒症状(如恶心、头疼、出汗、呕吐、腹泻、抽搐、呼吸困难、昏迷等)。
亚急性毒性(subacutetoxicity):
亚急性毒性所中毒症状往往需要有一个过程,最后表现与急性中毒类似,也可引起局部病理变化,受害者多有长期连续接触一定剂量农药的过程。
测定亚急性中毒,一般以微量农药长期喂饲动物,经至少三个月以上的时间,观察和鉴定农药对动物引起的各种形态、行为、生理、生化的变异。
慢性毒性(chronictoxicity):
指在长期摄入低微剂量的药剂后逐渐引起内脏机能受损,阻碍正常生理代谢过程而表现出慢性病理反应的中毒症状。
一般以微量药物长期饲喂6个月以上,甚至要观察2—4个世代存活的个体,来鉴定药剂对后代的影响。
4、蓄积毒性和生物富积
生物富集(bioenrichment)作用亦称生物浓缩(bioconcentration)作用,它是指生物(包括微生物)通过食物链从环境中蓄积某种污染物,出现生物体中浓度超过环境中浓度的现象。
生物富积因子或生物浓缩因子(BCF,bioconcentoationfactor):
平衡状态下污染物在生物体中的累积浓度Cb与其在环境媒体中的浓度Ce的比值,即:
蓄积毒性作用(cumulativetoxicityaction):
当低于中毒剂量的环境毒物或外来化合物反复多次地与生物体持续接触,经过一定时间后使生物体出现明显的中毒表现。
⏹表现在两个方面:
⏹物质蓄积:
毒物或污染物不断进入机体内,其吸收量大于排出量,使其在体内的量逐渐积累增多。
⏹功能蓄积:
不断进入生物体内的毒物,有时用分析的方法不能检测出体内毒物蓄积,但生物体在毒物反复作用下其功能逐渐下降或不断衰竭,其毒害程度逐渐累积加重,最后导致中毒。
⏹5、剂量(Dose):
机体接触的外源化学物的数量。
多种表示方法。
剂量是化学物质毒性的决定因素
⏹当受试物质存在于空气或水中时,上述各指标中的剂量改称为浓度(concentration)。
(1).致死剂量(Lethaldose,LD):
以死亡为观察指标的外源化学物的量。
⏹绝对致死剂量(LD100):
能引起所观察的个体全部死亡的最低剂量。
⏹半数致死剂量(LD50):
能引起所观察的个体50%死亡的剂量。
半数致死浓度(LC50):
能引起一群个体50%死亡所需的浓度。
一般以mg/m3空气和mg/L水来表示。
半数耐受限量(TLm):
也称半数存活浓度,是指在一定时间内一群水生生物中50%个体能够耐受的某种环境污染物在水中的浓度,单位为mg/L。
⏹最小致死剂量(MLD、LDmin、LD01):
引起群体中个别死亡的最低剂量。
低于此剂量,不会出现死亡。
⏹最大耐受剂量(MTD、LD0):
一个群体中不会引起死亡的最高剂量。
(2).半数效应剂量(ED50):
外源物引起机体某项生物效应发生50%改变所需要的剂量。
⑶最小有作用剂量(MEL)
也称中毒阈剂量或中毒阈值,指外源化学物按一定方式或途径与机体接触时,在一定时间内,使某项灵敏的观察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。
⏹MEL确切应称为最低观察到作用剂量(LOEL)或最低观察到有害作用剂量(LOAEL)
⏹LOEL:
观察到任何效应的最低剂量。
⏹LOAEL(Lowest-observed-adverse-effectlevel):
可观察到有害效应的最低剂量。
(3).最大无作用剂量(MNEL)
又称NOEL或称NOAEL,指外源化学物在一定时间内按一定方式或途径与机体接触后,用目前最为灵敏的方法和观察指标,未能观察到任何对机体损害作用的最高剂量。
无可观察效应剂量(No-observed-effectlevel,NOEL):
又称未观察到作用剂量,不能观察到任何效应的最高剂量。
无可观察有害效应剂量(No-observed-adverse-effectlevel,NOAEL):
又称未观察到有害作用的剂量,不能观察到有害效应的最高剂量。
第二节基本原理
一、剂量效应(反应)关系
⏹效应(Effect)与反应(Response)
⏹效应:
一定剂量的外源化学物与机体接触后所引起的生物学变化。
⏹反应:
一定剂量的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,或产生效应的个体在群体中所占的比例。
⏹剂量—效应关系:
描述外源性化学物的剂量水平与所引起的个体或群体的量效应之间的相互关系;
是量反应,变化的程度用剂量单位来表示,如毫克(mg)等。
⏹剂量—反应关系:
描述外源性化学物的剂量水平与所引起的效应发生率之间的相互关系。
是质反应,一般以百分率或比值表示,如死亡率、肿瘤发生率等。
⏹
(一)、剂量-(效应)反应关系理论基础
⏹首先,观察到的反应应该完全来自目标污染物的作用,也就是说,直接的因果关系链只涉及一个变量。
⏹第二,观察到的反应是由目标污染物引起。
⏹第三,正确观察与检测到的反应或效应,包括人类或动物对污染物的反应或效应是可能的。
(二)、剂量—效应(反应)关系的基本类型:
剂量—反应关系可以用曲线表示,即以表示量反应强度的计量单位或表示质反应的百分率为纵坐标、以剂量为横坐标绘制散点图,可得到一条曲线。
常见的剂量—反应曲线有以下几种形式:
1.S形曲线是典型剂量反应曲线,多见于剂量—质反应关系中,分为对称S形曲线和非对称S形曲线两种形式:
(2)非对称S形曲线:
与对称S形曲线比较,该曲线在靠近横坐标左侧的一端曲线由平缓转为陡峭的距离较短,而靠近右侧的一端曲线则伸展较长。
它表示随着剂量增加,反应率的变化呈偏态分布(图2-1)。
无论是对称还是非对称S形曲线,在50%反应率处的斜率最大,剂量与反应率的关系相对恒定。
2、直线
化学物质剂量的变化与反应的改变成正比。
由于在生物体中,反应的产生要受到多种因素的影响,情况十分复杂,故此种曲线少见。
3、抛物线
为一条先陡峭后平缓的曲线,类似于数学中的对数曲线,又称为对数曲线型。
这种曲线只需将剂量换算为对数即可转变为一条直线。
可见于剂量—量反应关系中。
当纵坐标标识单位用概率单位表示时,对称形曲线即转换为直线(图2-2,上图)。
转换而来的直线可以建立数学方程,计算出各剂量对应的反应率及曲线斜率。
LD50、TD50、ED50等只是引起50%反应率发生的一个点剂量,不能全面反映化学物质的毒性特征,而曲线斜率可反映这方面的情况。
如图2-3:
第三章
毒物在环境中的迁移和转化
第一节概述
v毒物的迁移和转化(tansportandtransformation)即指毒物在环境中发生的各种变化过程。
也称为环境行为(environmentalbehavior)或环境转化(environmentalfate)。
v研究毒物在环境中的迁移和转化过程和规律,对阐明生物在环境中接触的是什么毒物,以及接触的时间、途径、浓度、方式和条件等都具有十分重要的毒理学意义,而且对有效防治环境污染和生态破坏,保护和促进生态平衡都是很有必要的。
第二节毒物的迁移
v毒物的迁移是指毒物在环境中发生的空间位置的相对移动过程。
v一、机械性迁移
v如废水、废气、废渣的排放、丢弃、搬运以及各种有毒有害物质在生产和生活中的应用。
v1、气的机械性迁移
v包括自由扩散作用和被气流搬运的作用
影响大气污染物迁移的因素
v2、水的机械性迁移
v包括在水中的自由扩散作用和被水流搬运的作用。
v3、重力的机械迁移作用
v指污染物及其搬运载体在重力作用下的迁移运动。
v如空气、水中颗粒物的沉降
v二、物理-化学性迁移
v是污染物在环境中最基本的迁移过程
v1、风化淋溶作用
v指环境中的水在重力作用下运动时通过水解作用使岩石、矿物中的化学元素溶于水中的过程,其作用的结果是产生游离态的元素离子。
这些游离态离子具有较大的生物活性。
v2、溶解挥发作用
v溶解作用是指一切可溶性污染物污染环境的基本方式。
v3、酸碱作用
v表现为环境pH变化
v如酸雨
v4、络合作用
v5、吸附作用
v吸附作用是发生在固体或液体表面对其他物质的一种吸着现象,也是影响污染物在环境中迁移转化的重要作用力。
如胶体颗粒吸附作用
表面吸附、离子交换吸附和专属吸附等
表面吸附:
物理吸附,由于胶体表面具有巨大的比表面和表面能,因此固液界面存在表面吸附作用。
胶体表面积越大,吸附作用越强。
离子交换吸附:
环境中大部分胶体带负电荷,容易吸附各种阳离子。
胶体每吸附一部分阳离子,同时也放出等量的其他阳离子,这种作用称为离子交换吸附作用,属于物理化学吸附。
该反应是可逆反应,不受温度影响,交换能力与溶质的性质、浓度和吸附剂的性质有关。
专属吸附:
指在吸附过程中,除了化学键作用外,尚有加强的憎水键和范德化力或氢键作用。
该作用不但可以使表面电荷改变符号,还可以使离子化合物吸附在同号电荷的表面上。
v6、氧化还原作用
v涉及减少或增加电子在内的有机污染物以及金属的反应。
v三、生物性迁移
v污染物通过生物体的吸附、吸收、代谢、死亡等过程而发生的迁移叫生物性迁移。
v表现形式:
v1、生物浓缩
v2、生物积累
v生物个体随其生长发育的不同阶段从环境中蓄积某种污染物,而使浓缩系数不断增大的现象。
v生物累积的程度可用生物积累系数表示(biaoaccumulationfactor,BAF)
v3、生物放大
v在生态系统的同一食物链上,某种污染物在生物体内的浓度随着营养级的提高而逐步增大的现象。
v生物放大的结果使食物链上高营养级生物体内污染物的浓度显著超过环境中该污染物的浓度。
v生物放大系数(biomagnificationfactor,BMF)
对于鉴别哪些食物链对哪些污染物具有生物放大的潜力,探讨污染物在环境中的迁移规律,以及确定环境中有关污染物的安全浓度,具有理论和现实意义。
第三节环境污染物的转化
v指污染物在环境中通过物理的、化学的或生物学的作用改变形态或者转变成另一物质的过程。
v一次污染:
由污染源直接排入环境的污染物
v二次污染:
在环境中发生各种反应而转化形成的污染物
v可分为:
物理转化、化学转化和生物转化
v一、物理转化
v指污染物通过蒸腾、渗透、凝聚、吸附,以及放射性元素的蜕变等一种或几种过程实现的转化。
v二、化学转化
v指污染物通过各种化学反应过程发生的转化。
如氧化-还原、水解、配位或螯合、光化学氧化等。
v三、生物过程:
v生物体吸收、生物代谢等。
第四章
动物生态毒理学
第一节
环境污染物在动物体内
的生物转运和生物转化
⏹存在于空气、土壤、水和食物中的各种环境污染物,通过各种途径和方式与有机体接触后,在体内的全过程包括吸收、分布、代谢和排泄。
⏹吸收、分布和排泄,使外来化合物在体内发生位移,统称为生物转运(biotransport)。
⏹通过代谢过程,可使污染物发生化学结构和性质的改变,从而转变成新的衍生物称为生物转化。
⏹以定量的概念研究外来化合物在体内的吸收、分布、代谢和排泄过程的动态变化,称为毒物代谢动力学。
一、动物对环境污染物的吸收、分布和排泄
结构:
由脂质双分子层和蛋白质构成的半透性膜;
⏹一般将生物膜结构描述为流动镶嵌模型。
生物膜主要由脂质和蛋白组成,生物膜表面也含有少量的糖。
生物膜的基本结构是连续排列的脂质双分子层,膜蛋白可以是结构蛋白、受体、酶、载体和离子通道等。
生物膜结构模型(引自Solomonetal.2002)
⏹功能:
◆保持细胞和细胞器内部理化性质的稳定;
◆选择性地允许或不允许某些物质透过,以便吸收和排出一些物质;
◆传递信息;
◆酶类的催化作用。
(二)、毒物通过生物膜的转运方式
Ø
1、被动扩散(简单扩散)
2、滤过
3、特殊转运
4、膜动转运
1、被动转运(简单扩散,Passivetransport):
定义:
生物膜两侧的化学物分子从浓度高的一侧向浓度低的一侧(即顺浓度梯度)扩散。
●驱动力:
浓度梯度
●转运物质:
多数环境化学物
●转运速率(R):
●影响因素:
浓度梯度;
脂溶性脂水分配系数;
化学物质的解离度和体液pH:
2、滤过(Filtration)
定义:
环境化学物透过生物膜上的亲水性孔道的过程。
●驱动力:
流体静压或渗透压;
●转运物质:
分子直径<
膜孔的化学物
●影响因素:
膜孔大小:
一般0.4nm;
M<
100-200的化合物可通过0.4nm孔
肾小球滤过
3、特殊转运
对于某些非脂溶性的、分子量较大的、不能通过被动转运方式转运的环境化学物质。
(1)、主动转运(activetransport)
化学物伴随能量的消耗,利用载体转运以透过生物膜的过程
代谢能量
●特点:
需要有载体;
化学物质可逆浓度梯度转运;
载体具有一定选择性;
载体有一定容量;
相似结构底物可发生竞争性抑制
(2)、易化扩散(Facilitateddiffusion)
非脂溶性化学物,利用载体由高浓度处向低浓度处移动的过程,称为易化扩散,又称帮助扩散或载体扩散。
特点:
需要载体;
不消耗代谢能量。
具有一定的主动性和选择性,但因只能从高浓度处向低浓度处转运,故又属于扩散性质。
(3)、吞噬和胞饮
少数物质与膜上某种蛋白质有特殊亲和力,当其与膜接触后,可改变这部分膜的表面张力,引起膜的外包或内陷而被包围进入膜内,固体物质的这一转运称为吞噬或胞吞,而液态物质的这一转运称为胞饮。
⏹总之,物质以何种方式通过生物膜,主要决定于机体各组织生物膜的特性和物质的结构、理化性质。
⏹物质理化性质包括脂溶性、水溶性、解高度、分子大小等。
被动易化扩散和主动转运,是正常的营养物质及其代谢物通过生物膜的主要方式。
除与前者类似的物质以这样方式通过膜外,大多数物质一放以被动扩散方式通过生物膜。
膜孔过滤和胞吞、胞饮在一些物质通过膜的过程中发挥作用。
(三)、吸收
⏹定义:
环境化学物经各种途径透过机体的生物膜而进入血液的过程称为吸收。
1、消化道吸收(Digestivetract)
(2)、影响消化道吸收的因素
消化道的多种酶类和菌丛:
肠胃道内容物种类数量、排空时间及蠕动状态:
化学物的溶解度和分散度。
2、呼吸道吸收
---吸收大气污染物主要途径
(主要吸收部位---肺泡)
吸收的气态和液态气溶胶污染物质,以被动扩散和滤过方式,分别迅速通过肺泡和毛细血管膜进入血液。
固态气溶胶和粉尘污染物质吸进呼吸道,在气管、支气管及肺泡表面沉积。
3、皮肤吸收
皮肤通透性较弱屏障
亲脂性高的化合物皮肤吸收全身性中毒
皮肤接触的污染物质,以被动扩散相继通过皮肤的表皮及真皮,再滤过真皮中毛细血管的壁膜进入血液。
影响皮肤吸收的因素:
角质层厚度;
化学物分子大小、脂/水分配系数1易吸收;
高温促进皮肤血液和间质液流动;
角质层损伤
动物种类
(四)、分布与储存
1、分布
定义:
吸收进入血液的化学物随体液(血液、淋巴液)的流动分散到各组织中的过程。
影响分布的因素
(1)血流量
(2)外源物与器官的亲和力
浓缩、蓄积器官靶器官或储存库。
(3)血脑屏障(blood-brainbarrier)
对毒物进入中枢神经系统(CNS)起保护作用。
(4)胎盘屏障(Placentalbarrier):
胎盘:
营养物质主动转运;
外源化学物扩散
2、化学物的贮存
进入血液的环境化学物大部分与血浆蛋白或机体内各组织成分结合。
对蓄积器官产生危害的靶组织或靶器官;
对蓄积部位不显示毒害的贮存库。
主要贮存库:
(1)、血浆蛋白
与血浆蛋白的亲和力高的外源物可取代亲和力低的化合物。
(2)、肝和肾:
存在特殊的结合蛋白,对污染物亲和力高于血浆蛋白。
(3)、脂肪组织:
脂
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