生態(tài)毒理學研究方法.ppt

,生態(tài)毒理學研究方法,其中一類研究方法： 從復雜系統(tǒng)中發(fā)現某些環(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差異，原因復雜，但主體原因是毒物在體內代謝差異(包括代謝酶)所致。在進行毒性實驗時，應盡可能選擇條件一致的生物以減少個體差異造成的影響。 () 年齡階段機體大小 反應靈敏度差異。新生和幼年生物通常對毒物較成年生物敏感。新生生物中樞神經系統(tǒng)發(fā)育不完全，對有關的興奮劑敏感性差，而對抑制劑則較為靈敏。新生生物的膜通透性較強，對某些脂溶性神經毒物的毒性反應較大。經代謝轉化后毒性增強的化學物，對新生和幼年生物毒性較成年低，反之，在體內可迅速代謝失活的化學物，對新生和幼年生物毒性可能較大。 () 營養(yǎng)與健康 營養(yǎng)不足或失調影響化學物毒性作用。如蛋白質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，化學物的毒性與其進入體內發(fā)揮作用的時間有關。,非生物因素 () 溫度(每增加，多數有毒物的毒性會變化到倍) 影響方式復雜。適應溫度和實驗溫度。,毒性的影響因素,適應溫度,耐受溫度,抑制水平 (產卵),負載水平 (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、 產卵)下的適應溫度和耐受溫 度的關系。虛線各自內部面積 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,: 外細胞液 : 內細胞液 : 蛋白質,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位。下圖為天然水中痕量金屬的主要形態(tài)及其轉化。,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行化學逐級提?。?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：碳酸鹽結合態(tài),液相：中等可還原態(tài),液相：有機硫化物結合態(tài), (在中, , , ),液相：殘渣態(tài),(, , , ),濃 (, ),方程式,對于弱酸 ()()() ()()() () ()() () ()() ()(),對于弱堿 ()()() ()()() () ()() () ()() ()(),解離常數與弱酸和弱堿的關系 污染物處于變化的水介質中，其吸收進入機體內在相當程度上受影響， 即在腸胃消化道內的酸堿反應。,由上述關系，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，不經形成表面絡合物而穿過細胞膜。,() 鹽度 主要應用于鹽度變化明顯得海灣地區(qū)。對大多數金屬而言，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。 () 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。 () 化學混合物(，等熱輻射測量圖) 一般地，同一化學分類的化學物具有相似的毒性。混合物毒性并非是簡單加和關系。,毒性的影響因素,化學物,化學物,直接化學物相加,協同增強,無相互作用,無相互作用,聯合毒性行為 (中間加和響應),拮抗作用,有毒混合物模型：條目定義 化學物：小時 化學物：小時 兩者分別按和加入,小時死亡描述,定義,死亡,死亡,死亡 () 倍數比例增加 () 低于情形() () 高于情形(),無相互作用，各自反應,拮抗作用，混合低于各自,相加,直接相加,低于加和,增強作用,() 溶解有機碳() 溶解有機分子，分子量跨度從低于高至以上。作為金屬離子的絡合劑。 () 脂水分配系數(化合物的毒性除與其在脂水相的相對溶解度有關，還與其體液絕對溶解度有關) () 電離度(弱酸或弱堿型有機物在體內條件下，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(暴露接觸的機率) () 分散度(粉塵、煙霧等固態(tài)物質毒性與分散度即顆粒粒徑大小有關) () 純度(雜質：剩余原料、合成副產品、添加劑、賦形劑) () 濕度(伴隨高溫時，化學物經皮膚吸收速率加快) () 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入植物外，還有兩條基本進入途徑：以溶解態(tài)形式直接通過生物膜傳輸；攝取污染顆粒物質(僅對異養(yǎng)生物)。 有機污染物孔隙水相和沉積物相之間分配：，分別為有機相分配系數和沉積物有機碳分數。沉積物水，土壤水分配系數可以由辛醇水分配系數近似： 。,毒性的影響因素,沉積環(huán)境中影響化學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系是重要的描述沉積物中金屬生物有效性的指標。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慣和行為，如攝取顆粒物。 定量結構與活性的關系( , ) 有助于通過比較預測新化合物的生物活性、作用機理和安全限量范圍。目前正處于發(fā)展階段。，()，()。 前提假設：某一化合物的子結構均會對整體性質作出貢獻，類似的化合物應對靶標具有相似的作用模式?，F階段通常采用簡單或多元回歸方程式： ； 有關的因素： () 同系物的碳原子數； () 烴基：分子結構引入烴基，脂溶性增加，易于通過細胞膜，毒性增強，但烴基結構可增加毒物分子的空間位置阻礙效應，從而使毒性降低。 () 分子飽和度：分子中不飽和鍵增加是化學物活性增加，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性增加，易于與酶系統(tǒng)結合，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，難以轉運和吸收，毒性降低。但酸基經酯化后，效果相反。 () 胺基：胺具堿性，易于蛋白和核酸的酸性基團、酶反應。 () 構型 (同分異構體；旋光異構體)：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體結合，產生生物效應，化學旋光異構體之間的毒性不同。 () 有機磷化合物：主要指五價磷有機殺蟲劑。 接觸條件 () 接觸途徑：接觸途徑不同，則吸收、分布不同，其代謝轉化、毒性反應的性質和程度也不同。 () 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)毒理學應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系,“嵌套形式”，細胞效應即簡單地意味著所有生物水平的效應。,情形和中的豎條紋區(qū)域代表不確定性 ()。,低級生物響應(如酶活性或免疫響應的改變)可能代表從健康反應直至壓迫()的廣譜范圍。因此，難以確定這種響應和有機體適應性的定量關系。從個體水平響應結果外推至種群或群落水平屬于另一類問題(如情形)。,生態(tài)毒理學方法學方法,生態(tài)毒理學研究的特點 () 研究目標：保護多物種的種群和群落免受造成現實或潛在危害有毒物濃度的暴露。 () 關注物種：受控于直接實驗法的需要。 () 鑒定不窮盡性：無法鑒別所有關心的受試物種。因此，結果外推程度不確定。有機體在生態(tài)系統(tǒng)中的反應與實驗室內受控條件下的結果可能不一致。 () 受試有機體：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，有些與溫度有關的毒性預測性較差。外部或暴露劑量及暴露時間直接從測定結果獲得。 () 毒性作用機理和結構活性關系：偏重于基礎研究，重點在于測定效應和臨界(閾值)濃度。 () 常用檢測方法：通常較新，有些已標準化，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，經常涉及生物指示物、標記物，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體對生態(tài)環(huán)境特定條件或特定條件變化的產生響應，而且生物響應可加以測定。 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，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。高濃度磷會導致富營養(yǎng)化，引起湖泊中多種營養(yǎng)水平的響應。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，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：生物響應可以定量化；專用于擾動；在實驗室和現實環(huán)境中均可進行觀察；對系統(tǒng)整體功能有重復性和可靠性。 區(qū)分兩種生物響應： () 達到某一實驗終點； () 某一化學物質在組織中積累。 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，從亞細胞至系統(tǒng)，而不是物質累積。而生物監(jiān)視器則主要針對機體累積類型。 兩者的性質比較(參見下述表格),生物指示物和生物監(jiān)視器性質比較,對潛在有毒物的耐受性和抵抗性 () 耐受性：指一種經受暴露于非正常高濃度物質(元素或化合物)的能力，這些物質能導致負面生物效應且能不確定地加以維持。 最常提及的例子出現在物種的內部，給定物種的生態(tài)類型或種系表現出一種經受給定污染物濃度的能力，該濃度對原始種系明確有害。 () 耐受機理 . 阻止有毒物的吸收； . 吸收然后將污染物存放于與機體相隔離的結構中(如結石，特殊的包裹物和液泡)或者以非生物活性形式存放； . 內部或外部降解化學物成為較少危害的物質； . 吸收然后通過細胞的排泄而排除； . 回避(僅對可運動的生物)。,生物尺度問題 () 生化標記物指示物的原理和性質 生化指示物的特征： () 在較大的有機體范圍內能觀察到特定的生化響應； ()響應專用于特定污染物或污染物族； ()實驗室結果應與野外響應有關； ()生化響應與功能降低或削弱相關或有關聯。 對于第()點存在爭議：觀察到的生化和生理參數體現病理學條件的程度，病理學條件調和有機體整體適應性。 現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記物已經與暴露于實驗室條件下特定化學物或化學物組； ()沿污染梯度的不同樣點測定采集的生化標記物； () 證據權重策略得到不同生化標記物相關性的支持。 () 常用的生化標記物組 酶；單(加)氧酶(混合功能氧化物酶)；階段結合酶(谷胱甘肽轉運酶)；損傷和修復生物標記物；金屬巰基組氨酸三甲基內鹽；受迫蛋白；免疫功能；組織病理學；生長域范圍()。,常用生化標記物的樣例,常用生化標記物的樣例(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條件用以限定物種作為替代物種： . 必須是其所參與食物網的強大的累積者； . 必須是所在系統(tǒng)中數量豐富且分布廣泛； . 必須是易于識別且生態(tài)相關。 可指示環(huán)境壓迫的群落水平響應： . 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(物種數目)； . 群落組成改變(相對豐度)； . 某些物種生殖損害； . 食物網結構和長度改變； . 捕食者數目減少，被捕食者數目增加。,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)毒理學方法學方法,群落和更高層次的指示物：毒理學中的生態(tài)方法 () 有毒物質的物種間效應 () 受有毒物影響的營養(yǎng)水平層次之間的相互作用 () 種群和群落響應終點 模型 () 概念 () 質量平衡模型 兩個原則，涉及的過程(平衡分配，降解反應，傳輸過程)； 環(huán)境介質特性：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)質量平衡模型；