第三章污染物的生物效应检测

1、第三章第三章 污染物的生物效应检测污染物的生物效应检测第一节第一节 生物测试生物测试及方式及方式第二节第二节 一般毒性试验一般毒性试验第三节第三节 生物的分子和细胞水平检测生物的分子和细胞水平检测第四节第四节 生物致突变、致畸和致癌效应检测生物致突变、致畸和致癌效应检测第五节第五节 微宇宙法微宇宙法 要求:n掌握污染物的生物测试和测试方法的基掌握污染物的生物测试和测试方法的基本概念，污染物毒性的基本参数。本概念，污染物毒性的基本参数。n了解了解三致效应检测（自学）三致效应检测（自学），分子和细，分子和细胞水平检测，微宇宙法。胞水平检测，微宇宙法。n一、一、生物测试生物测试（Bioassay）指

2、系统地利用）指系统地利用生物的反应测生物的反应测定定一种或多种污染物或环境因素单独或联一种或多种污染物或环境因素单独或联合存在时，所导致合存在时，所导致影响或危害影响或危害。 n生物反应：分子、细胞、组织、器官、个生物反应：分子、细胞、组织、器官、个体、种群、群落一生态系统。体、种群、群落一生态系统。 水污染：毒性试验（水污染：毒性试验（Toxicity Test） 大气污染：植物人工熏气（大气污染：植物人工熏气（Artificial Fumigation for Plant）。）。第一节第一节 生物测试及方式生物测试及方式如，与理化检测相比，水污染生物测试可获？如，与理化检测相比，水污染生物

3、测试可获？n 环境环境状况对水中状况对水中生命的适合度生命的适合度。n 各种各种环境因素环境因素如如DO、pH、T、盐度、混浊度、盐度、混浊度等对水中生命的等对水中生命的有利及不利浓度或强度有利及不利浓度或强度。n 环境因素环境因素对于对于废物毒性废物毒性影响。影响。n 废物废物对某一被测试生物种对某一被测试生物种毒性毒性。n 水生水生生物生物对污染物相对对污染物相对敏感性敏感性。n 废水所应处理的程度，及废水处理方法的有废水所应处理的程度，及废水处理方法的有效程度。效程度。n 允许废水排放量和污染物排放浓度。允许废水排放量和污染物排放浓度。n 水质标准、对废水的要求和排放许可之间的水质标准、

4、对废水的要求和排放许可之间的一致性。一致性。生物测试意义：生物测试意义：n监测环境质量监测环境质量变化变化n确定单一污染物确定单一污染物安全浓度安全浓度n研究多种污染物的联合作用的研究多种污染物的联合作用的生物效应生物效应n制定污染物或工业废水制定污染物或工业废水排放标准排放标准、环境、环境质量标准质量标准n污染物的污染物的生态风险评价生态风险评价（Ecological Risk Assessment）。）。 二、生物测试的方式二、生物测试的方式n（一）生物测试的分类（一）生物测试的分类n根据根据经历时间经历时间：短期、中期和长期测试：短期、中期和长期测试方式。方式。 n根据根据所测试生物效应

5、性质所测试生物效应性质：毒性试验、：毒性试验、积累试验、行为试验、积累试验、行为试验、“三致三致”（致癌、（致癌、致畸、致突变）试验致畸、致突变）试验、DNA损伤试验等。损伤试验等。 1短期生物测试短期生物测试n短期的生物测试短期的生物测试（Short Term Bioassay）被）被测试生物在测试生物在短时间内暴露于高浓度短时间内暴露于高浓度污染物下，污染物下，测定污染物对生物机体影响。测定污染物对生物机体影响。n测定：测定：半数致死浓度半数致死浓度 （LC50）或半数抑制浓度或半数抑制浓度（ IC50）或半数效应浓度或半数效应浓度（ EC50）。n意义：意义：指示中期或长期指示中期或长期

6、试验时所应使用毒物浓试验时所应使用毒物浓度；度；快速估计快速估计污染物毒性、评定不同毒物或废污染物毒性、评定不同毒物或废物对某种生物的相对毒性或评定不同生物对不物对某种生物的相对毒性或评定不同生物对不同的条件如温度、同的条件如温度、pH的相对敏感性等实用。的相对敏感性等实用。n藻类藻类72h，水蚤类，水蚤类 48h、鱼类、鱼类 96h，其，其最长不超过最长不超过8d。2中期生物测试中期生物测试n中期生物测试（中期生物测试（Intermediate Term Bioassay）是介于短期和长期之间的一）是介于短期和长期之间的一类生物测试。类生物测试。n8d- -90d中期。中期。n分静止式和流动

7、式，多数采用流动式。分静止式和流动式，多数采用流动式。 3长期生物测试长期生物测试n长期生物测试（长期生物测试（Long Term Bioassays）低低浓度浓度污染物下，暴露时间要尽可能长达受试生污染物下，暴露时间要尽可能长达受试生物物整个生活史整个生活史，又称全部生活史生物测试。，又称全部生活史生物测试。n目的：目的：持续持续情况下情况下不造成不造成有害效应的有害效应的毒物最大毒物最大浓度浓度或最大允许毒物浓度（或最大允许毒物浓度（MATC）。其间包）。其间包括毒物对生长、生殖、有性生殖产物的发育、括毒物对生长、生殖、有性生殖产物的发育、成熟、产卵、孵卵的成功性、幼体的成活成熟、产卵、孵

8、卵的成功性、幼体的成活（Survival）、不同生命阶段的生长与存活、）、不同生命阶段的生长与存活、以及对畸形、行为和生物积累等的影响。以及对畸形、行为和生物积累等的影响。n只采用流动式。只采用流动式。 （二）受试生物的选择（二）受试生物的选择n敏感性敏感性。n广泛地理分布和足够数量。广泛地理分布和足够数量。n生态系统的重要组成，有生态学价值。生态系统的重要组成，有生态学价值。n 实验室内易于培养和繁殖。实验室内易于培养和繁殖。n 具丰富生物学背景资料。具丰富生物学背景资料。n 对试验毒物或因子的反应能够被测定，对试验毒物或因子的反应能够被测定，并并具有一套标准的测定方法或技术。具有一套标准的

9、测定方法或技术。n 具重要经济、旅游价值，应考虑与人类食具重要经济、旅游价值，应考虑与人类食物链的联系。物链的联系。 三三、生物测试的标准化、生物测试的标准化 n美国试验和材料学会（美国试验和材料学会（ASTM），经济），经济合作发展组织（合作发展组织（OECD），美国国家环），美国国家环保局（保局（USEPA）。）。n1991. .9. . 14颁布、颁布、1992. .8. . 1实施实施水质物质对蚤类（大型蚤）急性毒性水质物质对蚤类（大型蚤）急性毒性测定方法（测定方法（GBT13266一一91） 水质物质对淡水鱼（斑马鱼）急性毒性水质物质对淡水鱼（斑马鱼）急性毒性测定方法（测定方法（GB

10、/ T l326791）。 第二节第二节 一般毒性试验一般毒性试验 一、毒性试验常用参数一、毒性试验常用参数1、致死剂量或致死浓度致死剂量或致死浓度（Lethal Dese，LD或或 Lethal Concentration，LC）；表示一次染毒后引）；表示一次染毒后引起受试动物死亡的剂量或浓度。起受试动物死亡的剂量或浓度。n绝对致死剂量或浓度绝对致死剂量或浓度（LD100、 LC100）：表示一群）：表示一群动物全部死亡的最低剂量或浓度。动物全部死亡的最低剂量或浓度。n 半数致死剂量或浓度半数致死剂量或浓度（ LD50、 LC50。）：能引起。）：能引起一群动物的一群动物的50死亡的最低剂量

11、或浓度。死亡的最低剂量或浓度。 n 最小致死剂量或浓度最小致死剂量或浓度（ MLD，MLC），能使一群），能使一群动物中仅有个别死亡的最高剂量或浓度。动物中仅有个别死亡的最高剂量或浓度。n最大耐受剂量或浓度最大耐受剂量或浓度（LDO，LCD）：能使一群动）：能使一群动物虽然发生严重中毒，但全部存活无一死亡的最高剂物虽然发生严重中毒，但全部存活无一死亡的最高剂量或浓度。量或浓度。2、最大无作用剂量、最大无作用剂量（Maximum NoEffect LeveD：n化学物在化学物在一定时间一定时间内，按一定方式与机体接触，内，按一定方式与机体接触，按一定的检测方法或观察指标，按一定的检测方法或观察指

12、标，不能观察到任不能观察到任何损害作用的最高剂量何损害作用的最高剂量。n评定外来化合物毒性作用，制订：评定外来化合物毒性作用，制订：n人体每日容许摄入量人体每日容许摄入量（AccePtable Daily Intake，ADI ） ：人类终生每日摄入该外来化学物对人体不：人类终生每日摄入该外来化学物对人体不致引起任何损害作用的剂量致引起任何损害作用的剂量n最 高 容 许 浓 度最 高 容 许 浓 度 （ M a x i m u m A l l o w a b l e Concentration，MA ） ：某一环境污染物可以在：某一环境污染物可以在环境中存在而不致对人体造成任何损害作用的浓度环

13、境中存在而不致对人体造成任何损害作用的浓度 3、最小有作用剂量、最小有作用剂量（Minirnal Effect level）：n能使机体发生某种异常变化所需的能使机体发生某种异常变化所需的最小剂最小剂量量。一般略高于最大无作用剂量，亦称中。一般略高于最大无作用剂量，亦称中毒阈剂量毒阈剂量（Threshod Devel）。4、毒作用带、毒作用带(Toxic Effect Zone)：综合评价外来化：综合评价外来化合物危险性指标。急性毒性作用带和慢性毒性作用合物危险性指标。急性毒性作用带和慢性毒性作用带。带。n 急性毒性作用带急性毒性作用带 =半数致死量半数致死量/急性毒性最小有作用剂量急性毒性最

14、小有作用剂量 此比值愈大，此种外来化合物引起死亡的危险性就愈小。此比值愈大，此种外来化合物引起死亡的危险性就愈小。n 慢性毒作用带慢性毒作用带=急性毒性最小有作用剂量急性毒性最小有作用剂量/慢性毒性最小慢性毒性最小有作用剂量有作用剂量 这一比值愈大，表明引起慢性毒性中毒的可能性愈大；这一比值愈大，表明引起慢性毒性中毒的可能性愈大； 5、半数效应浓度、半数效应浓度（EC50）：）：是指能引起 50受试生物的某种效应变化的浓度。通常指非死亡效应。6、半数抑制浓度、半数抑制浓度（IC50）：）：引起受试生物的某种效应50抑制的浓度。 毒性分级毒性分级:P102:P102，表，表二、急性毒性实验二、急

15、性毒性实验n急性毒性实验急性毒性实验（Acute Toxicity Test）：研究物质）：研究物质大剂量一次染毒或大剂量一次染毒或24小时多次染毒小时多次染毒动物所引起的毒性实验。动物所引起的毒性实验。n目的：短期了解该物质毒性大小。目的：短期了解该物质毒性大小。n哺乳、水生（鱼、水蚤、藻类）、蚯蚓哺乳、水生（鱼、水蚤、藻类）、蚯蚓参照美国公共卫生协会编著参照美国公共卫生协会编著水和废水标准检验法水和废水标准检验法（中译（中译本本，15版，中国建筑工业出版社，版，中国建筑工业出版社，1985）参照参照中国环境监测总站等编中国环境监测总站等编环境监测技术规范环境监测技术规范（第四册，（第四册，

16、生物监测（水环境部分）生物监测（水环境部分），国家环保局出版，国家环保局出版，1986）三、亚慢性和慢性毒性试验三、亚慢性和慢性毒性试验n 亚慢性毒性试验慢性毒性试验（Subchronic Toxicity Test）是是在相当于动物生命周期的在相当于动物生命周期的1/30或或1/201/20时间时间内使动物每日或反复多次接触受试物的毒内使动物每日或反复多次接触受试物的毒性实验。性实验。n目的：目的：对主要毒作用、靶器官、最大无作对主要毒作用、靶器官、最大无作用剂量或中毒阈剂量作出估计。用剂量或中毒阈剂量作出估计。 四四、蓄积毒性试验、蓄积毒性试验 n低于中毒阈剂量低于中毒阈剂量的外来化合物，

17、反复多的外来化合物，反复多次地与机体次地与机体持续接触持续接触，经一定时间后使，经一定时间后使机体出现明显的中毒表现，即为蓄积毒机体出现明显的中毒表现，即为蓄积毒性作用性作用（Cumulative Toxicity Action）。第三节第三节 生物的分子和细胞生物的分子和细胞 水平检测水平检测 n测定周期短、灵敏，可对化学品筛选及其环境测定周期短、灵敏，可对化学品筛选及其环境影响预测。影响预测。指标：指标：n加合物测定：加合物测定：DNA加合物，蛋白质加合物加合物，蛋白质加合物n一般代谢酶的活性测定：一般代谢酶的活性测定：AChE, ATPasen解毒系统酶类诱导作用的检测解毒系统酶类诱导作

18、用的检测:MFOn抗氧化防御系统检测抗氧化防御系统检测: :Ct第四节第四节 生物致突变、致畸和生物致突变、致畸和 致癌效应检测致癌效应检测 第五节第五节 微宇宙法微宇宙法n微宇宙（微宇宙（MicrocosmMicrocosm）法）法是研究污染物是研究污染物在生物在生物种群、群落、生态系统和生物圈种群、群落、生态系统和生物圈 水平上水平上的一种方法，有称模型生态系统的一种方法，有称模型生态系统法（法（Model EcosystemModel Ecosystem）。）。n微宇宙是自然生态系统一部分，但不能包含微宇宙是自然生态系统一部分，但不能包含全部过程，也可应用于污染生态系统。全部过程，也可应

19、用于污染生态系统。n分：自然微宇宙和人工微宇宙分：自然微宇宙和人工微宇宙n“生物圈生物圈2号号”建造在美国亚利桑那州的沙漠中，是一个人工建造的模拟地球生态环境建造在美国亚利桑那州的沙漠中，是一个人工建造的模拟地球生态环境的全封闭的实验场，的全封闭的实验场， “微型地球微型地球”，或，或“火星殖民地原型火星殖民地原型”。 1993年年1月，月，8名科学家进入名科学家进入“生物圈生物圈2号号”。科学家们原计划让工作人员在。科学家们原计划让工作人员在“生物圈生物圈2号号”中生活两年，为今后人类登陆其他星球建立居住基地进行探索。中生活两年，为今后人类登陆其他星球建立居住基地进行探索。1994年年3月，

20、月，7名名“生物驾驶员生物驾驶员” 第二次实验，第二次实验，1年半后再次失败。年半后再次失败。 1996年，实验项目换了新负责人年，实验项目换了新负责人查勒斯查勒斯巴里巴里奥斯蒙德，同时，哥伦比亚大学奥斯蒙德，同时，哥伦比亚大学 “生物圈2号”区域 面积(m2) 体积(m3) 土壤(m3) 水分(m3) 大气(m3) 集约农业区 2000 38000 2720 60 35220 居住区 1000 11000 2 1 10997 热带雨林 2000 35000 6000 100 28900 热带草原/海洋/沼泽 2500 49000 4000 3400 41600 沙漠 1400 22000 4000 400 17600 “西肺” 1800 15000 0 0 15000 “南肺” 1800 15750 0 750 15000 一年多以后，氧气含量从一年多以后，氧气