生态毒理学

生态毒理学北京大学环境学院：刘文新2003年2月～2003年6月办公室：逸夫贰楼3656房间电话：62765103；电子邮件：[e-mail]课程安排及教学大纲(I)基本概念、发展历史及未来趋势，基本方法论；有毒物质生物吸收的途径及动力学；有关的生态系统原理；普通(传统)毒理学的基本研究方法；毒理学中的生态学方法；环境优先污染物(有毒物)分类介绍I(重金属、类金属、有机态金属)；环境优先污染物(有毒物)分类介绍II(持久性有机污染物POPs：1农药)；环境优先污染物(有毒物)分类介绍III(持久性有机污染物POPs：2多环芳烃PAHs)；环境优先污染物(有毒物)分类介绍IV(持久性有机污染物POPs：3多氯联苯PCBs、二恶英Dioxin、内分泌干扰素Endocrineinterferon，EndocrineDisruptiveSubstances，EDC等)；其它环境污染物介绍(放射性物质、气相污染物、其它毒物)；毒性的影响因素；混合物毒性以及相关的复杂问题；生态监测与预测模型；技术适用性及研究方法的选择；个案/实例研究；生态风险评价、环境健康危害及安全性评估的基本要素和步骤；有毒物质生态危害的治理、恢复、复原、改造，以及化学毒物的管理和法规；复习、答疑。授课方式：课堂教学(多媒体)；成绩评定方法：(1)期末考试70%(开卷)；(2)平时作业练习30%。课程安排及教学大纲(II)教学参考资料(I)(I)专著：《环境毒理学》，孟紫强主编，中国环境科学出版社，2000。《EnvironmentalToxicology》,D.A.Wright,P.Welbourn,2002.《PrincipleofEcotoxicology》,C.H.Walker,2ndedition,2001.《FundamentalsofEcotoxicology》,M.C.Newman,1998.《Ecotoxicology:EcologicalFundamentals,ChemicalExposureandBiologicalEffects》,G.Schüürman,B.Markert,1998.《Ecotoxicology:TheStudyofPollutantsinEcosystems》,F.Moriarty,3rdedition,1999.《EcotoxicologyofOrganicContaminants》,E.Bacci,1994.《EcotoxicologyinTheoryandPractice》,V.E.ForbesandT.L.Forbes,1994.《HandbookofEcotoxicology》,D.J.Hoffman,1995.《HandbookofEcotoxicology》,P.Calowed.,1993.《HandbookofEstimationMethodsinEcotoxicology》,S.E.Jørgensen,B.HallingSørensen,1998.《英汉毒理学词典》，江泉观，1995。《环境生物毒理学》，张毓琪，陈叙龙，1993。《现代毒理学进展》付立杰主编，2001。《毒理学》张铣，刘毓谷，1997。……(II)期刊：《Ecotoxicology》《EnvironmentalToxicologyandChemistry》《HumanEcologicalRiskAssessment》《EnvironmentalScienceandTechnology》《MarinePollutionBulletin》《EcotoxicologyandEnvironmentalSafety》《J.EnvironmentalQuality》……教学参考资料(II)课程概述基本概念历史沿革发展趋势分支学科研究层次基本方法论基本概念：有毒物，选择毒性，毒性作用分类有毒物(toxicant,poison)：在一定条件下，较小剂量即能够对机体产生损害作用或使机体出现异常反应的外源化学物称为有毒物。毒物与非毒物之间没有绝对界限。毒性、选择性毒性及其原因：毒性是指外源化合物与机体接触或进入机体内的易感部位后，能引起损害作用的相对能力。损害作用愈大，毒性愈大。在一定条件下，外源化学物对机体的毒性具有选择性(Selectivetoxicity)。其原因：(1)物种和细胞差异；(2)不同生物或组织器官对外源化学物或其毒性代谢产物的蓄积能力不同；(3)不同生物或组织器官对外源化学物在体内生物转化过程的差异；(4)不同生物或组织器官对外源化学物造成的伤害的修复能力存在差异。毒性作用分类：(a)速发(immediate)或迟发(delayed)性作用；(b)局部(local)或全身(systemic)作用；(c)可逆(reversible)或不可逆(irreversible)作用；(d)对形态(morphologic)或功能(functional)的影响；(e)过敏性反应(hypersensitivity)或称变态反应(allergicreaction)：是指病理性免疫反应。引发反应的外源化学物称为过敏原(allergen)。高敏感性：少数个体对某种外源化学物具有高反应性(hyper-reactivity)或高感受性(hyper-susceptibility)，与过敏性不同。高耐受性(hyper-resistibility)；(f)特异体质反应(idiosyncraticreaction)：指机体产生的一种遗传性异常反应。剂量可以指给予机体的数量、与机体接触(exposure)的数量、吸收进入机体的数量或在靶器官中的含量或浓度。环境污染物简单分类物理性污染电离辐射、电磁辐射、噪声污染，放射性元素生物性污染细菌和病毒污染、动物和植物毒素化学性污染工业化学品、农业化学品、日用化学品、医用化学品、军事化学武器不同阶段毒性的基础框架示意图吸收排泄生理响应a,b,c,etcA,B,C,etc生物合成动态阶段初始反应生物生化响应靶标更改靶标动力学阶段去毒性作用前毒物毒物脂储藏代谢＋行为响应(受体)和有毒物的某些重要的生化和生理效应细胞膜1功能：构成具有特定穿透性的屏障，调节传输系统，控制物质进出细胞的传输速率和程度；2毒性响应：破坏或修改膜穿透性；扰动控制传输系统。酶1功能：高度特异蛋白用以催化介质间细胞代谢的化学反应；2毒性响应：可逆或不可逆酶抑制反应。脂(lipid)代谢1功能：涉及细胞膜结构，细胞功能和代谢过程；2毒性响应：扰动导致破坏肝功能。蛋白生物合成1功能：涉及氨基酸组分在多肽链中特定的排列顺序；2毒性响应：压迫蛋白合成容量。微粒(microsomal)酶系统1功能：肝脏中的代谢多酶系统以及外源化合物的生物转运；2毒性响应：激发或抑制酶功能。控制过程和生长1功能：激素等控制细胞生物合成和生物异化的途径和速率；2毒性响应：控制酶的结构或活性改变，破坏激素的合成、存储、释放或隔绝，降低生长速率。糖(carbohydrate)代谢1功能：糖酵解(glycolysis)，柠檬酸或三羧酸循环，己糖单磷酸(HMP)或戊糖单磷循环(葡萄糖降解)，酸肝糖分解；2毒性响应：破坏氧化和糖酵解。呼吸作用1功能：生物氧化为活细胞提供能量；2毒性响应：特定点位电子传输抑制，氧化磷酸化作用不耦合或被抑制。污染物对某一区域的一般作用对生态系统中已自然定居且适应的活的组分而言，区域适宜性降低；对某些物种和群体产生与污染物强度和类型有关的负面影响；群落结构改变，而且一般地物种数目降低；生态系统中的能量流与物质流改变；具有较长生命跨度的较大有机体消失；具有短生命跨度的机会性物种出现，表现为时间和空间上种群大波动，例如赤潮。污染物毒害作用通常与三个环境因素相关：(1)过度的植物生产量；(2)去氧还原作用；(3)对有机体的毒性或类似的生理毒害作用。0100%0100%100%0因素1因素2因素3种群的故障树(FaultTree)分析图示直观了解一种化学物质对特定种群的影响方式自然原因受影响种群生长、发育、死亡和生殖直接影响间接影响有毒化学物自然原因有毒化学物短期影响长期影响短期影响长期影响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不同组织水平上有毒化学品效应关系的概念图解研究的难点表现如何在亚细胞或生理水平上观察个体生物幸存力的相关变化；还表现在将基于个体的毒性效应(通常是实验室检测方法)外推至观察的种群或群落水平。观察到的生物组织不同类型的关系“嵌套形式”，细胞效应即意味着所有生物水平的效应，这代表一种过于简化的过程。情形B和C中的竖条纹区域代表不确定性(Uncertainty)。次级生物体的响应(如酶活性或免疫响应的改变)可能代表从健康反应到一种压迫(stress)的广谱效应。因此，发现这种响应和有机体适应性的定量关系是困难的。从个体外推至种群或群落代表另一类问题(如情形C)。基本概念：环境、环境污染环境：特定主体周围的所有生物因子和非生物因子。环境因所研究主体的不同而可大可小，相对比例和尺度。主体和环境也可相互转换：一个环境主体可以是另一主体的环境因子，一个主体的环境因子在特别情形下，也可转化为主体。小/微环境(microenvironment)：以某一特定生物个体为主体，则该个体周围的各种生物、非生物因子构成该个体有限的小/微环境；大环境(macroenvironment)：以某一种群为主体，则该种群周围的各种生物、非生物因子构成该种群的大环境。环境污染：当物理、化学、和生物因素进入大气、水体、土壤等，且其数量、浓度、和持续时间超过环境的自净能力(self-purificationcapacity)，以致影响生态平衡和人体健康，此时的环境状态称为环境污染。污染的原因可分为自然(自然灾害)和人为(“工业三废”：废气、废水和废渣)污染。环境污染对人体健康影响的主要特点表现为：(1)涉及面广，接触人口多；(2)低剂量、长时间作用；(3)多途径进入人体；(4)多因素共存及联合作用(如加和作用、协同作用、促进作用、拮抗作用或独立作用等)。世界“八大公害病”(1930年比利时马斯河谷烟雾事件；1943年美国洛杉矶光化学烟雾事件；1948年美国多诺拉烟雾事件；1952年英国伦敦烟雾事件；1951年日本水俣病事件；1955年日本四日市哮喘病事件；1968年日本米糠油事件)。其它如前苏联切尔诺贝利核泄漏事故，印度博帕尔毒气泄漏事故等等。环境公害的特点：(a)人类活动造成的环境污染引发的疾患；(b)流行特点可能是长期陆续发病，也可能出现急性爆发型疾病；(c)新病种，有的机理不清，缺少特效治疗方法。其它危害形式：(1)急性中毒(有害化学物短时间、一次性、大剂量进入人体引发)和慢性中毒(低浓度、长时间、反复对机体作用)；(2)致癌作用(Carcinogenesis)；(3)致畸变作用(Teratology)；(4)致突变作用(Mutation)；(5)间接危害，如恶化环境卫生条件、降低农产品质量和产量、破坏生态平衡等间接危害人体健康和寿命。基本概念：环境污染与健康生物圈由生物及其生存的部分大气圈、水圈、岩石土壤圈组成。一般认为从海平面以下约11km到海平面以上约10km范围内的适于生物生存。生态系统生物与周围环境之间相互作用、不断进行物质、能量和信息交换，形成统一的整体，称为生态系统。生态系统中各种生物和非生物因素根据其在物质和能量交换循环中的作用和状态，可分为四部分。四部分相互作用、相互联系、相互依存、既矛盾又统一，形成完整的不可分割的统一体：(i)生产者：指制造有机物的绿色植物和能进行光合作用的细菌，能够从周围环境中摄取水、二氧化碳等无机物质合成有机物质；(ii)消费者：指能利用有机物进行生命活动的生物，可进一步分为一级消费者(即以植物为食的食草动物)，二级消费者(即以一级消费者为食的食肉动物)，三级消费者(是以二级消费者为食的大型食肉动物)，依此类推，人