生态毒理学1 (2)

第二章基本概念与基础理论

第一节基本概念

第二节基本原理

第三节联合效应广义理论

第一节基本概念

一、毒物暴露与不良效应

所谓毒物暴露，是指所涉及的环境毒物的数量或浓度以及与处于风险中的生物机体相互作用时间的函数。

对毒性很强烈的污染物，可忍受的暴露水平应该接近零。在决定什么是可耐受的暴露水平时，主要的问题在于首先决定什么是有害的或不良的效应。

不良效应是指随着对环境毒物或潜在有毒物质的暴露而产生异常的、令人不快的或有害的生物学变化。

极限不良效应或最大不良效应为死亡，而最低不良效应或许包括食物消费量的改变、体重或生物量和各器官重量的改变、可见的病理变化、体内酶组成的变化等。

在免疫反应中，由于生物体能够产生超敏性或过敏作用，致使当它首次暴露于环境毒物时只可能产生非不良效应，但是，这种过敏作用，却促使生物体对再次污染暴露产生不良反应。

二、生物毒性与生态毒性

生物毒性指生物体由于毒物的作用在毒理学上产生不良症状的程度或状况，属于毒理学中的—个基本概念。

生态毒性是指生态系统由于污染物质的作用产生不良效应的程度，属于生态效应的一种表现形式。

不同的生物或不同的生态系统，暴露于环境毒物或污染物的持续时间和部位不同，其毒性差异很大。具体可分为：

1) 急性毒性：在极短的时间内，通常小于24h内，毒性突然发作，中毒症状也立即显示。与急性毒性有关的细胞损伤及其病症，一般是可逆的。生物体能够从其中毒的不良效应恢复过来。

2) 慢性毒性：毒物导致的生物体病症持续时间很长，而且连续，为慢性毒性。其主要特征是产生不可逆的细胞损伤。如果细胞损害及有关的功能损伤非常严重，生物体就会死亡。

3) 局部毒性：指中毒症状仅局限于环境毒物开始暴露的点位。

4) 系统毒性：指不良效应扩散至远离环境毒物开始暴露的点位。就某一生物机体来说，当环境毒物进人生物体血液或淋巴循环系统、就容易扩散到机体全身，引起系统毒性；或者就某一生态系统来说，环境毒物进入水生生态系统或湿地生态系统后，容易随水流的运动进行迁移与扩散，进而引起系统毒性。

5) 即时毒性：当暴露于环境毒物后，不良效应或症状在几分钟甚至几秒钟内就迅速出现。这时，人们就容易发现毒物与病症之间的关系。

6) 延时毒性：在生物体或生态系统中产生毒性需要很长的时间，甚至在环境毒物暴露若干年以后才出现症状。对于延时毒性，建立因果效应关系比较困难。

半数致死剂量与半效应浓度

半数致死剂量是指在设定的试验条件下，当单一污染物暴露于一个种群的生物，而导致其50％的死亡率出现时，在统计学上推导所得的期望剂量。

简单地说，就是当污染物暴露条件下观察到50％试验生物死亡时的剂量，通常用LD50表示。它是衡量存在于生态系统中各种环境毒物毒性大小的重要参数。

对于人群来说，LD50是指通过对哺乳动物实验研究的外推以及对事故性或自杀性毒物暴露人群观察的推论。

半数致死浓度是一个与半数致死剂量相对应的概念，有时采用这一概念代替半数致死剂量。在定量水平上，它是指在生物急性毒性试验中，使受试生物半数死亡的毒物浓度。

由于环境毒物的致死效应与受试生物暴露时间有密切关系，故多用LC50来表示引起生物半数死亡的浓度与暴露时间的乘积，时间(t)一般用分钟表示。

半效应浓度是指在试验系统中或在某一生态系统中50％的试验生物或某一生物种群表现出可观察到的有效反应或不良效应时污染物的剂量，用ED50表示。

其方法是，在试验条件下，对试验生物施加环境毒物等因素，当作用强度达到群体中的半数产生效应(如导致昏迷和发生某一疾病)时，测出环境毒物施加的剂量。

LD50常常被用于环境毒物、污染物或化学品之间毒性的定量比较或分类。采用这一概念对环境毒物或污染物进行分类，通常把环境毒物或污染物分为有害的、有毒的和极毒的3个比较粗泛的类型(表2．1)。

四、最大允许浓度与临界浓度范围

最大允许浓度是指慢性毒性试验中环境毒物对试验生物无影响的最高浓度和有影响的最低浓度之间的阈浓度，有时也称最高容许浓度，

是制定大气、水和土壤环境质量标准的重要依据之一。如水生生物毒性最大允许浓度的测试，是制定渔业水质标准的基础性工作。

临界浓度指毒性试验中观察到的第一个不良反应时污染物的浓度。

临界浓度范围是指生物毒性测试中，某一环境毒物使试验的生物在48h内全部成活的最高浓度和24h内全部死亡的最低浓度之间的范围。

临界限制值指工人每天暴露8h、每周暴露5天，在其一生的工作中不产生不良效应的污染物最大浓度，即最大允许浓度。

五、无作用浓度与安全极限

无作用浓度是指在一定的时间内，生态系统中暴露于环境毒物的生物种群还没有产生不良反应时该污染物的浓度范围，或者说，是指使受试生物能够保持良好状态的环境毒物的浓度。有时，也称非可观察的效应水平，即不足以引起反应的污染物剂量水平。

无作用效应是指动物没有出现中毒症状，目击时器官正常，尿和血液的化验正常。

安全极限是指无效应或最低效应剂量和致死剂量之间的剂量范围，可以用LD50/ED50的比值表示。

非致死效应是其中一个能够反映安全极限的毒理学概念，指的是不至于导致死亡的其他不良效应，如个体变小、叶子变黄、根腐烂、生物量减少或产量减少、生理上不良反应等。安全极限的概念对于生态安全具有重要现实意义。

无损害作用也是一个与安全极限有关的概念，它一般认为无损害作用的特点是不引起生物体形态、生长、发育的改变；所引起的生物学变化是可逆的，当毒物停止接触后，不能检测出生物体维持体内稳定能力的降低；也不能使生物体对其他环境因素不利影响的易感性增强。

六、蓄积毒性与BCF

生物体对一些环境毒物具有富集与积累能力。

生物体或处于同一营养级的不同生物种群，在生命活动的过程中，通过吸收、吸附和吞食作

用，从周围环境浓缩某种有毒元素或难降解有机毒物，使生物体中该环境毒物的浓度超过在环境介质中的浓度，并随着代谢活跃期不同阶段的发展，该有毒元素或难降解有机毒物的浓缩系数有所增加的现象，称为“生物积累作用”或“生物富集效应”。

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，经一定时间后使生物体出现明显的中毒表现，即为蓄积毒性作用(cumulative toxicity action)。

这种蓄积毒性作用，是由于环境毒物或外来化合物进人生物体的速度超过有机体转化和排除的速度，而毒物在生物体内的量不断累积，达到了使生物体引起毒性作用的剂量所致。

环境毒物在体内的蓄积作用过程，表现为两个方面：

环境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，此种量的蓄积称为物质蓄积；

不断进入生物体内的环境毒物，有时用分析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，此种蓄积称为功能蓄积。

上述物质蓄积和功能蓄积的划分，实际上仅为相对的概念，因为随着分析方法灵敏度的提高，推测很可能目前是功能蓄积的毒物，将来也可能发现有物质蓄积。同样，在物质蓄积的情况下，肯定存在生物体一定结构和功能的改变。

BCF，即生物富集系数．也称生物浓缩因子，是指平衡时生物组织(干重)中积累的环境毒物的浓度(Ct)和溶解在环境中的环境毒物的平均浓度(Ce)之比。

也可以认为是生物体对环境毒物的吸收速率与生物体内环境毒物净化速率之比，因而BCF 是一个描述环境毒物在生物体内积累趋势的重要指标。一般地说，BCF在数值上的范围为1.0-1×106

部分植物具有很高的BCF值，这些植物被称为超积累植物。

第二节基本原理

一、环境毒物的剂量-效应关系原理

在一定的暴露时间内，试验生物对环境毒物或污染物的反应或环境毒物对生物体的作用与环境毒物或污染物剂量之间的关系，用相应的数学方程加以描述，即为剂量-效应关系。（一）剂量—效应关系的类型

从理论上讲，剂量可以分为“内剂量”和“外剂量”。

内剂量是指环境毒物及其代谢产物在生物体作用部位的浓度或剂量，通常不易测定；

外剂量是指环境毒物暴露或者给予的剂量，剂量—效应关系中的剂量经常以此进行表示。效应是指环境毒物对生物体的作用而引起的生物学改变，包括量效应和质效应两个方面。量效应是指各种有程度差别的生物学效应，

质效应是指效应的程度没有明显的差别但效应性质不同。

剂量效应关系包括两种基本类型：

定量个体剂量-效应关系，描述不同剂量的环境毒物所引起的生物“个体”的某种生物效应的强度，以及两者之间的依存关系。

在这类剂量—效应关系中，机体对环境毒物不同剂量都有反应，但反应的强弱程度不一，通常是随着环境毒物剂量的增加，毒性效应的程度随之加重。

定性群体剂量—效应关系，反映不同剂量环境毒物引起的某种生物效应，在一个群体(试验动物或植物群落)中的分布情况，即该效应的发生率，实际上是环境毒物的剂量与生物体的质效应之间的关系。研究这类关系时，首先要确定观察终点，通常是以试验动植物的死亡率等“有或无”的生物效应作为观察终点，然后根据群体中每一个体出现观察终点的环境毒物的剂量，确立剂量—效应关系。

(二)剂量—效应关系的理论根据

尽管剂量-效应关系是相当容易建立，但是需要有许多假设：

1)观察到的反应应该完全来自目标污染物的作用。

2)反应的数量维度直接与剂量维度有关。

3)正确观察与测定实验生物对毒物或污染物的反应是可能的。

二、环境毒物的结构-活性相关原理

各种环境毒物的毒性与其结构有密切关系，在一定条件下，环境毒物的化学结构甚至决定毒物在有机体内可能参与和干扰的生理生化过程．因而对决定毒物的毒性大小和毒性作用特点有很大影响。

（一）化学结构功能团与毒性的关系

无机毒物随着相对分子质量的增加，其毒性增强。

有机毒物中的氢原子，被卤族元素取代，其毒性增强，取代的越多，毒性也就越大；

芳香族环境毒物引入羟基后，由于极性增强而使其生物毒性提高。

巯基易与多种金属离子生成硫醇盐，其水溶性较相应的醇化合物低，脂溶性增加，因而比醇更易于渗入生物组织产生毒害效应。

胺基很容易与体内的酶发生作用，因其具碱性，故易与核酸或蛋白质的酸性基团起反应。不同胺基毒性大小为：伯胺>仲胺>叔胺。

当羧基以及磺酸基引入化合物时，可使其水溶性和电离度提高，相对脂溶性降低，难以在体内深入组织，从而降低其生物毒性。但是，当羧基以及碳酸基被酯化后，可使其电离度降低，脂溶性增加，吸收率提高，生物毒性相应增大。

以β-萘胺、4—氨基联苯、2—乙酰氨基芴、3，4—二甲基苯胺为核心结构的芳香胺、芳香酰胺等环境毒物，具有较高致癌效应的风险。

(二)光学异构与生物毒性的关系

生物体内的酶对光学异构体有高度的特异性。当化学物质为不对称分子时，酶只能作用于一种光学异构体。当生物酶与环境毒物作用时，至少必须通过三点结合，才能形成稳定的结合。因此，光学异构体具有明显的毒性差异。

一般地说，左旋异构体对生物机体的作用较大，右旋体往往无作用。

尽管大体上呈这一规律，但也有例外的情形，如左旋和右旋的尼古丁对大鼠的毒性相等。

四、毒理生态动力学原理

生态系统由生产者、消费者、还原者和非生物环境构成。

生产者是指生物成分能利用太阳能等能源将简单无机物合成为复杂有机物的自养生物；

消费者是指靠自养生物或其他生物为食而获得生存能量的异养生物；

还原者亦称分解者，包括细菌、真菌、放线菌和原生动物，它们在生态系统中的重要作用是把复杂的有机物分解为简单的无机物，归还到环境中供生产者重新利用；

非生物环境包括气候因子(如光照、热量、降水、温度、空气等)和营养因子(无机物质、有机物质)以及生物赖以生存的无机介质(土壤和水体)。

生态系统是一开放系统，毒物能够从外界进入生态系统，并在系统内与各组分之间进行各种化学的或生物化学的反应，将会可逆地或不可逆地干扰系统正常的循环规律和生态化学过程，甚至造成细胞的损伤或对系统的破坏。

毒物进入生态系统与各组分的毒性反应，大致可分为暴露阶段、化学动力学和生物动力学3个阶段。

暴露阶段的反应包括了各种毒物彼此之间以及温度、光和湿度等生态因子对其所造成的影响而发生的所有过程，包括化学转化与分解以及微生物生物降解等过程对毒物毒性产生的影响，以及毒物经由皮肤黏膜或呼吸道及胃肠道上皮细胞进入生物体的过程。

毒物化学动力学阶段的反应，也称毒理宏观动力学(toxicokinetics)，包括了毒物被吸收至生

态系统生命组分或生物体、机体体液的运输、组织及器官内的分布及累积、毒物的生物转化与代谢、毒物的排泄以及有机体代谢物的排泄等。

毒理宏观动力学主要研究毒物或污染物与生物体相互作用时与毒物有关的5个依赖时间的过程，

吸收过程：污染物如何进入生物体的过程；

再分布过程：污染物在生物体内如何迁移的过程；

储藏过程：一些组织是如何优先截留污染物的过程；

生物转化过程：生物体中的污染物是如何经过化学的或生物化学变化改变其毒性的过程；排泄过程：如何从生物体内去除污染物的过程。

有了这5个过程的正确理解，才能对毒物是如何产生局部或系统毒性、急性或慢性毒性以及即时或延时毒性作出解释。

毒物生物动力学阶段的反应，也称毒理微观动力学，是指以包含了分子、离子或胶体形式存在的毒性物质与细胞上或细胞内部的特定作用部位(即受体)的交互作用，最后产生毒性效应。

因此，毒理微观动力学主要探索生物体内环境毒物或污染物产生独特细胞效应的机制。

毒物在细胞水平上发挥影响作用，其机制将涉及细胞组分。所包括的毒性作用机制涉及细胞原生质膜、细胞器、细胞核、细胞质、酶系统、生物合成支路、发育与生殖等方面的改变。上述的毒理宏观动力学和毒理微观动力学，可统称为毒理生态动力学。它均是在分子-细胞层面上的作用，能影响这一过程的因素可概括为两大类：①毒物的化学结构及物理化学性质；

②细胞的结构。图2.3形象地描绘了上述两者之间的主要区别。

五、环境毒物的生态适应性原理

（一）回避反应

回避反应最为明显的例子，是在水生生态系统中，一些鱼类经常具有避开水中毒物或污染物，游向非污染清洁区的行为和能力。

检测动物是否具有回避反应的功能，可通过现场回避试验加以诊断。

(二)抗性与耐性

生物抗性是指生物体抵御环境毒物导致不良效应的能力。生物体本身具有的抵御能力，为天然抗性；生物体在经受环境毒物的暴露后、经过一段时间的适应，后天获得的抵御能力，为获得性抗性。

不同类型、不同种类的生物体，对同一环境毒物具有不同的抗性。

生物体还具有其生理生化特性保护机制，避免和减轻环境毒物危害的能力，即耐性，又称为生理学抗性。

(三)耐受指标与半数耐受限度

耐受指标是指生物体能耐受环境毒物的最大限度，或者是环境毒物不危及生物体的最大允许浓度。

一般来说，耐受指标低的敏感植物、动物和微生物可以作为环境污染的指示生物。

半数耐受限度，是指在实验条件下，在急性毒性试验中，使受试植物、动物或微生物在一定时间内，半数存活的毒物浓度。也称平均耐受限度、半数存活浓度或半耐受度。早期主要是用于判定环境毒物对鱼类生存影响的一种指标，常常测定24h或96h鱼类存活的半数耐受限度。

第三节联合效应广义理论

一、复合污染的基本内涵

准确地说，复合污染应该同时满足4个基本条件：

1)一种以上的化学污染物同时或先后进入同一环境介质或生态系统同一分室。

2)化学污染物之间、化学污染物与生物体之间发生交互作用。

3)经历化学、物理化学过程、生理生化过程和生物体发生中毒过程或解毒适应过程三个阶段。

4)产生抑制、促进或独立效应。

二、毒物浓度组合关系的直接支配作用

在多元复合污染条件下，除了污染物的理化性质本身的作用外，污染物的浓度起了至关重要的作用。但是，到底是污染物的浓度还是浓度组合关系起了这种至关重要的作用，这是有争论的。模拟实验更支持后一提法。

即以产量、微生物群落等影响为指标的复合污染生态毒理效应，更为直接和更为重要的是，则取决于其存在浓度水平的组合关系。

从小麦植株对污染物或污染元素的吸收、积累影响来看，也表现出它们的浓度组合关系起了最为直接的作用：

1、在低浓度铜与乙草胺构成的复合污染中，乙草胺对地上茎叶铜的吸收积累具有抑制作用，两者呈拮抗作用；

2、而在高浓度铜与乙草胺构成的复合污染中，乙草胺对地上茎叶铜的吸收积累具有促进作用，两者呈协同作用。

复合污染生态毒理效应的这种浓度组合决定作用。还在分子水平上得到了反映和证实：在高浓度组合以及在低剂量长时间暴露条件下导致了微生物为了“抵御”污染毒性作用而产生的基因突变或特异微生物种的大量繁殖与富集。