第四章污染物生物效应检测
《环境生物学》课程教学大纲
《环境生物学》课程教学大纲课程中文名称（英文名称）：环境生物学（Environmental Biology）课程代码：PRN241课程类别：学科基础课程课程性质：必修课课程学时：48学时（理论32学时，实验16学时）学分：3学分适用专业：环境科学先修课程：环境学、无机化学一、课程介绍1.环境生物学是环境科学专业一门重要的必修学科基础课。
环境生物学是20世纪50年代环境问题成为全球重大问题时，生物学家在运用生命科学的理论和方法，认识环境问题实质并寻找解决环境问题途径的过程中逐渐形成的一门新兴边缘学科。
本课程系统介绍环境生物学的基本知识、主要技术和发展动态，使学生对环境生物学能有一个较完整的认识，为学习后续课程打下坚实的基础2.环境生物学属于环境科学专业学生必修的专业基础课，在专业人才培养方案和课程体系中的地位十分重要，属重点基础课，许多后续课程如环境毒理学、环境生物化学、环境生物工程、环境污染修复工程等与环境生物学密切相关。
环境生物学也是环境生态类考研科目之一，对学生的考研具有重要作用。
了解与掌握环境生物学的基本理论和方法，是环境类专业人才认识和解决环境问题所必须。
二、课程教学目的和任务通过本课程的学习，使学生对本大纲范围内的环境生物学内容有比较系统和比较全面的了解，认识环境污染物的生物效应以及环境污染的生物净化，使学生掌握环境生物学的基本知识和基础理论；培养学生具有初步的分析问题和解决问题的能力，为学好后续课程打下坚实基础。
课程应达到的基本要求为理解和掌握以下理论、方法和技术：1）环境污染物在生态系统中的行为；2）污染物对生物的影响；3）污染物的生物效应检测；4）环境质量的生物监测与生物评价；5）环境污染生物净化的原理；6）环境污染物的生物净化方法；7）现代生物技术与环境污染治理8）污染环境的生物修复三、课程学时分配、教学内容与教学基本要求四、教学方法与教学手段说明环境生物学为重点基础课，牵涉面广，学科交叉较多，内容丰富，而学时有限，因此，贯彻“少而精”的原则，精选有代表性的、有广泛应用的、最基本的、较现代化的内容作为基本要求。
《环境生物学》课程教学大纲
《环境生物学》课程教学大纲一、课程根本信息课程代码：260411课程名称：环境生物学英文名称：Environmental Biology课程类别：专业选修课学时：54学分：3.0适用对象: 环境科学专业考核方式：考试先修课程：无二、课程简介环境生物学主要探讨生物与受损环境之间的相互作用和调控机理。
环境生物学是环境科学、生态学、环境毒理学、环境化学、普通生物学等相关科学的穿插学科，它包含了污染生态学、生态毒理学等不同分支学科的内容，该学科主要研究人类活动对生态系统造成的环境污染、生态破坏对人类与生物产生的效应以与人类和生物对这种环境污染、生态破坏的产生的响应，其目的在于为维护人类生态安康，保护和改善人类生存与开展的环境，合理利用自然和自然资源提供科学根底，促进环境和生物相互关系以利于人类的生存和社会可持续开展。
三、课程性质与教学目的通过本课程的教学，帮助学生了解环境污染物在生态系统中的行为和对生物体的危害，以与生物体在净化环境污染中的作用，使学生充分理解环境污染和生物之间的相互作用，更深层次地认识到环境保护的重要性。
本课程要求学生掌握环境污染物在生物体内从吸收到排泄的整个行为过程，和环境污染对生物在各级水平上的影响，了解污染物的生物效应的检测方法。
掌握生物净化污染物的根本原理，了解生物净化的根本方法和常用的工艺。
该学科主要培养和训练学生认识生物与环境的相互关系与其根本规律，了解和掌握环境生物学的根本识；本课程要求学生应具备普通物学、生态学、环境学概论等相关专业的根底知识和理论。
通过本课程的学习，学生应掌握环境生物学的根本理论、研究方法和技术，同时拓宽学生的学术视野和知识结构，提高学生整体综合素质。
为今后进一步的学习和工作打下良好的根底。
四、教学内容与要求绪论〔2课时〕（一）目的与要求1.掌握环境生物学的概念、研究内容与任务；2.认识环境科学与环境问题，环境科学的开展历史。
3.了解环境生物学与相关学科的关系，环境生物学的开展趋势。
污染物的生物效应检测
（二）测试方法标准化的优点 ➢ 在同一类型的不同实验室中进行许多有
用的测试并把结果选择出来。 ➢ 增加数据的精确度 ➢ 测试可以被其他实验室重复 ➢ 各种人员容易进行该试验 ➢ 可方便地将数据进行比较 ➢ 可为环境管理、环境立法(环境标准建
立)提供可靠的数据或结果。
第二节 一般毒性试验
—、生物毒性的基本概念 （一） 毒物与中毒 1.毒物
因为在试验过程中污染物浓度会降低，受试 生物对污染物的暴露程度会逐渐减少。 ➢代谢速率快的受试生物 因为排出代谢废物较多，代谢废物的累积和 分解会产生不适当的高浓度二氧化碳和氨， 从而影响试验结果。 ➢ BOD较高的废水 因为溶解氧的耗尽会对受试生物造成压迫。
2.中期生物测试 中期生物测试 是介于短期和长期之间
➢ 讨论一种化学物质的毒性时，必须考虑 到它进入机体的数量(剂量)、方式(经口 食人、经呼吸道吸入、经皮肤或粘膜接 触)和时间分布(一次或反复多次给予)。
➢ 最基本的因素是剂量。
2.中毒 ➢ 生物体受到毒物作用引起功能或器质性
改变后出现的疾病状态称中毒。中毒是 各种毒性作用的综合表现(包括局部的和 全身的)。 ➢ 根据病变发生发展的快慢，可区分为：
在一定条件下，以较小剂量给予机体时， 能与生物相互作用，引起生物体功能或器质 性损伤的化学物质，或剂量虽微，但累积到 一定的量，就能干扰或破坏机体的正常生理 功能，引起暂时或持久性的病理变化，甚至 危及生命的化合物，亦称毒物。
➢ 毒物与非毒物之间并不存在绝对的界限， 而只能以引起中毒的剂量大小相对地加 以区别。
急性中毒 亚急性中毒 慢性中毒
3.毒性 有毒物质接触或进入机体后，引起生物
体的易感部位产生有害作用的能力。 (1) 毒性作用或毒效应
环境污染物的生态毒理学效应和监测方法
环境污染物的生态毒理学效应和监测方法环境污染物是现代社会面临的一个严重问题。
它们来自于人类的日常生活和工业活动，通过不同方式进入自然环境中。
这些污染物对生态系统和人类健康产生不良影响。
他们的毒性机制已经得到了足够的研究，在环境污染控制和监测方面产生了巨大的影响。
一、环境污染物的生态毒理学效应环境污染物包括了许多有机化学物和无机污染物。
它们通过直接或间接的途径进入各种生物体中，产生毒性效应。
这些毒性机制包括了细胞毒性、基因毒性、免疫毒性等。
有些污染物可以通过内分泌干扰素的机制检测到。
这些效应不仅可以在分子和细胞水平上发现，也可以看到它们在生态系统和生态组织中的表现。
二、环境污染物的监测方法监测环境污染物可以帮助了解环境污染对生态系统的影响。
监测有两种基本方法。
一种是被动的方法，另一种是主动的方法。
被动方法通常使用生物标志物来检测环境污染物的存在。
生物标志物是生物体内或生物体表面的化学或生物学变化，与出现在环境中的特定化学物或生物物质的存在相关。
这些标志物的形成是污染物影响的个体反应。
生物标志物将本来很难测量的环境污染物拓宽到了检测的范围内。
主动方法是直接检测环境污染物存在的方法。
这种方法涉及到高吞吐量的分析，如气相色谱、液相色谱、电化学测量和光谱学等技术。
它们在现场和实验室检测中都广泛应用。
三、总结环境污染是全球性问题，产生的影响范围很广。
生态毒理学是研究环境污染物的影响范围和机制的重要领域之一。
选择什么样的方法来监测环境污染也是至关重要的。
不管使用哪种监测方法，都需要适当的技术和检测标准来保证监测的准确性和有效性。
未来，环境污染监控领域将会有更多更先进的技术被开发出来。
这将有助于有效地监测和控制环境污染，确保环境保护和人类健康。
第四章 环境质量的生物监测与评价
5.种的多样性指数 多样性指数是生物群落中种类与个体数的比值。在正常水体中群落 的结构相对稳定，水体受到污染后，群落中敏感种类减少，而耐污种 类的个体则大大增加，污染程度不同，生物群落变化也不同。常用的 多样性指数有：格利森和马格列夫多样性指数、香农-韦弗多样性指 数、辛普森多样性指数、凯恩斯连续比较指数 6.生产力 生产力是反映一个生态系统内物质循环和能量流动的一个指标。常 用的有： P/R值：根据群落的初级生产量P和呼吸量R的比率划分污染等级。 P/R 值在水质正常是一般为1左右，如偏离过大，则表明受到污染。 自养指数：用单位质量（mg/m3）的去灰分重与叶绿素的比值来表。 7.残留量指数及富集系数 用生物个体或种群的某种化合物或元素的实测残留量与环境中的本 底量的比值来表示。
二、水污染生物监测与评境条件改变时，人们就可以根据水生生物的 反应，对水体污染程度作出判断，这是水生生物监测水体污染的基础。
1.水污染的细菌学监测 （1）水污染的细菌学指标：我国现行饮用水卫生标准规定，细菌
总数1mL自来水不得超过100个，大肠菌群数每升水中不得超过3个。 （2）水样的采集与保存：供细菌学检验用的水样必须按一般无菌操 作的基本要求进行采样，并保证运送、保存过程中不受污染。
生物监测的特点和不足
特点：1）能直接反映出环境质量对生态系统的影 响；2）能综合反映环境质量状况；3）具有连续监 测的功能；4）监测灵敏度高；5）价格低廉，不需 购置昂贵的精密仪器；6）不需要繁琐的仪器保养 及维修等工作；7）可以在大面积或较长距离内密 集布点，甚至在边远地区也能布点进行监测。 不足：1）不能象理化监测那样迅速做出反应；2） 不能象仪器那样能精确地监测出环境中某些污染物 的含量，生物监测通常只是反映各监测点的相对污 染或变化水平。
环境污染物的生物效应和毒理学机制
环境污染物的生物效应和毒理学机制当我们开车行驶在城市的马路上时，我们时常被那浓厚的尾气所包围，感到呼吸困难。
这是全球范围内环境污染的一个例子。
随着城市化和工业的快速发展，环境污染已经成为人类社会所面对的最大挑战之一。
环境污染物对人类和生态系统的健康带来了不可估量的影响。
污染物的毒性可通过多种方式影响生物。
在这篇文章中，我们将讨论环境污染物的生物效应和毒理学机制。
污染物来源环境污染物可以来自多个来源。
例如，空气污染物包括汽车尾气、工厂排放和燃烧柴油等。
水污染物包括工业废水、农业和人类排放的废水。
土壤污染物包括工业废弃物和有害废弃物等。
污染物可以在空气、水和土壤中相互传播和转化，对生态系统和人的健康产生影响。
污染物对生物的生物效应当生物暴露在环境污染物中时，会受到许多不同的生物效应，这取决于暴露时间、剂量和毒性。
暴露于污染物的生物可能会遭受短期或长期健康影响，这些影响包括细胞、组织、器官和系统水平的生理和生化改变。
例如，长期暴露于大气细颗粒物和二氧化硫等空气污染物可导致呼吸系统疾病，并加重心血管和代谢问题。
水中常见的多环芳烃类污染物和硝基苯类污染物可影响水生生物和人类的生殖系统。
土壤中的重金属和化学物质可以在食物链中积累，对动物和人类产生危险。
机体对污染物的反应机体对环境污染物的反应是多种多样的，主要是由于毒性和修复能力不同。
这些反应可以分为3种类型：生物化学、细胞和组织、器官和系统级别。
暴露于污染物的生物可能会出现一系列的生化反应，包括生物转化、代谢和解毒。
此外，污染物还可以导致细胞和组织水平的损害，同时也可能产生多种器官和系统性影响。
这种复杂的生物反应导致了多种疾病的发生，从轻微的过敏症状和呼吸问题到严重的癌症和心血管疾病等。
污染物的毒理学机制了解环境污染物的毒理学机制在预测它们的生物效应方面至关重要。
毒理学是研究毒物与生物体相互作用的学科，旨在预测和描述毒性。
污染物的毒理学机制可由以下几个层面来考虑：1.分子与信号级别毒理学在分子和信号级别上研究毒理学是研究化学物质与生物体互动的关键。
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.
环境污染物的生物监测与评估
环境污染物的生物监测与评估随着工业化和城市化的快速发展，环境污染问题日益严重。
环境污染物对人类健康和生态系统的影响已经引起了广泛的关注。
为了准确评估环境污染的程度和生态风险，生物监测成为了一种重要的方法。
一、生物监测的定义与意义生物监测是通过检测和评估生物体中的污染物含量，了解环境中的污染程度和生物对污染物的响应，以及评估生态风险。
相对于传统的化学分析方法，生物监测更能反映污染物在实际环境中的生物可利用性和毒性。
二、生物监测的方法与技术1. 生物指示器法生物指示器是指那些对环境污染物敏感，并能够反映环境质量变化的生物体。
常见的生物指示器包括地衣、苔藓、鱼类、昆虫和小型哺乳动物等。
通过分析生物指示器中污染物的含量，可以评估环境中的污染程度。
2. 生物标志物法生物标志物是指生物体内特定代谢产物或酶活性的变化，可以表明生物对污染物的暴露和反应。
通过测量生物标志物的含量或酶活性，可以评估环境中污染物的生物效应和毒性。
3. 生物传感器法生物传感器是一种利用生物体内酶、细胞或微生物等生物活性物质的特异性反应，检测和定量污染物的方法。
生物传感器具有高灵敏度、快速响应和低成本等优势，在环境监测中得到了广泛应用。
三、生物监测的应用领域1. 环境质量评估通过生物监测，可以监测环境中的重金属、农药、挥发性有机物等污染物的含量，评估环境质量和生态风险。
同时，还可以对污染源进行溯源和排污行为进行监控。
2. 生态风险评估生物监测可以评估环境中污染物对生态系统的影响程度和生物多样性的损害情况，为生态保护和修复提供科学依据。
3. 污染事件应急响应在环境污染事件发生后，通过生物监测可以及时评估污染物的扩散范围和对生物体的影响程度，为污染事件的防控和应急响应提供重要支持。
四、生物监测的优势与不足生物监测作为一种综合性的方法，具有以下优势：能够反映真实环境中的生物可利用性和毒性，具有较高的可行性和经济性，适用于大面积和长时间监测。
然而，生物监测也存在一些不足之处，如样本收集和分析的复杂性，受到环境和生物因素的干扰等。
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主要对1）毒物的分析方法、环境条件的测定方法，2 ）仪器设备, 3）生物大小、生物量，4）水的溶解氧和 pH, 5）统计方法作出了国家规定。
但对那些易分解、非常见和混合污染物的测定还很难 进行标准化测定。
第二节 生物毒性试验
2、长期生物测试（Long term bioassays）
在低浓度下，受试生物长期被暴露于污染物下的测试，又 称全部生活史生物测试，常见有慢性毒性试验。
1）测定目的
测定在长期污染下，不造成有害效应的毒物最大浓度， 或最大允许毒物浓度（MATC）。
测定包括毒物对生物生长、生殖、产卵、孵卵、幼体成 活等的影响。
1) 测试目的：
（1）快速估计污染物的毒性；（2）评价几种毒物的相 对毒性；（3）评价不同生物对不同条件如温度、pH的相 对敏感性等。
主要用于测定半致死浓度(LC50)、或半抑制浓度(IC50) 或半效应浓度(EC50)。
2) 时间设定 ： 一般小于1周，如 一般水蚤类< 2d，藻类< 3d，鱼类< 4d。
生物测试意义： 1）研究多种污染物联合作用的生物效应。 2）监测环境质量的变化。 3）制订环境质量标准。 4）对制订排污标准，以及对污染物生态风险评价有重要 意义。
但注意：
（1）污染物结构、性质、毒作用机理不同，同一种生物对不 同污染物的反应不同。
（2）不同生物解毒机制、及能力不同，因而不同生物对相同 污染物有不同的反应。
第四章污染物生物效应检测
第一节生物测试及方式
一、生物测试
生物测试（Bioassay）指利用生物反应测定一种或多 种污染物或环境因素单独或联合存在时，所导致的影响 或危害。实际上就是用生物去测定污染物的危害。
可在分子、细胞、组织、器官、甚至个体和种群多种 水平上进行。
污染物毒性生物测试优点：
1)生物测试不需特殊仪器、方法简单。 2)可提供污染物 的生物毒性，而常规的物理和化学检测只能测定污染物的 浓度。 3）可测定污染物之间的相互作用,以及它们对生物 体的综合效应,而常规的物理和化学检测则做不到。4）还 可了解环境因素对污染物毒性的影响。如水体pH、溶氧 量、氧化还原电位、水体中有机和元机配位体对污染物毒 性的影响等 。
3、实验操作：实验结果还受人员操作水平、仪器设备的精 度、测定方法的影响。
（二）标准化测试的优点 1）增加数据的精确度，利于数据的比较。 2）测试可以被其它实验室重复。 3）筛选不同实验室一致的实验结果。 4）可为环境标准的建立提供可靠的数据，如饮用水环境
质量标准等。
（三）标准化的生物测试方法 有《水质物质对蚤类急性毒性测定方法《B/T13266-91)
（3）不同发育阶段的生物对同种污染物的反应也不同。
（4）受污染毒害的经验也会影响生物对有毒污染物的反应。
（一）生物测试方式 根据不同的研究要求和目的，可进行不同的测试。
测试方法多样， 有按时间分的、有按试验溶液和气体 给予方式分的。 1、短期生物测试（Short term bioassays）
指被测试的生物在短时间内暴露于高浓度的污染物 下，测定污染物对生物有机体的影响。 例：急性毒性 试验，以快速估价污染物的毒性。
3) 测试特点
（1） 暴露时间短；仅几天。（2）污染物浓度高；
（3）一般采用静止式给予有毒溶液或气体。
但对于下列情况，应用流动式给药： 1）不稳定且易 挥发的污染物（浓度会渐低)； 2）BOD较高的污水(低 O2)； 3）代谢速率快的受试生物（产生高的代谢产物 如CO2和NH3会影响受试生物的代谢。
此外，个体大小、生活史长短，以及以前受污染情况也 需考虑。
二、生物测试标准化
（一）影响生物测试的因素
1、受试生物：受试生物的种类、生长年龄（生活阶段、尺 寸大小、脱皮阶段）、发育阶段、食物供应程度等均影响生物 对毒物的敏感性。
2、试验条件：如试验水质的温度和含盐量、水流速度和溶 解氧、水域的酸碱度、受试生物的总量，不仅影响生物对毒物 的反应，而且影响作用于生物的毒物浓度、性质和形态。
节变化相符。 (3)受试 生物的生长、发育规律符合季节变化。
3、中期生物测试（Intermediate term bioassays） （1 ）目的: 介于短期和长期之间的一类生物测试。如
亚慢性毒性试验。 对毒物的毒作用、靶器官和最大无作 用剂量或中毒阈值作出估计。 （2）测试时间：8天之内算是短期，8-90天之间中期。 （3）毒物给予方式：无论毒物是溶液还是气体，给予方 式一般采用流动式，少数可采用静止式。
一、生物毒性
（一）生物毒性的基本概念
1、毒物（Toxicant）和毒性
（1）毒物：在一定条件下，以较小剂量给予有机体时， 与生物相互作用后而引起功能或器质性损伤的化学物质称 毒物。
或剂量虽微，但积累到一定量时，就能干扰或破坏机 体的正常生理功能，而引起暂时或持久性病变，甚至危及 生命的化合物，称毒物。
（二）受试生物的选择 花 植1、物）小：对麦烟毒、草物、三敏番感叶茄性草、：、矮S牵甜O牛菜2的、、敏菠莴感菜苣植、、物土大：豆豆紫、、苜燕向蓿麦日、、葵大丁。麦香O、3、敏棉秋感 海棠、女贞、梓树。 2）具生态学价值或经济价值。3）实验 室内易培养和繁殖。4）具清楚的生物学背景资料如生活史 、生长、发育特点等；5）足够的数量。6）对毒物的反应的 易测性。
（2）毒性(Toxicity): 指毒物产生有害作用的能力。 与下列因素有关：
1）进入机体的剂量。体内潜在性有毒物质存在并不意味发 生中毒，通常只有达中毒剂量时，才可引起中毒。
2）进入机体的方式（如经口、皮肤或呼吸）。 3）接触时间及频率。时间越长、频率越高，越引起中毒。
2）时间确定
（1）对动物而言，需要从一个卵期到下一个卵期或更长的 连续测定；
（2）对于更小的生物如浮游生物，要持续好几代测试；
（3）但对生活史特别长的动物，人们则选择在整个生活史 中最敏感的几个阶段测试。如鱼的发育早期测定，这种测 定又称部分生活史生物测试。
3) 长期生物测试要求 (1)只能采用流动式染毒性。 (2)室内试验条件，如水温、pH、硬度等必需和自然季