生態(tài)毒理學(xué)研究方法.ppt

,生態(tài)毒理學(xué)研究方法,其中一類研究方法： 從復(fù)雜系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)某些環(huán)境要素，研究在此環(huán)境要素條件下，污染物的行為(模擬分析)； 利用自然生態(tài)系研究污染物的變化； 詳細(xì)分析環(huán)境中的樣品，確定污染物定量方法。,毒性的影響因素,生物因素 () 生物分類組別( ) 種屬和個體差異：不同種屬的生物或同一種屬不同個體之間對同一毒物的反應(yīng)差異，原因復(fù)雜，但主體原因是毒物在體內(nèi)代謝差異(包括代謝酶)所致。在進(jìn)行毒性實驗時，應(yīng)盡可能選擇條件一致的生物以減少個體差異造成的影響。 () 年齡階段機(jī)體大小 反應(yīng)靈敏度差異。新生和幼年生物通常對毒物較成年生物敏感。新生生物中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育不完全，對有關(guān)的興奮劑敏感性差，而對抑制劑則較為靈敏。新生生物的膜通透性較強，對某些脂溶性神經(jīng)毒物的毒性反應(yīng)較大。經(jīng)代謝轉(zhuǎn)化后毒性增強的化學(xué)物，對新生和幼年生物毒性較成年低，反之，在體內(nèi)可迅速代謝失活的化學(xué)物，對新生和幼年生物毒性可能較大。 () 營養(yǎng)與健康 營養(yǎng)不足或失調(diào)影響化學(xué)物毒性作用。如蛋白質(zhì)缺乏引起酶蛋白合成減少、活性降低，解毒能力降低，毒性增加。維生素缺乏也有類似情況。健康狀況也有影響。 () 生物節(jié)律 即生物鐘，化學(xué)物的毒性與其進(jìn)入體內(nèi)發(fā)揮作用的時間有關(guān)。,非生物因素 () 溫度(每增加，多數(shù)有毒物的毒性會變化到倍) 影響方式復(fù)雜。適應(yīng)溫度和實驗溫度。,毒性的影響因素,適應(yīng)溫度,耐受溫度,抑制水平 (產(chǎn)卵),負(fù)載水平 (活動生長),致死閾值,致死閾值,最終初始致死溫度,三種毒性終點(死亡、生長、 產(chǎn)卵)下的適應(yīng)溫度和耐受溫 度的關(guān)系。虛線各自內(nèi)部面積 指示耐受區(qū)。,毒性的影響因素,() 和堿度 對毒性的影響是多方面的，在酸性條件下()時，自身對水生生物便是致命的。酸對魚生理影響的集成模型如下圖所示：,() ,鰓,腎,骨骼,: 外細(xì)胞液 : 內(nèi)細(xì)胞液 : 蛋白質(zhì),還能影響痕量金屬的毒性，方式為：()影響水中的金屬形態(tài)；()與金屬競爭生物膜上的表面反應(yīng)位。下圖為天然水中痕量金屬的主要形態(tài)及其轉(zhuǎn)化。,毒性的影響因素,按操作定義的金屬形態(tài),樣品,原始樣品在室溫下風(fēng)干，然后在的烘箱中烘干。用瑪瑙研缽研磨后，過尼龍篩， 篩選一定孔徑的顆粒。取一定量樣品，按下述方法對金屬進(jìn)行化學(xué)逐級提?。?蒸餾水(, , ),液相：水可溶態(tài),固相,(, , , ),固相,液相：離子交換態(tài),(, , , ),固相,固相,固相,液相：碳酸鹽結(jié)合態(tài),液相：中等可還原態(tài),液相：有機(jī)硫化物結(jié)合態(tài), (在中, , , ),液相：殘渣態(tài),(, , , ),濃 (, ),方程式,對于弱酸 ()()() ()()() () ()() () ()() ()(),對于弱堿 ()()() ()()() () ()() () ()() ()(),解離常數(shù)與弱酸和弱堿的關(guān)系 污染物處于變化的水介質(zhì)中，其吸收進(jìn)入機(jī)體內(nèi)在相當(dāng)程度上受影響， 即在腸胃消化道內(nèi)的酸堿反應(yīng)。,由上述關(guān)系，影響弱酸和弱堿的水溶解度。此外，還能影響親脂金屬形態(tài) 的生物有效性，不經(jīng)形成表面絡(luò)合物而穿過細(xì)胞膜。,() 鹽度 主要應(yīng)用于鹽度變化明顯得海灣地區(qū)。對大多數(shù)金屬而言，低鹽度會增加毒性。鹽度對金屬生物有效性的影響主要與其形態(tài)有關(guān)。 () 硬度 硬度的主要成份是二價鈣離子和鎂離子。美國環(huán)保局定義硬度通常以等價值。 () 化學(xué)混合物(，等熱輻射測量圖) 一般地，同一化學(xué)分類的化學(xué)物具有相似的毒性?；旌衔锒拘圆⒎鞘呛唵渭雍完P(guān)系。,毒性的影響因素,化學(xué)物,化學(xué)物,直接化學(xué)物相加,協(xié)同增強,無相互作用,無相互作用,聯(lián)合毒性行為 (中間加和響應(yīng)),拮抗作用,有毒混合物模型：條目定義 化學(xué)物：小時 化學(xué)物：小時 兩者分別按和加入,小時死亡描述,定義,死亡,死亡,死亡 () 倍數(shù)比例增加 () 低于情形() () 高于情形(),無相互作用，各自反應(yīng),拮抗作用，混合低于各自,相加,直接相加,低于加和,增強作用,() 溶解有機(jī)碳() 溶解有機(jī)分子，分子量跨度從低于高至以上。作為金屬離子的絡(luò)合劑。 () 脂水分配系數(shù)(化合物的毒性除與其在脂水相的相對溶解度有關(guān)，還與其體液絕對溶解度有關(guān)) () 電離度(弱酸或弱堿型有機(jī)物在體內(nèi)條件下，電離度低，非離子行比例高，容易被吸收發(fā)揮毒性) () 揮發(fā)度和蒸氣壓(暴露接觸的機(jī)率) () 分散度(粉塵、煙霧等固態(tài)物質(zhì)毒性與分散度即顆粒粒徑大小有關(guān)) () 純度(雜質(zhì)：剩余原料、合成副產(chǎn)品、添加劑、賦形劑) () 濕度(伴隨高溫時，化學(xué)物經(jīng)皮膚吸收速率加快) () 氣壓 顆粒物的作用：食物的重要性 氣態(tài)污染物除去呼吸吸入和氣孔表皮進(jìn)入植物外，還有兩條基本進(jìn)入途徑：以溶解態(tài)形式直接通過生物膜傳輸；攝取污染顆粒物質(zhì)(僅對異養(yǎng)生物)。 有機(jī)污染物孔隙水相和沉積物相之間分配：，分別為有機(jī)相分配系數(shù)和沉積物有機(jī)碳分?jǐn)?shù)。沉積物水，土壤水分配系數(shù)可以由辛醇水分配系數(shù)近似： 。,毒性的影響因素,沉積環(huán)境中影響化學(xué)物生物有效性的許多重要過程受沉積物氧化還原條件影響。其中，常處于厭氧環(huán)境的沉積物中硫化物對金屬的作用很大。酸可揮發(fā)性硫化物( , )與酸化過程中同步提取金屬含量的關(guān)系是重要的描述沉積物中金屬生物有效性的指標(biāo)。比率形式：；差減形式：。但具體情況尚需具體分析，可能有其它因素控制毒性發(fā)揮作用。同時，方法比較依賴沉積物孔隙水作為控制金屬生物有效性的因子，沒有考慮底棲生物的攝食習(xí)慣和行為，如攝取顆粒物。 定量結(jié)構(gòu)與活性的關(guān)系( , ) 有助于通過比較預(yù)測新化合物的生物活性、作用機(jī)理和安全限量范圍。目前正處于發(fā)展階段。，()，()。 前提假設(shè)：某一化合物的子結(jié)構(gòu)均會對整體性質(zhì)作出貢獻(xiàn)，類似的化合物應(yīng)對靶標(biāo)具有相似的作用模式?，F(xiàn)階段通常采用簡單或多元回歸方程式： ； 有關(guān)的因素： () 同系物的碳原子數(shù)； () 烴基：分子結(jié)構(gòu)引入烴基，脂溶性增加，易于通過細(xì)胞膜，毒性增強，但烴基結(jié)構(gòu)可增加毒物分子的空間位置阻礙效應(yīng)，從而使毒性降低。 () 分子飽和度：分子中不飽和鍵增加是化學(xué)物活性增加，毒性加強。,毒性的影響因素,() 鹵素取代：鹵族元素通常有較強的吸引電子能力，引入鹵素原子使電負(fù)性增加，易于與酶系統(tǒng)結(jié)合，毒性增強。 () 羥基：引入羥基分子極性增強，毒性增加，如苯中引入羥基變?yōu)楸椒印?() 酸基和酯基：酸基(羧基和磺酸基)引入使水溶性和電離性增加，脂溶性降低，難以轉(zhuǎn)運和吸收，毒性降低。但酸基經(jīng)酯化后，效果相反。 () 胺基：胺具堿性，易于蛋白和核酸的酸性基團(tuán)、酶反應(yīng)。 () 構(gòu)型 (同分異構(gòu)體；旋光異構(gòu)體)：一般對位鄰位間位，但也有例外。由于受體和或酶一般只能與一種旋光異構(gòu)體結(jié)合，產(chǎn)生生物效應(yīng)，化學(xué)旋光異構(gòu)體之間的毒性不同。 () 有機(jī)磷化合物：主要指五價磷有機(jī)殺蟲劑。 接觸條件 () 接觸途徑：接觸途徑不同，則吸收、分布不同，其代謝轉(zhuǎn)化、毒性反應(yīng)的性質(zhì)和程度也不同。 () 溶劑和助溶劑：不同溶劑和助溶劑可加速或減緩毒物吸收、排泄，從而影響其毒性。 () 毒物濃度和容積：稀釋作用情況不一致，有的濃溶液毒性強，有的則稀釋后反而強。 () 交叉接觸：不同暴露途徑交叉作用。,毒性的影響因素,情形,情形,情形,生態(tài)毒理學(xué)應(yīng)包含各種組織水平上的研究,不同類型生物組織水平之間的關(guān)系,“嵌套形式”，細(xì)胞效應(yīng)即簡單地意味著所有生物水平的效應(yīng)。,情形和中的豎條紋區(qū)域代表不確定性 ()。,低級生物響應(yīng)(如酶活性或免疫響應(yīng)的改變)可能代表從健康反應(yīng)直至壓迫()的廣譜范圍。因此，難以確定這種響應(yīng)和有機(jī)體適應(yīng)性的定量關(guān)系。從個體水平響應(yīng)結(jié)果外推至種群或群落水平屬于另一類問題(如情形)。,生態(tài)毒理學(xué)方法學(xué)方法,生態(tài)毒理學(xué)研究的特點 () 研究目標(biāo)：保護(hù)多物種的種群和群落免受造成現(xiàn)實或潛在危害有毒物濃度的暴露。 () 關(guān)注物種：受控于直接實驗法的需要。 () 鑒定不窮盡性：無法鑒別所有關(guān)心的受試物種。因此，結(jié)果外推程度不確定。有機(jī)體在生態(tài)系統(tǒng)中的反應(yīng)與實驗室內(nèi)受控條件下的結(jié)果可能不一致。 () 受試有機(jī)體：尤其指水生生物，生活在多變的環(huán)境中，體溫隨環(huán)境溫度改變，有些與溫度有關(guān)的毒性預(yù)測性較差。外部或暴露劑量及暴露時間直接從測定結(jié)果獲得。 () 毒性作用機(jī)理和結(jié)構(gòu)活性關(guān)系：偏重于基礎(chǔ)研究，重點在于測定效應(yīng)和臨界(閾值)濃度。 () 常用檢測方法：通常較新，有些已標(biāo)準(zhǔn)化，但對于生態(tài)系統(tǒng)層次的有效性尚未確定。 在介紹、討論和評價各種方法的理論和實踐意義時，經(jīng)常涉及生物指示物、標(biāo)記物，生態(tài)指示物和模型。,生物指示物的一般概念和原理 生物指示物可被視為了解一種條件和狀態(tài)的手段。利用生物指示物所依托的一般原理在于有機(jī)體對生態(tài)環(huán)境特定條件或特定條件變化的產(chǎn)生響應(yīng)，而且生物響應(yīng)可加以測定。 生態(tài)指示物是指示生態(tài)系統(tǒng)條件狀態(tài)的生物響應(yīng)，但不一定是生態(tài)系統(tǒng)水平上的一種測度。 例如湖水中葉綠素濃度是仲夏浮游植物群落的一種生物測度，并用于有關(guān)磷濃度的湖泊生態(tài)系統(tǒng)整體狀態(tài)的指示物。高濃度磷會導(dǎo)致富營養(yǎng)化，引起湖泊中多種營養(yǎng)水平的響應(yīng)。評價富營養(yǎng)化程度，盡管可選用磷濃度或一些魚的種群和群落參數(shù)，但對于常規(guī)評價，葉綠素測定是可靠且相對簡單的指示物。 理想的生物指示物條件：生物響應(yīng)可以定量化；專用于擾動；在實驗室和現(xiàn)實環(huán)境中均可進(jìn)行觀察；對系統(tǒng)整體功能有重復(fù)性和可靠性。 區(qū)分兩種生物響應(yīng)： () 達(dá)到某一實驗終點； () 某一化學(xué)物質(zhì)在組織中積累。 生物指示物和生物監(jiān)視器的定義：推薦將生物指示物用于所有類型的響應(yīng)，從亞細(xì)胞至系統(tǒng)，而不是物質(zhì)累積。而生物監(jiān)視器則主要針對機(jī)體累積類型。 兩者的性質(zhì)比較(參見下述表格),生物指示物和生物監(jiān)視器性質(zhì)比較,對潛在有毒物的耐受性和抵抗性 () 耐受性：指一種經(jīng)受暴露于非正常高濃度物質(zhì)(元素或化合物)的能力，這些物質(zhì)能導(dǎo)致負(fù)面生物效應(yīng)且能不確定地加以維持。 最常提及的例子出現(xiàn)在物種的內(nèi)部，給定物種的生態(tài)類型或種系表現(xiàn)出一種經(jīng)受給定污染物濃度的能力，該濃度對原始種系明確有害。 () 耐受機(jī)理 . 阻止有毒物的吸收； . 吸收然后將污染物存放于與機(jī)體相隔離的結(jié)構(gòu)中(如結(jié)石，特殊的包裹物和液泡)或者以非生物活性形式存放； . 內(nèi)部或外部降解化學(xué)物成為較少危害的物質(zhì)； . 吸收然后通過細(xì)胞的排泄而排除； . 回避(僅對可運動的生物)。,生物尺度問題 () 生化標(biāo)記物指示物的原理和性質(zhì) 生化指示物的特征： () 在較大的有機(jī)體范圍內(nèi)能觀察到特定的生化響應(yīng)； ()響應(yīng)專用于特定污染物或污染物族； ()實驗室結(jié)果應(yīng)與野外響應(yīng)有關(guān)； ()生化響應(yīng)與功能降低或削弱相關(guān)或有關(guān)聯(lián)。 對于第()點存在爭議：觀察到的生化和生理參數(shù)體現(xiàn)病理學(xué)條件的程度，病理學(xué)條件調(diào)和有機(jī)體整體適應(yīng)性。 現(xiàn)有幾種方法以澄清這種理解上的爭議： ()野外采集物種的生化標(biāo)記物已經(jīng)與暴露于實驗室條件下特定化學(xué)物或化學(xué)物組； ()沿污染梯度的不同樣點測定采集的生化標(biāo)記物； () 證據(jù)權(quán)重策略得到不同生化標(biāo)記物相關(guān)性的支持。 () 常用的生化標(biāo)記物組 酶；單(加)氧酶(混合功能氧化物酶)；階段結(jié)合酶(谷胱甘肽轉(zhuǎn)運酶)；損傷和修復(fù)生物標(biāo)記物；金屬巰基組氨酸三甲基內(nèi)鹽；受迫蛋白；免疫功能；組織病理學(xué)；生長域范圍()。,常用生化標(biāo)記物的樣例,常用生化標(biāo)記物的樣例(續(xù)),() 獨立物種作為指示物(參見表格)或監(jiān)視器(參見表格)； () 生態(tài)系統(tǒng)指示物的替代物 至少須滿足三個基準(zhǔn)條件用以限定物種作為替代物種： . 必須是其所參與食物網(wǎng)的強大的累積者； . 必須是所在系統(tǒng)中數(shù)量豐富且分布廣泛； . 必須是易于識別且生態(tài)相關(guān)。 可指示環(huán)境壓迫的群落水平響應(yīng)： . 生物體平均大小降低； . 生物量降低()； . 特有種被普通種代替； . 物種豐度降低(物種數(shù)目)； . 群落組成改變(相對豐度)； . 某些物種生殖損害； . 食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和長度改變； . 捕食者數(shù)目減少，被捕食者數(shù)目增加。,陸生指示物種的樣例,水生指示物種的樣例,用于環(huán)境監(jiān)測的陸生物種樣例,用于環(huán)境監(jiān)測的陸生物種樣例(續(xù)),用于環(huán)境監(jiān)測的水生物種樣例,生態(tài)毒理學(xué)方法學(xué)方法,群落和更高層次的指示物：毒理學(xué)中的生態(tài)方法 () 有毒物質(zhì)的物種間效應(yīng) () 受有毒物影響的營養(yǎng)水平層次之間的相互作用 () 種群和群落響應(yīng)終點 模型 () 概念 () 質(zhì)量平衡模型 兩個原則，涉及的過程(平衡分配，降解反應(yīng)，傳輸過程)； 環(huán)境介質(zhì)特性：大氣，氣溶膠，水，懸浮沉積物，水生生物，底泥，土壤，陸生生物； 分解過程和逸度； 穩(wěn)態(tài)質(zhì)量平衡模型；