生态毒理学研究方法.pptx

,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,生化指示物特征：,(i),在较大有机体范围内能观察到特定生化响应；,(ii),响应专用于特定污染物或污染物族；,(iii),试验室结果应与野外响应相关；,(iv),生化响应与功效降低或减弱相关或相关联。,对于第,(iv),点存在争议：观察到生化和生理参数表达病理学条件程度，病理学条件调和有机体整体适应性。,现有几个方法以澄清这种了解上争议：,(a),野外采集物种生化标识物已经与暴露于试验室条件下特定化学物或化学物组；,(b),沿污染梯度不一样点测定采集生化标识物；,(c),证据权重策略得到不一样生化标识物相关性支持。,(2),常见生化标识物组,酶；单,(,加,),氧酶,(,混合功效氧化物酶,),；阶段,II,结合酶,(glutathione,谷胱甘肽转运酶,),；,DNA,损伤和修复生物标识物；金属巯基组氨酸三甲基内盐；受迫蛋白；免疫功效；组织病理学；生长域范围,(scope),。,生态毒理学研究方法,第17页,常见生化标识物样例,刺激物,响应,专一性,有机体健康关联,光化学氧化物，酸性沉降，过氧化物,生成抗氧化酶或非酶抗氧化物,无,经过膜受体混乱生成自由基，混和功效氧化物活性受酶和非酶控制。过分自由基产生损害DNA，膜脂，和蛋白；压制自由基产生会抑制免疫响应,氯化烃和芳香烃,(PAHs),产生细胞色素,P450,，单,(,加,),氧酶,有,氧化有机物，并转为更多极化(易溶)形式。引发致癌中间体,痕量金属，有机化学物,阶段,II,结合酶,无,增加异体化合物溶解度和去除速率,铅,氨基果糖酸脱水酶,有,改变氨基果糖酸脱水酶活性，干扰铁,/,细胞色素代谢,有机磷酸盐，氨基甲酸盐，合成除虫菊酯杀虫剂,经过攻击酶上羟基抑制乙酰胆碱酯酶活性,有,神经传导元过分兴奋，神经肌肉功效损失,生态毒理学研究方法,第18页,刺激物,响应,专一性,有机体健康关联,一些B族和边界金属(Ag,Cd,Cu,Hg,Zn),金属硫因合成,有限,控制组织中金属分布(去毒功效)，去除自由基,物理和化学扰动(如盐度、渗透压改变、冷热冲击等),合成受迫蛋白，或称热冲击蛋白,无,包括细胞修复,金属，有机物,改变免疫功效。巨噬细胞活性,无,因暴露于先前刺激，巨噬细胞活性受损,PAHs,PCBs,组织病理学。上皮组织肿瘤，肾脏损害,无,组织损害来自与污染物直接接触,乙炔基雌二醇,烷基酚,有机氯杀虫剂,PCBs,邻苯二甲酸酯,/,盐,破坏生殖内分泌系统,无,老鼠雌性生殖区增殖。非天然生成卵黄蛋白原,常见生化标识物样例,(,续,),生态毒理学研究方法,第19页,(3),独立物种作为指示物,(,参见表格,),或监视器,(,参见表格,),；,(4),生态系统指示物替换物,最少须满足,三个基准条件,用以限定物种作为替换物种：,a.,必须是其所参加食物网强大累积者；,b.,必须是所在系统中数量丰富且分布广泛；,c.,必须是易于识别且生态相关。,可指示环境压迫,群落水平响应,：,a.,生物体平均大小降低；,b.,生物量降低,(biomass),；,c.,特有种被普通种代替；,d.,物种丰度降低,(,物种数目,),；,e.,群落组成改变,(,相对丰度,),；,f.,一些物种生殖损害；,g.,食物网结构和长度改变；,h.,捕食者数目降低，被捕食者数目增加。,生态毒理学研究方法,第20页,陆生指示物种样例,陆生指示物,物种,混乱,响应,应用,陆生香草,基质中放射活性,基因突变造成花朵颜色改变,放射性矿物调查诊疗,地衣、苔藓,附生植物群落,SO,2,群落改变：物种出现或消失,基于地衣群落指数规划SO2污染带百分比,地衣、苔藓,附生植物群落，设计14种，移植在树皮片上,SO,2,内外扁平体状态改变,地衣扁平体伤害程度与,SO,2,平均浓度相关性,地衣、苔藓,附生植物群落，12种,SO,2,分布模式，靠近源，物种数少，随距离增加,提供快速评价方法和确定长距离点源污染,地衣、苔藓花,对SO2耐受程度不一样物种,SO,2,树上附生物种组成,污染敏感物种重新出现提醒空气质量改进,人工基质上地衣、苔藓,SO,2,伴随大气污染削减，物种重新入侵,响应慢，除,SO,2,外，可能存在其它影响参数,捕食鸟类,有机氯污染,(PCB,DDE),蛋壳变薄，卵营养不良,食物链效应评价；污染源迁移恢复评价,生态毒理学研究方法,第21页,水生指示物种样例,指示物,物种,混乱,响应,应用,蜉蝣类幼体,湖泊酸化,低,pH,条件下物种消失,低碱度湖：酸化早期预警,硅藻,多物种种群,湖泊酸化,物种组成和丰度减弱,亲酸或亲碱条件，为重建湖泊化学历史或现实状况，改变条件以计算硅藻推断pH,硅藻,物种范围来自大量湖泊沉积物数据库,基于酸中和容量酸灵敏度，与硫沉积相关,物种组成和丰度,以设置临界SO2负荷效应剂量关系建立硅藻古湖沼模型,蜉蝣类幼体,湖泊营养化状态,中营养条件下优势种,湖水、沉积物质量评价,颤蚓寡毛步骤动物,营养增强,中营养条件下优势种,湖水、沉积物质量评价,白星眼鱼,湖泊营养化状态,中营养条件下优势种,湖水、沉积物质量评价,片脚类动物,湖泊营养化状态,贫营养条件下优势种,湖水、沉积物质量评价,湖鲑鱼,湖泊营养化状态,贫营养条件下优势鱼种,湖水、沉积物质量评价,蚤,湖泊营养化状态,富营养条件下优势种,生态毒理学研究方法,第22页,用于环境监测陆生物种样例,监视器,物种,混乱,参数测定,应用,苔藓,羽状苔藓,大气污染,苔藓组织中金属浓度,评价北极大气污染起源,苔藓,羽状苔藓,无机污染，大气沉降，当地或传输,金属、类金属元素,时空监测气生污染物，长距离传送通常与湿性沉降相关,苔藓,羽状苔藓,PCBs,大气沉降,PCBs,同系物浓度范围,在监测时段内，指示,PCB,总浓度降低,苔藓,羽状苔藓、沼泽苔藓、附生植物苔藓,天然生长苔藓评价作为金属沉降监视,关注极地地域苔藓中金属含量,利用苔藓作为重金属大气沉降监测器，注意苔藓数据经沉降数据校正，评价非大气污染源贡献,地衣苔藓,大气沉降中污染,地衣吸收大气沉降过程：颗粒捕捉、离子交换、被动和主动吸收,不一样尺度监测大气沉降。考虑种间差异,地衣苔藓,硫和铅在加拿大东部沉积,测定不一样地域地衣中浓度,显著差异表明散发和沉降速率差异,生态毒理学研究方法,第23页,鲱鸥,鸥卵,跟踪污染时序，浓度降低检验恢复,卵中污染物浓度,环境中各种起源异体有机污染物，可能进入人类食物链，有机氯农药和,PCB,点源污染时间统计，或气生污染长距离迁移，重现污染历史场景,测定各年轮中金属含量，代表当初暴露于金属环境,大气金属沉降，土壤痕量元素污染,枫糖,树轮年生长,铀浓度远低于,10,年前。除矿区附近，非矿渣附近地衣扁平体中铀和钍浓度也较高,包含铀在内各种金属浓度,靠近铀矿痕量金属模式,地衣,利用铅同位素比率进行起源判定,地衣、高等植被、湖泊沉积物中铅同位素组成,(,206,Pb,207,Pb,208,Pb),北方森林铅污染,附生植物苔藓,地衣,应用,参数测定,混乱,物种,监视器,用于环境监测陆生物种样例,(,续,),生态毒理学研究方法,第24页,用于环境监测水生物种样例,营养化水体中成功金属监视器,根和漂浮植物芽中金属浓度,营养水体中营养物和金属污染,水葫芦,水生漂浮植物,从水中富集金属及有机物,大型蚤,机体组织浓度对比时空改变,淡水沉积物金属污染点源释放,斑马贻贝,淡水双壳类,不一样站点对比,测定土生和外来动物体内浓度，与参考或清洁点对比,水和沉积物无机、有机污染,蛤,淡水双壳类,评价河口金属归趋、效应，在一较宽盐度范围内，金属区域分布,在较宽盐度范围内生物及沉积物金属浓度,各种起源金属进入河口,过滤摄食海洋,双壳类,海洋双壳类,贻贝观察，跟踪海洋沉积物污染，指示海产污染水平,各种组织浓度，从水、沉积物和食物累积,工业和市政起源海洋沉积物污染，当地和长距离传输,贻贝,海洋双壳类,应用,参数测定,混乱,物种,监视器,水生大型植物,谷精草,湖泊水和沉积物,金属污染,锌、铬生物富集,各种淡水植物,评价，沉积物,锌是植物锌,最正确指示物,生态毒理学研究方法,第25页,生态毒理学方法学方法,群落和更高层次指示物：毒理学中生态方法,(1),有毒物质物种间效应,(2),受有毒物影响营养水平,/,层次之间相互作用,(3),种群和群落响应终点,模型,(1),概念,(2),质量平衡模型,两个标准,，包括过程,(,平衡分配，降解反应，传输过程,),；,环境介质特征,：大气，气溶胶，水，悬浮沉积物，水生生物，底泥，土壤，陆生生物；,分解过程和逸度,；,稳态质量平衡模型,；,鱼化学物吸收,/,去除模式,；,效应模型化,(QSAR),。,生态毒理学研究方法,第26页,