环境科学前沿学习报告

1、仅供个人参考生态毒理学的发展历史只有短短的二十多年，它是在环境科学这一综合性学 科中属前沿和基础的一个分支。环境科学是本世纪七十年代产生的对人类生活影 响很大的综合性科学。目前我国的环境科学绝大部分是应用研究，基础研究部分与世界发达国家有较大的差距。这已经产生两个问题；首先，儿乎所有的重大环 境问题都是国外料学家发现的如 DDT勺生态系统危害、臭氧层的破坏及最近的二 恶英等；其次，在应用技术的开发中没有后劲，许多技术只能浅尝则止，较明显 的如微型生物监测技术和基因丁程技术在环境保护中的应用。造成我国总体水平落后的因素之一（而且是较主要的因素）是缺乏前沿引导。1992 年 De Kirnijf&

2、quot;"将生态毒理学定义为用多学科理论 （生理、生态、化学 和毒理学）解释自然界中污染物的作用过程和暴露风险。它不仅是一门科学而且 是污染防治中应用性强的一种工具，用于支持环境政策、法律、标准和污染控制。生态毒理学的技术方法按1998年出版的专着Ecotoxicology明显分为两大 类技术即宏观分析技术：生物个体水平以上的生物组成对污染的响应，以及微观分析技术：细胞水平以下对污染的响应。宏观技术以生态学理论为基础，以生物 个体为基本单位，研究污染对生态系统中各层次 （个体、种群、群落）的影响。微 观技术以细胞生物学（90年代以前）为理论基础，研究污染对单细胞、染色体及 蛋白质、

3、核酸等遗传物质的效应。显然生态学和分子生物学的研究由于对象、 手 段的不同，在对问题解释的角度上是有很大差异的。 到目前为止，在生态毒理学 中这两类研究的发展是并行的，有时会有交叉，但并末融合。但是各自都对环境 科学作出，重大贡献。生态学在宏观工业污染控制、温室效应和生物多样性、臭 氧层保护等方面取得的进展是有目共睹的， 细胞、分子生物学在遗传修饰微生物 的污染治理、DNA勺损伤机制、突变检测等方面的突破性进展将环境科学立足点 提高到污染问题的本质层次上，而且在污染问题的发现与产生的研究及污染控制 中微观技术所显示的潜能是如此巨大， 以至可以肯定地说，以分子生物学为基础 的生态毒理学微观分析技

4、术在下个世纪至少在环境科学中将扮演一个重要的角 色。1.生态毒理学的宏观技术、方法动态1. 1模拟生态系统上个世纪80年代以来在生态毒理学中发展较快的技术之一是模拟生态系 统，它包括微生态系统和中生态系统， 其中以微生态系统的研究成果最多。 所谓 微生态系统即微型的模拟生态系统它的定义是“人工环境的试验系统，是一个世 界的缩小，一个整体的代表”。美国国家科学研究委员会（NRC）的定义是“将天然 系统的样本放入人工容器内并在实验宦环境中维持的系统，功能类似而结构不完全等同于天然系统，这类系统的能力在于它能以近似自然的方式检验许多生物与 环境过程的最终结果”。这是其它研究技术所无法比拟的。整个生态

5、系统是一个 整体，它决不足部分的总合，对生态问题的分割研究是有很大局限的，而在系统 不得用于商业用途仅供个人参考水平上可以得出更为实际的缩果。但它也不同于野外研究，它毕竟是受控系统。 在近 _卜几年的研究中模拟生态系统几乎用于各种污染的生态效应研究如重金 属、农药、有机污染，综合性排放物以及最近提出的生物安全问题等等。丰要应 用领域为：(1) 河流污染的早期报警；(2) 水生生态系统恢复过程研究；(3) 化学品、农药的生态风险评价；(4) 综合性污染物的风险评价；(5) 沉积物生态效应；(6) 生物安全评价。微生态系统的组成部分主要有几部分 ( 以水生态系统为例 ) ：系统的基本单 位，贮水库

6、，过滤系统，动力系统和条件控制系统 ( 温度、光照、流量、毒物分 配和控制)五大系统。美国环保局(USEPA),美国食品和药物管理局(FDA)均将该 方法获得的数据作为决策的依据并列入法规程序中。 1996 年 12 月美国国家科学 委员会向政府提出的“ 2l 世纪研究重点”的报告中第三个重点领域“化学品与 环境的关系” 所建议的研究内容是 “降低化学品进入环境后的不利影响, 发展实 验性的微生态系统用于污染预测中” 。微生态系统与自然系统比较：(1) 与开放系统比系统费用低 (尤其是海洋 ) ；(2) 取样容易,费时少,精度高；(3) 控制力强,易定量及物质平衡；(4) 观察和取样在同一水柱

7、,可在半自然条件下测定浮游生物速率过程；(5) 重复和控制方便；(6) 由于其可塑性强结果外推强于单种试验。微生态系统与室内系统比较：(1) 能研究不同生物；(2) 浮游生物可在低污染浓度下生跃；(3) 行为研究较真实；(4) 可进行长期和季符研究；(5) 人为影响缩小；(6) 复杂性提商；(7) 污染的物理模拟较真实；(8) 结果可直接外推自然。微生态系统与数模比较；(1) 能预测理论和模型不能预侧的结果；(2) 完全综合的过程不需要假设；(3) 包括了所有参数而不是人为认定重要的参数。微生态系统的不足：(1) 系统维护比室内单种实验复杂；(2) 环境水动力模拟能力还较弱；(3) 较小的系统

8、有壁效应；(4) 取样量有限。这些不足近年来有很大改善， 由欧盟计划资助的中生态系统的设计就是一个 力图克服上述不足的试验， 出路在于系统自动化， 大尺度反应系统， 但相对投入 的经费也大大增加。微生态模拟技术的出现和发展为 10 年前提出的生态系统健康和完整性理论 作了技术方法的铺垫。12 生态系统健康理论有必要定义生态系统健康的原因是 20 世纪的经济体系在保护自然环境方面 是失败的， 但生态系统恰恰是经济系统的基础。 生态系统健康的提法采用了广义 的医学模式， 它的实质是在系统各个层次上保护和恢复生态学过程的健康。 在持 续发展理论下就是保护自发的， 自成一体的自然过程作为理论的基本要素

9、。 持续 发展的标准有狭义的 “经济学” 生产力也有以生态学为基础的系统健康标准 它 可能不符许多读者的偏爱。 因生态系统健康不足一个可以通过公式计算获得的简 明结果。但是这个目标必须提出来， 因为人们不希望人类文明的发展改变我们的 生命支持系统的功能、 多样性和恢复能力一生态系统固有的特性。 高速度的技术 应用是工业化和后工业化社会的特征， 由于过分地利用环境， 累积的影响对生态 系统产生风险。人们度量生态系统的三种尺度：技术性的、审美与心理。有价值 的高生产力系统(技术观点)不一定是审美、心理L的有价值的环境。因此需要一 一个综合性的、长远的系统生产力价值标准， 它同时也能兼顾审美与心理的

10、要求， 这就是生态系统健康所需要的标准。较实用的定义是健康的生态系统有三个特征： 活性、结构和功能的完整性和 恢复力，这是系统持续发展的基础。健康的反义词是疾病， 生态系统的疾病是各种环境压力引起的， 它表现在以 下几个方面(1) 初级生产力减少；(2) 营养资源丧失；(3) 物种多样性丧失；(4) 短生活期、随机种及外来种占优势；(5) 关健种群波动增加；(6) 生物结构退化 ( 正常演替逆转或加速，资源性物种退化 ) ；(7) 灾变增加。在诊断生态系统过程中， 系统脉搏 压力的测定是至关重要的。 压力即是 导致上述病症的原因， 它包括各种外界强制因素 （自然）和人为因素 （ 污染） ，因此

11、 生态毒理学在因果关系的研究上 由于生态系统健康理论的提出， 在方法、 技术 上都正在发生变化。 目前正在积极研究中的有生态系统阈值研究、 系统压力与反 应关系等基础课题，也有如生态风险评价、管理等应用课题。2微观技术和方法生态毒理学的微观技术的理论基础是细胞生物学和毒理学。 细胞生物学是研 究细胞各种组份的结构与功能的学科，它的历史可追溯到发明显微镜的年代 （17 世纪 70 年代） 。现代细胞学是上世纪 60 年代实验生物学的继续，它和毒理学相 结合为生态毒理学衍生了细胞毒理学， 提供了一大批生物检测方法， 用以确认污 染物产生的生物影响， 如各种营养水平的生物毒性试验和遗传毒性试验。 二

12、个世 纪 80 年代起分子生物学的兴起，细胞毒理学的研究手段发生了革命性的变化， 对污染的研究从现象深入到本质， 细胞水平和亚细胞水平的污染响应有很多是源 于遗传基因的变化和损伤。 分子生物学是在分子水平上研究生命现象的的物质基 础的科学， 主要是研究蛋白质和核酸的结构与功能。 它的渗透又衍生出一个边缘 分支学科分子毒理学， 它也是生态毒理学的一部分， 即用现代分子生物学技术研 究环境污染的毒作用机理与结果的学科。 当然学术界有一种观点认为目前分子毒 理学仅是 -f 技术而不是学科因此欧美的教科书中仍沿用细胞毒理学的名词， 但 其中的大部分技术手段都是分子生物学的。这门技术进入上个世纪 90

13、年代后取 得了令入惊异的突破，基因定位、切割、 DNA重组等等一系列的基因工程技术在 生态毒理学中的应用与日俱增。 可以预言在今后的十年问， 细胞（ 分子）毒理学的 成就将使人们对环境问题的认识和控制有一个飞跃。从细胞到分子是微观技术发展的必然趋势。 生态毒理学认为细胞水平的效应 和分子水平的效应并不是完全等同的， 这如同宏观技术研究的个体与种群的关系 一样。在生物体的不同结构或功能层次上阐述污染效应对生态毒理学的环境解释 能力有各自不同的贡献。 在微观技术中有两个最活跃的领域， 微型生物检测和突 变研究。21 微型生物检溯技术 微型生物检测技术起源于上个世纪 70 年代，它是与生态风险分析一

14、起成长 的，人类环境的高速工业化， 化学品对人类的危害达到了空前的程度， 化学品所 引发的环境问题由于我们对化学品毒性评估能力的局限，人类己知的如DDT氯氟烃等危害只是接个情况的冰山一角。 因此建立快速的化学毒性筛选方法几乎是 各发达国家共同努力的目标。到目前为止， MBT在欧美已进入法律程序并在化学 品毒性控制中起着主要的作用。22 突变研究环境污染的致突变作用是致癌的基础。 因此各类致突变的研究技术是生态毒 理学微观技术中的重要组成部分。 分子生物学研究己知突变和未知突变有多种方 法，如单链构象多态性，变性梯度凝胶电泳等。SSCP是根据单链核酸分子在非变性条件下电泳迁移率与序列有关的特点可

15、识别 一个碱基之别的长达 371 个核苷酸的单链核酸迁移率的差异，由此发现突变。 DGG是一种能分开？个碱基差异的dsDNA分子的电泳技术它能检出lOOObpDNA片 段中约50%的所有可能的单碱基突变。PCR技术从染色体DNA中直接扩增DNA 片断的能力使DNA不必被标记就可直接用DGG分析。最新的裂解酶片段长度多 态性（CFLP）不仅能快速检测单个碱基的变化而且能定位突变。当突变型DAN及在 样品中仅占10%时仍能清晰地分辨出与野生型的差异，因此是目前突变检测中 较好的方法。Ames作为基本突变检测技术己在环境科学中使用了几十年，了解这个常规 突变技术的发展，就了解在这个领域已经发生了多么

16、大的变化。上个世纪80年代，Richard , Wecher将发光细菌新变种引入突变检测它是利用荧光酶的活性变 化（不发光细菌 （突变型）与可疑化合物接触后回复发光 ）的原理来检测致突变物。 它与Ames比具有快速、简便且灵敏度高的优点，而且费用也低。它最火的特点 是简化了检测过程。3从并行发展到相互融合上世纪 90 年代是技术爆炸的年代，也是科学名称爆炸的年代。生态毒理学 不久之前自身也是边缘学科， 可今天其中又有无数边缘学科涌现出来， 有时已分 不清彼此的界限。 只有技术发展有其特定的走向与特征， 这种现象实质上就是融 合的先兆。要真正解决环境科学中那些难题生态毒理学这个前沿学科必须有大的

17、 突破，这个前提就是宏观与微观的结合， 这不仅足研究理论上二的结台， 而且是 具体方法、技术上的结合。现在人们已经认识到从 DNA到生态系统是一个完整的 生命系统，分子，细胞，个体，群落，生态系统是一个不可分割、有机联系的整 体。生态系统的健康与DNA分子的排列是有一个逐层递推的内在联系， 正是在哲 学层面上解决了科学的基础理论问题，生态毒理学在 90年代才有可能如此迅速 的发展。 环境问题的生态学方法已不再是解决一切的基础， 同样， 有关环境治理 中生物技术的巨大潜力和潜在结果又使分子生物学家认识到： 如果分子毒理学和 生态学之间的鸿沟不架起一座桥梁就无法真正解决我们面对的问题。融合足必 然，如生物多样性是生态学问题， 但近年来分子生物学技术使它在物种保存方面 有了重大突破。 许多新的技术方法已经在形成中， 它将使生态毒理学这个前沿学 科为环境科学的发展作出重大的贡献。仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen