环境化合物的联合毒性作用
环境化学物的毒性作用及其影响因素
质对某种化学物的异常反应，又称特发性反应。
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三 环境化学物的联合毒性作用 （一）联合作用的类型 + 协同作用：指两种或两种以上化学污染物同
时或数分钟内先后与机体接触，其对机体产生 的生物学作用强度远远超过它们分别单独与机 体接触时所产生的生物学作用的总和。 + 相加作用：指多种化学污染物混合所产生的 生物学作用强度等于䀩化学污染分别产生的作 用强度的总和。
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+ 独立作用：指多种化学污染物各自对机体产 生毒性作用的机理不同，互不影响。
+ 拮抗作用：是两种或两种以上的化学污染物 同时或数分钟内先后输入机体，其中一种化学 污染物可干扰另一化学污染物原有的生物学作 用，使其减弱，或两种化学污染物相互干扰， 使混合物的生物作用或毒性作用的强度低于两 种化学污染物任何一种单独输入机体的强度。
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+ 增强作用：一种环境化学物本身对机体并无 毒性，但能使与其同时进入机体的另一种环 境化学物的毒性增强，这种作称为增强作用 或增效作用。
（二）联合作用类型的评定 1 联合作用系数法 2 等效应线图法
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四 毒性作用的机理 + 一、直接损伤作用 + 二、受体配体的相互作用与立体选择性作用 + 三、干扰易兴奋细胞膜的功能 + 四、干扰细胞能量的产生 + 五、与生物大分子结合：蛋白质、核酸、脂质 + 六、膜自由基损伤 + 七、细胞内钙稳态失调 + 八、选择性细胞死亡 + 九、体细胞非致死性遗传改变 + 十、诱发凋亡(程序性死亡)
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一 环境化学物的结构与性质 （一）结构与毒性 1 同系物的碳原子数 2 烃基 3 分子饱和度 4 卤素取代 5 羟基 6 酸基和酯基 7胺基 8构型 9 有机磷化合物的结构
环境毒理学
第一章绪论1.环境毒理学：是研究环境污染物，特别是化学污染物对人体和人群，以及相关生物的损害作用及其机理的科学。
2.外源化学物：不是人体的组成成分，也非人体所需的营养物质，或维持正常生理功能所必需的物质，但它们可通过一定途径与人体接触并从环境中进入人体。
3.生态毒理学：是研究物理、化学和生物因素，特别是环境污染物对非人类生物个体和群体以及生态系统的损害作用及其规律的科学。
4.环境易答基因（环境易感基因）：人类的某些基因对环境因子具有特定的反应，这些反应影响着人体对有害环境因子（特别是环境化学物）的易感性。
5.人群调查：是环境毒理学广泛采用的研究方法。
即采用医学流行病学的调查方法，根据动物试验的结果及对环境化学物毒理作用的预测或假设，选用适当的观察指标，对接触该环境化学物的人群进行调查，分析环境污染与人群健康损害的关系。
第二章环境化学物的生物转运和生物转化1.生物转运：环境化学物的吸收、分布和排泄具有类似的机理，均是反复通过生物膜的过程，统称为生物转运。
2.生物转化（代谢转化）：环境化学物在组织细胞中发生的结构和性质的变化过程，称为生物转化或代谢转化。
3.ADME：吸收（absorption），分布（distribution），代谢（metabolism），排泄（excretion）4.许多化学物质在溶液中呈离子状态时脂溶性低，不易通过生物膜；反之容易。
解离度越大，越难通过。
体液的pH可影响弱酸和弱碱的解离度。
5.吸收（1）经消化管吸收①有机酸主要在胃内被吸收，有机碱主要在小肠内吸收②消化管对环境化学物的吸收过程，受很多因素的影响：消化管中的多种酶类和菌丛，可使某些化学物转化成新的化学物而改变其毒性；胃肠道内容物的种类和数量、排空时间及蠕动状态都会影响消化管对环境化学物的吸收;环境化学物的溶解度和分散度也是影响吸收的因素。
（2）经呼吸道吸收颗粒物的吸收主要受颗粒大小的影响。
颗粒物直径大于10m者，因重力作用迅速沉降，被吸入后因惯性碰撞而大部分沉积在上呼吸道；直径5~10m者因沉降作用而大部分阻留在气管和支气管；直径为1~5m者可随气流到达呼吸道深部，并有部分到达肺泡；颗粒直径小于1m 者，可在肺泡内扩散而沉积下来。
环境污染物的毒作用和损伤机理
一、基本概念
毒性参数
▪ 毒性上限参数
——绝对致死量（浓度）LD100 LC100 ——半致死量（浓度）LD50 LC50 ——最小致死量（浓度）MLD MLC
——最大耐受量（浓度）LD0 LC0 ——致死剂量（浓度）LD LC ▪ 毒性下限参数
二、环境污染物毒作用分类
▪ 分类方法一
——局部毒性作用与全身毒性作用 ——速发与迟发毒性作用 ——可逆与不可逆毒性作用 ——变态反应 ——特异性体质反应 ——功能，形态及生化作用
▪ 分类方法 二
神经系统中毒 呼吸系统中毒 肝中毒 肾中毒 ……
三、毒作用机制的研究
▪ 毒物的运转 ▪ 毒物对靶位点的作用 ➢ 靶位点学说 ➢ 共价结合学说 ➢ 自由基学说受体学说 ▪ 毒物引起的细胞功能障碍 ▪ 修复与修复失调
三、毒作用机制的研究
▪ 毒物的运转——产生毒性的第一步，毒物从接触部位到其作用部
位的运输过程，决定于浓度和持续时间。 ➢ 终毒物——直接作用于内源靶分子 ➢ 内源靶分子：蛋白质、DNA、脂肪……
毒物分布 ➢ 与血浆蛋白的结合率 ➢ 特殊屏障的作用 ➢ 类似的脂肪组织 ➢ 与结合蛋白的连接 ……
三、毒作用机制的研究
一、基本概念
▪ 剂量——给予机体的或机体接触的外源化学物质的数量，以单
位体重接触的量表示，mg/kg。
▪ 效应——机体接触一定剂量的化学物质后引起一系列的生物学
效应。这种效应随摄入量的增多而增强，呈现分级反应。可用一 定的计量单位来表示其强度，如酶的活力、白细胞计数等。
▪ 反应——一定数量生物群体中接触毒物而产生某种生物学效应
▪ 毒物对靶位点分子的作用——产生毒性的第二步
生物体对环境中毒素的代谢与解毒机制
生物体对环境中毒素的代谢与解毒机制现代生活中，空气污染、水污染、食品中毒等问题越来越普遍，各种毒素对人类健康产生了极大的威胁。
然而生物体在漫长的生物进化中积累了丰富的经验，拥有了各种代谢和解毒机制以自我保护。
一、生物体对毒素的代谢机制1、异化作用异化作用是指生物体将有毒化合物分解为无害化合物的过程，它需要一些特定的酶来进行催化。
异化作用的过程中，有毒物质会被加入氧原子、氢原子、甲基等官能团，使其变得更加水溶性、不易吸收，并且由于异化后的化合物毒性减小，已经不再对生物体造成伤害。
2、缩合作用缩合作用是指有毒物质在生物体内与正常的代谢产物结合而形成的复合物，使有毒物质变为无毒或较弱毒性化合物，从而减轻了生物体所受到的伤害。
3、还原作用还原作用是指有毒化合物被还原为无毒化合物的过程。
在这个过程中，生物体将其还原成不带氧的化合物，由于这些化合物会比原有的含有氧元素的化合物更加不稳定，所以它们会发生氧化反应，最终生成比原有的毒性低的副产物。
二、生物体对毒素的解毒机制1、酶解毒酶解毒是指生物体使用特定的酶降解有毒化合物的过程。
酶可以在有毒化合物的分子结构上切开键链，让有毒分子失去功能。
这些酶主要分布在肝脏和肠道等器官中，被称为解毒酶，包括肝酶、醛脱氢酶、酯酶等。
通过酶解毒，生物体的代谢水平得到了提升，并且大大降低了毒素造成的对生物体的伤害。
2、联合解毒作用联合解毒作用是指两种或更多种生物体代谢路径的衔接，两种不同的代谢途径同时作用于有毒化合物，减少其毒性。
生物体在处理毒素时，在异化、缩合、酶解和还原等多个方面进行处理，每个方面处理的效果都不同。
这个时候，将不同的方面处理所获得的代谢产物进行联合，会产生更好的清除毒素的效果。
3、排泄解毒排泄解毒是指通过排出毒物，让毒素离开生物体的过程。
生物体排泄毒素主要是依靠肾脏和肝脏，肝脏主要通过合成草酸进行解毒，草酸可以结合有毒化合物并产生水溶性物质，随着尿液排出体外。
同时，肾脏也会通过排出尿液的方式将毒素排出体外。
影响毒物毒性的因素
一般毒性作用（general toxicity)
定义：
指外来化学物在一定剂量、一定接触时间和接触方式 下对机体产生的综合毒效应。
春季 秋季
排出速度慢，体内停留 时间长
排出速度快，体内停留 时间短
睡眠时间最长
睡眠时间最短
原因
昼夜节律受体内某种调节因素所控制；
受外环境因素如进食、睡眠、光照、温 度等调节； 与肝谷胱甘肽浓度的节律有关，而谷胱 甘肽浓度的昼夜节律又与喂饲活动有关；
季节差异与动物冬眠反应或不同地理区 域的气候有关。
分类：
一般毒性作用根据接触时间的长短可分为急性毒性、 亚慢性毒性和慢性毒性。
相应的试验称急性毒性试验、亚慢性毒性试验和慢性 毒性试验。
了解影响毒物毒性作用的因素对设计毒理学
研究方案和评价化学毒物的安全性具有重要 意义。
1、在评价化学物毒性时，可设法加以控制 以避免其干扰，使实验结果 更准确，重复性 更好。
具体表现
1、 高温会引起动物皮肤毛细血管扩张、血循环和呼 吸加快，胃液分泌减少，出汗增多，尿量减少。使经皮和 经呼吸道吸收的化学物吸收增加；经胃肠道吸收减少，随 汗液排出增加，经尿液排出减少。
2、实验表明 58种化合物在不同环境温度(8℃、
26℃和36℃)下对于大鼠LD50的影响如下：
• 55种化合物在36℃高温环境下毒性最大，26℃环境下 毒性最小； • 引起代谢增高的毒物如五氯酚，2,4-二硝基酚在8℃毒 性最低； • 引起体温下降的毒物如氯丙嗪在8℃时毒性最高。
环境化学第五章 污染物的毒性
• 其中，关键因素是毒物的结构与性质和毒物的剂量（浓度）。
• 毒理学中把毒物剂量（浓度）与引起个体生物学的变化，如脑电、心电、 血相、免疫功能、酶活性等的变化称为效应。把引起群体的变化，如肿 瘤或其他损害的发生率、死亡率等变化称为反应。研究表明，毒物的剂 量（浓度）与反（效）应变化之间存在着一定的关系，称为剂量 - 反 （效）应关系。大多数毒物的剂量-反（效）应关系呈S形。
SH Hg + E SH
2+
S + E Hg + 2H S
• 这些重金属离子也能抑制巯基在酶活性中心之内的酶，可能也是 通过重金属离子与巯基结合来实现的。
• 第三是某些金属取代金属酶中的不同金属。金属酶是金属离子为 辅酶或是辅酶一个成分的酶类。一个有关的例子是Cd(II)可以取代 锌酶中的Zn(II)，因为两者性质和离子半径都很近似的缘故。碱性 磷酸酶、醇脱氢酶和碳酸酐酶等一些锌酶被Cd2+取代后便失活。
– 其间，毒物或被解毒，转化为无毒或低毒代谢物（非活性代谢物）而陆续排 出体外；或被增毒转化为毒性更大的代谢物（活性代谢物）而到达靶器官中 的受体；或不被转化直接以原形毒物到达靶器官中的受体。 – 靶器官是毒物首先在机体中达到毒作用临界浓度的器官。 – 受体是靶器官中相应毒物分子的专一性作用部位。受体成分几乎都是蛋白质 分子，通常是酶，非酶的受体有鸦片类型受体（神经受体）等。
– 2,3,7,8-四氯二苯并二恶英（TCDD）是目前已知的有机毒物中毒性最强的 化合物，其毒性是DDT的10000倍，只要摄入0.000001g就会严重损害人体 健康。
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• 不同毒物或同一毒物在不同条件下的毒性，常有显著的差异。影响毒物 的毒性的因素很多，也很复杂。概括来说包括：
第四章环境污染物的毒性及其影响因素
心脏毒素
毒性
4.3.3 干扰细胞内钙稳态
Ca2+
细胞
内 10-7~10-8 mol/L 外 10-3 mol/L
与CAM结合 cAMP作用 激活PKC 离子通道开放
神经转导 肌肉收缩 细胞分化和增值
细胞分泌
4.3.3 干扰细胞内钙稳态
硝基酚、醌、过氧化物、醛类、二恶英、卤化链烷、链 烯和Cd2+、Pb2+、Hg2+等重金属离子均能干扰细胞内钙稳 态, 从而引起细胞损伤或死亡。
盐度
盐度对痕量金属在生物相中富集的影响会受到生物因素 和化学因素的影响
硬度
硬度会影响有机表面活性剂的毒性，降低金属的毒性
4.4.4 环境化学物的联合毒性作用
两种或两种以上的化学物同时或短期内先后作 用于机体所产生的综合毒性作用，称为化学物的联 合毒性作用。
相加作用
联
协同作用
合 作
增强作用
用
拮抗作用
独立作用
(一) 联合毒性作用类型
相加作用：化学结构相似、靶器官和靶分子相同、
作用机理类似的多种环境化学物，同时作用于机体所 产生的生物学作用的总强度是各自单独作用的总和。
e.g.
M=M1+M2
丙稀腈、乙腈
大部分刺激性气体的刺激
具有麻痹作用的化合物对机体的刺激
两种有机磷农药对胆碱酯酶的抑制作用
(一) 联合毒性作用类型
第四章环境污染物的毒性及其影响因素
环境污染物的毒性作用及其影响因素
Paracelsus(16世纪)
What is there that is not poison? All things are poison and nothing (is) without poison. Solely the dose determines that a thing is not a poison.
环境污染物的毒性
1、致死剂量或浓度:以机体死亡为观察指标 而确定的外源化合物剂量 ① 绝对致死量或浓度 :能引起所观察个体全 部死亡的最低剂量或浓度 。 ② 半数致死剂量或浓度 ：实验总体中引起动 物半数死亡的剂量或浓度。 ③ 最小致死量或浓度 ：仅引起个别动物死亡 的最小剂量或浓度。 ④ 最大耐受量或浓度 ：一群个体中不引起死 亡的最高剂量。
四、联合毒性作用
（一） 联合毒性作用定义 ：两种或两种以上 的化学物同时或短期内先后作用于机体所 产生的综合毒性作用。 （二）联合毒性作用种类 1、独立作用：彼此互无影响，仅表现为各自 的毒作用。
M=M1+M2×(1-M1) 或M=1-(1-M1)×(1-M2)
2、相加作用：作用强度是各个化学物质 单独作用强度的总和。 M=M1+M2
1、直接刺激与腐蚀作用 2、抑制机体对氧的吸收、运输和利用 3、抑制机体酶系统的活性 4、对细胞组织结构的损伤作用 5、干扰机体的代谢功能 6、影响抗体免疫功能 7、与基因的相互作用
三、毒作用的方式及种类
• （一）可逆与不可逆作用 • 1、可逆性毒作用 ：停止接触外源化合物后， 可逐渐消退的毒作用。 • 2、不可逆性毒作用 ：停止接触化合物后， 继续存在毒性效应，甚至危害进一步发展 的毒作用。
第二节 环境污染物的毒性作用 及其影响因素
一、基本概念 二、毒性作用机理 三、毒作用的方式及种类 四、联合毒性作用 五、三致作用 六、影响毒性的因素
一、基本概念
（一）毒物（toxicant）:一定条件下，较小剂 量就能引起机体功能性或器质性损伤的化 学物质。 （二）毒性（toxicity）:一种物质能引起机体 损害的性质和能力 （三）剂量（dose）:给予机体的或机体接触 的外来化学物的数量。
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• 理论基础
等效应曲线法用以研究2 种化合物近似相加的联合 作用，是一种比较理想的 模型。左图为联合作用等 效应曲线效应曲线判断2 种金属联合作用方式的示 意图
联合作用等效应曲线
ห้องสมุดไป่ตู้
重金属联合作用于斑马鱼的96h-LC50结果
（1）Cu-Cd 和Cd-Cr 对斑马鱼联合作用的LC50分别落于95%置信区间下 限线下侧，属于协同作用 (2)而Cu-Cr对斑马鱼联合作用的LC50落于95%置信区间上限线上侧，属 于拮抗作用。
现间总 为的的 协延来 同长说 作，， 用联随 合着 毒暴 性露 表时
解释说明：
采用水生毒理联合效应Marking 相加指数法，进行联合毒 性大小的评价。在求得联合毒性的IC50 值后，用式（1） 求得生物毒性相加作用之和（S）： S= Am/A1+ Bm /B1 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · （1） 式中：A1、B1 分别为A、B 毒物的毒性（IC50 值）；Am、 Bm分别为复合污染联合毒性中各毒物的毒性（IC50 值）。 将S 转换成相加指数（AI）。 当S≤1 时，AI=（1/S）-1.0；当S＞1 时，AI=S×（-1）+1.0。 最后用AI 评价毒物的联合效应，AI＞0 为大于相加作用， 即协同作用；AI＜0为小于相加作用，即拮抗作用；AI=0 为相加作用
铜与乙草胺对浮萍的联合毒性效应
采用以体数、鲜重和叶绿素为测试指标的浮萍生长抑制 试验，评价Cu 和乙草胺单一（本次说明不对单一毒性进 行阐述）和复合污染的毒性效应。结果表明Cu 和乙草胺 对浮萍的联合毒性作用与浓度组合及暴露时间密切相关：
实验结论：
当采用浓度1∶1 进行试验时
暴露时间为24 h 的相加指数（AI） 为0.057，联合毒 性为相加作用
独立作用
• 两种或者是两种以上环境化合物同时作用于机体，各自的作用方式、途 径、受体和部位不同，彼此互无影响，仅表现为各自的毒性作用，对此 称为独立作用
举例论证
在对环境化学物联合毒性实验研究过程中发现：多种 化学同时作用于生物体时，往往会呈现出十分复杂的 交互作用。比如： （1）同一组实验中各种化合物浓度不变时，会随着 暴露时间的不同而会产生不同的毒性作用 铜与乙草胺对浮萍的联合毒性效应 （2）不同化合物的不同搭配会对同一种生物会产生 不同的毒性作用 Cu2+、Cd2 + 和Cr6 +对斑马鱼联合毒性作用
环工1401班 冷文鹏
• 定义与分类
凡是两种或两种以 上的的化学物同时 或短期内 先后作用 于机体所产生的的 综合毒性作用，称 为化合物的联合毒 性作用。
相加作用
定义：多种环境化学物同时作用于机体所产生的生 物学作用的强度是各自单独 作用的总和，这种作用 被称为相加作用。
协同作用
• 两种或者是两种以上环境化合物同时作用于机体，所产生的生物学作用 的强度远超过各类化学物单独作用的总和，这种作用被称为协同作用
暴露时间为48、96、 168 h 的AI 分别为 0.193、0.509、0.783， 为协同作用
当采用毒性1∶1 进行试验时
暴露时间为24 h 的AI 为-0.163，为 拮抗作用
暴露时间48 h 的AI 为0.029，为相加作 用；96、168 h 的AI 分别为0.471、0.585， 为协同作用
参考文献： 欧小兵，李海云，陈永煌，卢文芳.铜、镉对水螅的急性和联合毒性作用,环境 污染与防治，2006，28（8） 宋志慧，王庆伟.Cu2+、Cd2+ 和Cr6+ 对斑马鱼联合毒性作用和生物预警的研究， 生态毒理学报，2011，6（4）361 - 360
Cu2+、Cd2 + 和Cr6 +对斑马鱼联合毒性作用
为了研究重金属对水生生 结果表明: Cu2+、Cd2 +和 物的联合毒性作用，以斑 Cr6 +对斑马鱼的96 h-LC50 马鱼为受试生物，采用半 分别为0.296、17.72 和 静态法，在研究Cu2 +、 64.64 mg· L－1 ，毒性顺序 Cd2 + 和Cr6 + 对斑马鱼单一 为Cu2 +＞ Cd2 +＞Cr6+，其 毒性的基础上，以获得的 中Cu2+ 为高毒质，Cd2+和 Cu2+、Cd2 + 和Cr6 + 的96 hCr6+为低毒物质;Cu-Cd、 LC50数据，利用等效应曲 Cu-Cu和Cd-Cr 对斑马鱼毒 线法研究了Cu-Cd、Cu-Cr 性作用类型分别为协同作 和Cd-Cr 的联合毒性作用。 用、拮抗作用和协同作用
联合毒性作用的等效应曲线
Cu-Cd 协同作用等效应曲线
Cd-Cr 协同作用等效应曲线
联合毒性作用的等效应曲线
Cu-Cd 协同作用等效应曲线
• 结论
综上所述: Cu2+、Cr6+ 共存时，对斑马鱼联合作用为毒性增加的 协同作用 而Cu2+ 与Cr6+ 共存时，对斑马鱼联合作用为毒性降低 的拮抗作用
增强作用
• 一种环境化学物本身对机体并无毒性，但是能使与其同时进入机体的另 外一种环境化学物的毒性增强，这种作用被称为增强作用
拮抗作用
• 两种环境化合物同时作用于机体时，其中一种化学物可干扰另外一种化 学物的生物学作用，或者是两种化学物相互干扰，使混合物的毒性作用 低于各自单独作用的强度之和，这种作用被称为拮抗作用