《环境生物学》课件

环境生物学环境生物学1绪论

本章主要讨论以下三方面的内容：环境与环境问题环境科学概述环境生物学概述绪论本章主要讨论以下三方面的内容：21环境与环境问题环境（Environment）的概念：请思考以下三个问题：“这里环境真优美！”中的“环境”指的是什么？作为环境科学术语的“环境”指的是什么？生态学中“环境”的概念又是什么？1环境与环境问题环境（Environment）的概念：3一般工具书中定义的“环境”概念是指人以外的客观事物，将环境作为一种人以外的客观存在来加以定义，如新华字典中定义为：周围的一切事物。作为环境科学术语的“环境”概念环境科学所研究的中心事物是“人”，则环境是以人类为主体的外部世界，是“人类生存的环境”，在此基础上定义：

影响人类生存和发展的各种天然的和经过人工改造的自然因素的总和。

生态学中“环境”的概念生态学研究的中心事物是“生物”，则环境是以整个生物界的生命为主体，是“生物生存的环境”，可定义： 直接或间接影响生物生存和发展的各种因素的总和。

小结：“环境”具有相对性，在不同的学科中含义不同，主体的改变往往导致环境概念含义的不同。人类是环境发展到一定阶段的产物，环境是人类生存的物质基础，环境在影响人类生产、生活的同时，人类也在不断地利用和改造自然环境。故人类和环境密切联系，相互作用。

一般工具书中定义的“环境”概念4环境问题环境问题的概念指由于人类活动作用于人们周围的环境所引起的环境质量变化，以及这种变化反过来对人类生产、生活和健康的影响问题。其产生是人类社会发展到一定阶段人类与环境矛盾激化的产物。其实质是由于人类活动超出了环境的承受能力，对其所赖以生存的自然生态系统的结构和功能产生了破坏作用，导致人与其生存环境的不协调。环境问题的分类环境污染生态破坏重大的环境问题温室效应和气候变暖臭氧层的破坏酸雨有毒物质污染环境问题环境问题的概念520世纪著名的八大公害事件公害事件名称地点时间危害情况1.马斯河谷烟雾事件比利时1930.12几千人发病，60人死亡2.多诺拉烟雾事件美国1948.10 6000人患病，17人死亡3.伦敦烟雾事件英国1952.125天内4000人死亡4.洛杉矶光化学烟雾美国40年代引起眼病，喉头炎,头痛5.水俣事件日本1953始痴呆，神经失常，死亡6.富山事件日本1931始关节痛,骨骼软化萎缩,痛死？？7.四日事件日本1970年哮喘，肺气肿，10多人死亡8.米糠油事件 日本1968年患者5千多人，死亡16人表绪－120世纪著名的八大公害事件20世纪著名的八大公害事件公害事件名称地点时间危害情6温室效应与全球变暖温室效应大气对地表热辐射能遮挡保温的属性类似温室中玻璃具有的作用，故被称为温室效应。温室气体大气中能强烈吸收地面辐射产生温室效应的气体。包括：二氧化碳、水汽、甲烷、氧化亚氮、臭氧等。全球变暖问题主要指人为活动造成的温室气体增加，温室效应增强带来的气候变化。人类活动对气候变暖的影响主要表现为由于工业生产需要的化石燃料使用量大增，人口激增城市化发展等引起人为排放的二氧化碳等温室气体不断增加；热带森林和温带植被破坏严重，光合作用吸收二氧化碳的能力减弱。温室效应与全球变暖温室效应7资料表明1860年以来，全球地表年平均气温升高了0.3-0.6℃；根据跨政府气候变化委员会预测，从1990到2100年，全球陆面气温将增加2℃；气候变暖的直接结果是世界各地冰川的溶化（后退），引起海平面的上升。海平面升高的后果是严重的，将直接威胁世界沿海城市及30多个岛屿的生存和发展。美国环保专家预测，再过50－70年，东京、大阪、曼谷、威尼斯、圣彼得堡、阿姆斯特丹以及中国等一些沿海城市会被完全和局部淹没。气候变暖的间接结果是灾害性气候：厄尔尼诺现象。厄尔尼诺可以引起全球大范围的干旱，也可使某些地区暴雨成灾。例如，1997年3月开始的第14次厄尔尼诺：中国：长江、松花江、嫩江全流域大洪水，直接损失几千亿元。98年1月10日张北地区6．2级地震。11月19日云南宁蒗又生生6．2级地震。资料表明8臭氧层破坏臭氧——O3臭氧大部分集中在10~30km的平流层。平流层中臭氧的存在对于地球生命物质至关重要，通过吸收太阳辐射维护地球的能量平衡和生态平衡。因为，它阻挡了UV-B段紫外辐射到达地面。研究表明UV—B能破坏生物蛋白质和基因物质，造成细胞死亡；使八类皮肤癌发病率增高；伤害眼睛导致白内障而使眼睛失明；抑制植物如大豆、瓜类、蔬菜等的生长；并穿透10m深的水层，杀死浮游植物和微生物，从而危及水中生物的食物链和自由氧的来源，影响生态平衡和水体的自净能力。因此，臭氧层实际上已成为地球生命系统的保护层。南极臭氧层空洞——OzoneHole80年代观测发现，自每年9月份下旬开始，南极洲上空的臭氧总量迅速减少一半左右，极地上空臭氧层的中心地带，近90％臭氧被破坏，若从地面向上观测，高空臭氧层已极其稀薄，与周围相比象是形成了一个直径上千公里的洞，称为“臭氧洞”。臭氧层破坏臭氧——O39酸雨一般将pH小于5.6的降雨称为酸雨。酸雨的成因？酸雨的危害？酸雨一般将pH小于5.6的降雨称为酸雨。10被严重腐蚀的建筑物被严重腐蚀的建筑物11有毒物质污染有毒物质污染是指对生态系统和人类健康有毒害作用的物质排放到环境中而引起的危害。这些物质都是生产和生活过程中的产物，如废水、废气和固体废弃物、农药、化肥和放射性物质等。有毒物质污染有毒物质污染是指对生态系统和人类健康有毒害作用的12生态环境破坏生态环境破坏是由于对自然资源的不合理开发和利用而引起的。例如：中国科学院发布的一份国情报告： 中国在90年代的沙漠化速度是每年2100km2，相当于两个半香港，或30个北京城。而2000年已达2460km2，2003年已超过3000km2。遥感普查数字表明： 中国水土流失面积已达367万km2，约占国土面积的38％，总量达每年50亿吨，相当于全国的耕地每年被剥去1cm的肥土层，损失N.P.K肥4000多万吨，相当于全国1年生产化肥的总和。地球土层的平均厚度18cm，在温带地区的自然条件下,每形成1cm的表土需100－400年，即使管理极好，也需20年。此外，黄河断流，塔里木河断流，罗布泊消失，长江危机，长江每年表土流失24亿吨，5亿吨流入东海。还有，滥用化肥和农药，造成土壤退化，我国中低产田已由原来的60％上升到80％。生态环境破坏13

小结解决环境问题的根本途径是调节人类社会活动与环境的关系。要真正实现这种调节必须具备下列条件：掌握自然生态规律。通晓环境变化过程，能预测人类活动引起的环境影响，运用规律去利用自然资源、改造自然。《环境生物学》课件142环境科学概述

2.1环境科学的研究对象和任务环境科学的研究对象环境科学是是以“人类－环境”系统为其特定的研究对象，它是研究“人类－环境”系统的发生、发展、调节和控制以及改造和利用的科学。环境科学的任务环境科学的任务是揭示人类－环境矛盾的实质，研究两者之间的辨证关系，掌握其发展规律，调控人类－环境之间的物质和能量交换过程，寻求解决矛盾的途径和方法，以改善环境，促进人类社会的向前发展。2环境科学概述

2.1环境科学的研究对象和任务152.2环境科学的发展史相关学科的探索：19世纪末期，地学、生物学、化学、物理学、医学和一些工程技术学科的学者分别从本学科的角度开始对环境问题进行探索和研究。环境科学的孕育：20世纪50年代，在地学、生物学、化学、物理学、医学和一些工程技术学科的基础上，逐渐形成了一些新的边缘学科，如环境生物学、环境化学、环境物理学、环境医学、环境工程学、环境经济学、环境管理学等等，在这些分支学科的基础上，孕育着环境科学。环境科学的形成：1972年，英国经济学家B.沃德、美国微生物学家R.杜德斯主编出版了《只有一个地球》一书，该书被认为是环境科学的一部绪论性质的著作，从此形成了环境科学相对独立的研究体系。环境科学的新境界：1992年，在里约热内卢会议上提出了“可持续发展”的新概念。在这一新发展观的指导下，环境科学又进入了一个更高的境界，将从此发展成为一门崭新的、独立的科学。2.2环境科学的发展史162.3环境科学的内容添加环保概论上的图2.3环境科学的内容添加环保概论上的图173环境生物学概述

3.1环境生物学的定义、研究对象和目的什么是环境生物学？环境生物学是研究生物与受人类干扰的环境之间相互作用规律及其机理的科学。环境生物学的研究对象环境生物学的研究对象是生物与受人类干扰的环境之间相互关系环境生物学的研究目的环境生物学的研究目的：在于为人类维护生态健康，保护和改善环境，为合理利用自然和自然资源提供科学基础，促进环境和生物的相互关系以有利于人类的生存和社会的可持续发展。环境生物学的形成和发展3环境生物学概述

3.1环境生物学的定义、研究对象和目的什183.2环境生物学的任务与研究内容任务阐明环境污染的生物学或生态学效应探索生物对环境污染的净化原理探讨自然保护生物学和恢复生态学、保护生态学的原理与方法研究内容环境污染的生物效应环境污染的生物净化保护生态学3.2环境生物学的任务与研究内容任务阐明环境污染的生物学或193.4环境生物学的研究方法野外调查和试验实验室试验模拟研究3.4环境生物学的研究方法203.5环境生物学的发展趋势目前发展的趋势主要表现在以下几个方面：生态毒理学研究生态毒理学（Ecotoxicology）是研究环境压力对生态系统内的种群和群落的生态学和毒理学效应，以及物质或因素的迁移途径和与环境相互主要规律。环境生物学正向宏观和微观两极方向深入发展：宏观领域内，研究对象已由个体、种群、群落转移到生态系统和景观生态，向在生态系统水平上评价生态效应的方法和模型发展；在微观领域，采用分子生物学、遗传学等生物学方法和技术，研究污染物及其代谢物与生物大分子及细胞的相互作用等。环境污染的生物净化研究开发对高浓度有机废水、生物难降解物质、氮磷营养物质等能有效去除的新工艺和新方法。环境生物技术环境质量的生物监测与评价技术的发展污染净化和受损环境修复的生物技术保护生态学自然保护生态学恢复生态学3.5环境生物学的发展趋势目前发展的趋势主要表现在以下几个213.6环境生物学与相关学科的关系与生态学学科的关系生态学的研究重点在生态系统和生物圈各组成成分之间的相互关系。环境生物学是以生态学的基本原理作为其理论基础的，但其研究的环境是以人类为主体的环境，从研究的切入点和研究层次上两者是不同的。与毒理学学科的关系毒理学是研究外来化合物对生物体毒性作用的一门学科。环境生物学在毒理学的基础上，进一步应用生态学、分子生物学、生物化学及生物物理学等基础学科对环境污染物的毒作用机理、影响其毒性作用的各种因素和控制规律等众多内容进行深入研究。3.6环境生物学与相关学科的关系与生态学学科的关系22本课程的重点内容和学习要求环境污染的生物效应要求：理解污染物在环境中的迁移、转化和积累的生物学规律以及在各个水平上对生物的影响和危害，在此基础上，掌握环境污染的生物监测与生物评价的基本理论和方法。环境污染的生物净化：要求：理解环境污染生物净化的基本原理和方法，理解生物降解的规律、原理和途径，了解现代生物技术在污染物生物净化中的应用。本课程的重点内容和学习要求环境污染的生物效应23在学习了本章内容之后，请思考以下问题：环境生物学在环境科学研究中有哪些作用？应如何开展环境生物学的研究？在学习了本章内容之后，请思考以下问题：环境生物学在环境科学研24第一篇环境污染的生物效应

第一篇环境污染的生物效应

25第一章环境污染物在生态系统中的行为本章将讨论以下内容：环境污染概述污染物在环境中的迁移与转化污染物在生物体内的生物转运和生物转化污染物在生物体内的浓缩、积累和放大生物对污染物在环境中行为的影响第一章环境污染物在生态系统中的行为本章将讨论以下内容：26

1环境污染物在生态系统中的行为

1.1环境污染概述什么是环境污染（EnvironmentalPollution）？通常，环境污染主要指人类活动所引起的环境质量下降而有害于人类及其它生物的正常生存和发展的现象。而自然过程引起的同类现象称为自然突变或异常。环境污染的分类生物污染化学污染物理污染按污染物性质废气污染废水污染固体废弃物污染噪声污染辐射污染按污染物形态

1环境污染物在生态系统中的行为

1.1环境污染概述什么27环境效应——环境污染所导致的环境变化环境生物效应：指各种环境因素变化而导致生态系统变异的结果。环境化学效应：在多种环境条件的影响下，物质之间的化学反应所引起的环境效果。如：酸雨、光化学烟雾等。环境物理效应：物理作用引起的环境效果。如热污染、噪声污染等。环境效应——环境污染所导致的环境变化28污染源（PollutionSource）工业污染源农业污染源交通运输污染源生活污染源污染源（PollutionSource）工业污染源29污染物的自然来源（NaturalSource）:自然界向环境排放，如：活动的火山或矿床；交通工业农业污染物的人为来源（ArtificialSource）:来自人类活动，影响范围广、危害大，如工业三废图1-1污染源示意图污染物的自然来源（NaturalSource）:自然30污染物（Pollutant）污染物指进入环境后使环境的正常组成结构、状态和性质发生变化，直接或间接有害于人类的生存和发展的物质。生产性污染物和生活污染物一次污染物和二次污染物：二次污染物是指进人大气的一次污染物之间相互作用或一次污染物与正常大气组分发生化学反应，以及在太阳辐射线的参与下引起光化学反应而产生的新的污染物，它常比一次污染物对环境和人体的危害更为严重。优先污染物（PriorityPollutant）：指在众多的污染物中筛选出的潜在危险大的作为优先研究和控制对象的污染物，亦称优先控制污染物。主要针对下列污染物：有毒有机化学污染物、生物难降解性物质、具有生物积累性、三致性的污染物污染物（Pollutant）污染物31小结环境污染的特点：影响范围大作用时间长污染物浓度低、情况复杂污染容易、治理难小结环境污染的特点：321.2污染物在环境中的迁移与转化

1.2.1污染物在环境中的迁移迁移的定义：迁移是指污染物在环境中发生的空间位置的移动及其引起的富集、分散和消失的过程。污染物进入环境的途径包括：（1）人类活动过程中无意排放（2）工业三废（3）人类活动过程中故意应用注：进入环境的污染物可以在各个环境要素（水、气、土）中发生迁移并输送到很远的距离。污染物的长距离传送，往往由局部性污染引发区域性污染甚至全球性污染，这也是环境污染成为当代主要环境问题的原因之一。1.2污染物在环境中的迁移与转化

1.2.1污染物在环33污染物在环境中的迁移方式机械迁移（1）水的机械迁移作用（2）气的机械迁移作用（3）重力的机械迁移作用物理－化学迁移★污染物在环境中迁移的最重要的形式。（1）溶解－沉淀作用、络合－螯合作用、吸附－解吸作用、氧化－还原作用、水解作用（2）化学分解、光化学分解、生物化学分解生物迁移例：生物通过食物链对重金属的放大积累作用污染物在环境中的迁移方式机械迁移34影响迁移的因素：内部因素污染物自身的物理化学性质：组成该物质的元素所具有的组成化合物的能力、形成不同的电价离子能力、水解能力、形成络合物的能力、被胶体吸附的能力原子的电负性、离子半径、电价、离子电位和化合物的键性、溶解度等都是影响迁移的主要理化参数。外部因素酸碱条件氧化－还原条件胶体的种类、数量络合配位体的数量、性质影响迁移的因素：内部因素351.2.2污染物的形态和分布（FormandDistributionofPollutant）污染物的形态定义：指环境中污染物的外部形状、化学组成和内部结构的表现形式。污染物的存在形态包括：价态，如Cr（VI）、Cr（III）化合态，如有机汞和无机汞结构态，如同分异构体络合态几种重要的形态分类离子态代换态胶体有机结合态难溶态1.2.2污染物的形态和分布（FormandDistr36污染物的分布污染物的分布定义：指污染物在环境多组分间分布，不仅指在环境空间的浓度分布，而且还指污染物不同形态、不同相态之间的分配。例：汞形态的分布污染物的分布污染物的分布371.2.3污染物在环境中的转化（TransformationofPollutant）转化的定义指污染物在环境中通过物理、化学或生物的作用改变形态或转变成另一种物质的过程。转化的形式物理转化：化学转化生物转化转化的结果：两种可能：污染物转化为无毒物质或易降解结构污染物的毒性增强或转化为难降解结构1.2.3污染物在环境中的转化（Transformatio38大气中的转化：以光化学氧化、催化氧化反应为主例一：光化学烟雾（PhotochemicalSmog）光化学烟雾是大气中氮氧化物和碳氢化合物在紫外线照射下反应生成的多种污染物的混合物。光化学烟雾最具危害的两种物质是臭氧(O3)和过氧乙酰硝酸酯(peroxyacetylnitrates,PAN)。例二：酸雨（AcidRain）大气中的转化大气中的转化：以光化学氧化、催化氧化反应为主大气中的转化39图1－2光化学烟雾实例图1－2光化学烟雾实例40**图1-3光化学烟雾形成过程**图1-3光化学烟雾形成过程41自然源、电厂以及内燃机等排放出的污染物在大气中发生化学反应产生导致酸沉降的化学物质。图1－4酸沉降形成示意图自然源、电厂以及内燃机等排放出的污染物在大气中发生化学反应产42水体中的转化水体中的转化主要通过下列途径：氧化－还原作用天然水体本身是一个氧化－还原体系，含有多种无机、有机氧化剂和还原剂，如DO、Fe3+、Mn4+、S2－、有机化合物等，对污染物的转化起重要作用。水体中的氧化还原类型、速率和平衡，在很大程度上决定了水中重要污染物的性质。如：厌氧性湖泊水体中的许多氧化还原反应均为微生物催化反应。配合作用无机配位体：OH－、Cl－、CO32-、HCO3－等有机配位体：生物降解作用土壤中的转化土壤是环境中微生物最活跃的场所，故生物降解起重要作用。水体中的转化43氧垂曲线（OxygenSagCurve）氧垂曲线的定义在河流受到有机物污染时，由于有机物的氧化分解作用，水体的DO发生变化。从污染源到河流下游一定距离内，可绘制一条DO逐渐变化的曲线，称之为氧垂曲线。根据有机物在水体中分解变化和DO的变化，可把受污河流分成几段:清洁区：未受污染分解区腐败区恢复区氧垂曲线（OxygenSagCurve）氧垂曲线的定义441.2.4污染物的生物地球化学循环生物地球化学循环的概念指生物的合成作用和矿化作用所引起的污染物周而复始的循环运动过程。注：合成作用指生物（主要是绿色植物）将吸收的环境化学物质转变为生物体本身的有机物质的过程。矿化作用指生物通过代谢作用（包括微生物的分解作用）将生物体的有机物质转化为无机物质或简单的有机物。循环过程循环机理1.2.4污染物的生物地球化学循环生物地球化学循环的概念451.3污染物在生物体内的生物转运和生物转化

1.3.1生物转运生物转运（Bio－transportorBiotransport）的概念生物转运：是指环境污染物经各种途径和方式同生物机体接触而被吸收、分布和排泄等过程的总称。这些过程都需要通过细胞的膜结构。细胞膜（生物膜）有多种：细胞质膜、内质网膜、线粒体膜、核膜等；它们基本的化学组成、分子结构、功能有共同的特征。一般细胞膜由蛋白质分子和脂质分子（主要是磷脂类）组成1.3污染物在生物体内的生物转运和生物转化

1.3.1生物46细胞质膜结构图细胞质膜结构图47污染物透过细胞膜的方式特点方式浓度梯度有无载体是否耗能其它特点简单扩散高浓度低浓度（顺）无否脂溶性有机化合物的主要转运方式滤过过程通过膜上的亲水性孔道主动转运低浓度高浓度（逆）有耗能水溶性大分子化合物的主要方式易化扩散高浓度低浓度（顺）有否胞饮作用内吞物质为液体吞噬作用内吞物质为固体物质表1－1污染物透过细胞膜的方式污染物透过细胞膜的方式特点方式浓度48污染物的吸收（AbsorptionofPollutant）：指污染物在多种因素影响下，自接触部位透过体内细胞膜进入血液循环的过程。动物吸收的主要途径有：呼吸系统、消化管和皮肤（1）呼吸系统吸收特点:吸收对象主要针对气体、蒸汽、气溶胶等形式的污染物。吸收方式多以被动扩散的方式，通过呼吸膜吸收入血。主要部位例如：肺，肺泡数量多，表面积大，遍布毛细血管，便于污染物经肺迅速吸收进入血管。（2）消化管吸收特点：吸收对象主要为饮水和由大气、水、土壤进入食物链中的污染物。吸收方式多以简单扩散方式通过细胞膜而被吸收。主要部位如胃和小肠。（3）皮肤吸收：如有机磷农药可透过完整皮肤引起中毒。污染物的吸收（AbsorptionofPollutant49植物吸收的主要途径：（1）根部吸收以及随后随蒸腾流而输送到植物各部分；（2）通过植物叶片上的气孔从周围空气中吸收污染物，是植物对大气污染物吸收的主要方式；（3）有机化合物的蒸汽经过植物地上部分表皮渗透而摄入体内污染物的体内分布指环境污染物随血液或其它体液的流动，分散到全身各组织细胞的过程。污染物的排泄指进入机体的环境污染物及其代谢产物被机体清除的过程。排泄的主要途径是通过肾脏进入尿液和通过肝脏的胆汁进入粪便，有的环境污染物还可随同呼出的气体、汁液等排出体外。植物吸收的主要途径：503.2污染物在体内的生物转化生物转化（Biotransformation）的概念生物转化指外源化合物进入生物机体后在有关酶系统的催化作用下的代谢变化过程。注1：外源化合物（Xenobioticcompounds）指除了营养元素及维持正常生理功能和生命所必需的物质以外，存在于环境之中，可与机体接触并进入机体引起机体发生生物学变化的物质。又叫外来化合物或外源性生物活性物质。例如：药物、日用化学品、食品添加剂、环境污染物等。生物外源性物质是指那些人工合成的，具有不被现有降解酶系所识别和作用的分子结构和化学键序列的化合物，简而言之，就是不能被生物降解的化合物。如DDT、六六六、多氯联苯、染料、塑料、合成橡胶等。注2：内源性化合物指生物机体正常的生理活动产生的物质。注3：酶（Enzyme）是由活细胞产生的，能在体内和体外起同样催化作用的一类具有活性中心和特殊构象的生物大分子，包括蛋白质和核酸。注4：生物转化的主要场所是肝脏，其它有肺、胃、肠、皮肤等。3.2污染物在体内的生物转化生物转化（Biotransfo51生物转化的过程相I过程（反应）外源性化合物在有关酶系统的催化下经由氧化、还原或水解反应改变其化学结构，形成某些活性基团（－OH、－SH、－COOH、－NH2）或进一步使这些活性基团暴露。相II过程（反应）相I过程产生的一级代谢物在另外的酶系统催化下通过上述活性基团与细胞内的某些化合物结合，生成结合产物（二级代谢物）或带有某些基团的外源性化合物与细胞内物质结合反应。生物转化的过程相I过程（反应）52排出体外外源性化合物一级代谢物结合产物（二级代谢物）毒害作用过程I（相I反应）图1－5生物转化过程示意图过程II（相II反应）排出体外外源性化合物一级代谢物结合产物毒害作用过程53《环境生物学》课件54相I反应的主要类型：氧化反应：微粒体混合功能氧化酶参与的反应，例如脂肪族羟化非微粒体反应还原反应：微粒体还原非微粒体还原水解反应相II反应的主要类型：相I反应的主要类型：55微生物对生物外源性物质的转化作用微生物对生物外源性物质的转化主要有以下几种形式：脱卤（主要是脱氯），如DDT的脱氯还原，将生物外源性物质上的取代基，特别是硝基，进行还原；水合反应，如对有机氰的水合反应，形成无毒的含氮有机化合物图DDT的微生物转化TNT的微生物转化微生物对生物外源性物质的转化作用微生物对生物外源性物质的转化56影响生物转化的因素物种差异和个体差异由各自的遗传因素决定，主要表现在体内酶的种类和活力不同上。饮食营养状况蛋白质、无机盐、维生素等营养缺乏时会不同方式地影响生物转化作用。生理因素年龄因素性别因素激素和昼夜规律：机体在每日不同时间的生物转化能力有高低差异，与内分泌功能的昼夜规律有关。代谢酶的抑制和诱导影响生物转化的因素物种差异和个体差异57小结任何一种外源性化合物的生物转化方式不是简单的，它们可同时进行不同的氧化还原或水解反应，此后又可继续进行不同类型的结合反应。生物转化的结果有两方面：解毒作用（失活）：使外源性化合物毒性降低，易于排出，或使其转变为易于被其它微生物所降解的化合物。增毒作用（活化）：使其毒性增加小结任何一种外源性化合物的生物转化方式不是简单的，它们可同时581.4环境污染物在生物体内的浓缩、积累和放大基本概念：生物浓缩（Bioconcentration）指生物机体或处于同一营养级上的许多生物种群，从周围环境中蓄积某种元素或难分解化合物，使生物体内该物质的浓度超过环境中的浓度的现象，又称生物学浓缩、生物学富集。生物浓缩系数KBCF（BioconcentrationFactor）KBCF＝物质在生物体内的浓度/物质在环境介质中的浓度生物积累（Bioaccumulation）指生物在其整个代谢活跃期间通过吸收、吸附、吞食等各种过程，从周围环境中蓄积某些元素或难分解化合物，以致随着生长发育，浓缩系数不断增大的现象，又称生物学积累。1.4环境污染物在生物体内的浓缩、积累和放大基本概念：59生物放大（Biomagnification）指在生态系统中，由于高营养级生物以低营养级生物为食物，某元素或难分解化合物在生物机体中浓度随营养级的提高而逐步增大的现象，又称生物学放大。思考：许多生物外源性物质在环境中的含量很低，通常在ppb级，为什么这么低的浓度还会引起严重的问题？这正是由于生物放大作用造成的，这样的生物外源性物质必须满足以下两个条件：一、难以生物降解；二、具有亲脂性。思考：三个概念的有何区别？有何意义？生物浓缩：C体内>C环境生物积累：t（生长期），KBCF生物放大：营养级，KBCF生物放大（Biomagnification）60生物浓缩系数的测定平衡浓缩系数：物质交换达到动态平衡时的浓缩系数。测定方法：优缺点实验室饲养法：条件易于控制，但数值不够准确野外调查法：数值标准，但技术难度大，可能时间周期长动力学方法：节省试验时间，更适合大个体生物影响因素生理因素：如生物的生长、发育、大小、年龄环境因素：如污染物的浓度、化学形态、环境温度、pH值、光照条件及季节生物浓缩系数的测定平衡浓缩系数：物质交换达到动态平衡时的浓缩61表1－2汞在水生物中的富集生物类型汞浓度（ppm）浓缩系数食肉娃鱼1-210000-20000小鱼0.1-0.31000-3000低等动物0.02-0.05200-500植物0.01-0.02100-200海水0.0001表1－2汞在水生物中的富集生物类型汞浓度（ppm）浓缩系数食62生物浓缩机理和浓缩模型生物浓缩机理和浓缩模型63qvCBiVBCBVTCTK2CTqvCBo血液组织图1－6生物体某一组织生物浓缩的机理模型由此可知：生物组织中化合物的浓度不仅与该化合物在该组织中的代谢速率有关，还与进出组织的血液中的化合物浓度差成正比。qvCBiVBCBVTCTK2CTqvCBo血液64影响生物浓缩的因素生物种的生物学特征不同组织器官的影响不同生育期与性别的关系污染物的性质污染物浓度和作用时间环境条件影响生物浓缩的因素生物种的生物学特征651.5生物对污染物在环境中行为的影响

1.5.1生物污染（BiologicalPollution）

环境中的病原微生物（PathogenicMicroorganism）例如：沙门氏菌、霍乱弧菌、肠道病毒等水体的富营养化（Eutrophication）概念：指大量的氮磷等营养元素物质进入水体，使水中藻类等浮游生物旺盛增殖，从而破坏水体的生态平衡的现象。不良后果：微生物代谢产物产生的污染硫化氢酸性矿水硝酸和亚硝酸微生物毒素指微生物在其生长、代谢过程中所产生的毒素，可污染食品和环境，危害人类健康。如黄曲霉毒素、葡萄球菌肠毒素、藻类毒素等。1.5生物对污染物在环境中行为的影响

1.5.1生物污染（66酸性矿水反应式？？成因由黄铁矿（FeS2）氧化所产生的硫酸引起，微生物与形成酸性矿水的整个过程密切相关。当pH<3.5时，铁细菌即氧化亚铁硫杆菌可催化铁的氧化，其它如氧化硫硫杆菌和氧化亚铁铁杆菌都与酸性矿水的形成密切相关。危害酸性矿水中最有破坏性的组分是硫酸，有直接的毒性及其他不良影响。防治利用碳酸钙矿石中和过量酸性矿水，但Fe(III)往往同时存在，反应后，pH上升，Fe(OH)3立即覆盖在碳酸钙矿石的表面成为不透水层，这种保护效应阻止了碳酸钙对酸的进一步中和。酸性矿水反应式？？成因671.5.2金属的生物转化金属的毒性影响因素：金属的浓度、金属的存在状态例如，六价铬比三价铬毒得多；甲基汞的毒性比其他的汞化合物毒性大得多；有机锡比无机锡毒，有机锡中的烷基锡比芳香基锡毒，烷基锡中三烷基又比其他烷基锡毒。金属的微生物转化微生物对金属的毒性转化，主要是氧化还原和甲基化作用。1.5.2金属的生物转化金属的毒性68汞的转化汞的存在形式无机汞：零价的金属汞与一价汞盐几乎不溶;二价汞盐除了硫化汞、碘化汞外几乎均可溶解有机汞：汞易和有机基团形成化合物，通常是以共价键连接在碳原子上形成有机汞。汞化合物的毒性难溶的汞——生物吸收困难，毒性很小易溶的汞——容易吸收，毒性很强（其中甲基汞的毒性最强）毒性体现：生物的神经系统受到伤害，神经麻痹以致引起死亡。实例：日本的水俣湾甲基汞中毒事件就是典型的汞污染事件。这类汞中毒一般都不是通过直接饮用水被汞污染造成，而是由于甲基汞在食物链积累并由水中的鱼类向上传递给人而引起的。汞的转化汞的存在形式69汞的甲基化汞的甲基化是由微生物形成的。鱼类体表粘液中有许多含有甲基化辅酶的微生物，他们将无机汞转化为甲基汞，动物和人体肠道肠道中的细菌大部分也具有这种功能，因此甲基汞中毒是由微生物造成的。汞甲基化微生物：细菌——甲烷菌、匙形梭菌、荧光假单胞菌、大肠埃希氏菌、产气肠杆菌、巨大芽孢杆菌真菌——粗糙链孢霉、黑曲霉、酿酒酵母等。过程如下：

Hg2+

Hg+-CH3Hg(CH3)2

甲基化辅酶甲基化辅酶

-CH3

-CH3汞的甲基化汞的甲基化是由微生物形成的。Hg2+Hg+-70甲基汞的降解事实上通常情况甲基汞在天然水体中的浓度十分低，这是由于不仅存在汞的甲基化，同时还存在甲基汞的降解，甲基汞可被生物还原为金属汞。甲基汞降解微生物：柠檬酸杆菌、假单胞菌、节杆菌、隐球菌等。小结生物意义：汞的甲基化与脱甲基化通常保持着一个动态的平衡，从而使环境中的甲基汞浓度维持在低水平。但是，在有机污染严重、pH较低的环境中，容易形成和释放甲基汞，对生物的危害较大。一方面甲基汞溶于水被鱼、贝吸收浓缩，另一方面甲基汞还会逸出水体，进入大气，使污染扩大。甲基汞的降解事实上通常情况甲基汞在天然水体中的浓度十分低，这71其它重金属的转化与汞相似，重金属普遍可被微生物甲基化;甲基化的重金属普遍毒性提高，这些金属包括砷、硒、铅、锡、镉、锑等。重金属生物转化的环境效应:微生物通过分泌作用或呼吸作用排出形成的有机金属化合物，是微生物具有的一种对有毒金属解毒方式；但被排出的金属化合物，可能比其原形态对高等生物具更大的危害性。另一方面，微生物可将化合态的重金属转化还原为单质形式，这种转移方式可暂时或永久地将金属从生物接触的环境中清除出去。其它重金属的转化与汞相似，重金属普遍可被微生物甲基化;72思考题污染物在环境中的迁移方式和转化途径有哪些？什么是生物转运和生物转化？污染物透过细胞膜的方式有哪些？有何特点？什么是生物浓缩、生物积累、生物放大和浓缩系数？思考题污染物在环境中的迁移方式和转化途径有哪些？73第二章污染物对生物的影响本章将讨论以下内容：污染物在生物化学和分子水平上的影响污染物在细胞和器官水平上的影响污染物在个体水平上的影响污染物在种群和群落水平上的影响化学污染物对生物的联合作用第二章污染物对生物的影响本章将讨论以下内容：742.1污染物在生物化学和分子水平上的影响生物系统的各级生物学水平：生物分子细胞器细胞组织器官器官系统个体种群群落生态系统2.1污染物在生物化学和分子水平上的影响生物系统的各级生物75污染物进入机体后导致的生物化学变化包括：防护性生化反应和非防护性生化反应作用类型例子后果防护性混合功能氧化酶的诱导加快新陈代谢，生成水溶性代谢物，从而加速排泄金属硫蛋白的生成增加对金属的束缚速度，从而降低金属的生物利用率非防护性乙酰胆碱酯酶的抑制作用50％以上因抑制而产生可见的毒性效应DNA加合物的生成若导致突变会发生损害作用表2－1对污染物的防护性和非防护性生化反应污染物进入机体后导致的生物化学变化包括：防护性生化反应和非防762.1.1污染物对生物机体酶的影响什么是酶（enzyme）？酶是一种特殊的蛋白质，在生物体内对代谢活动起催化作用，本身不发生变化。受酶作用的物质称为基质（底物），在酶作用下的反应称为酶促反应。酶和污染物的相互作用污染物进入机体后，一方面在酶的催化下，进行代谢转化，另一方面也导致体内酶活性改变，影响酶的数量和活性。另外有些环境污染物对酶有诱导作用。目前已发现多种环境污染物能诱导生物体内一些酶的活性增加，例如：有机氯农药、多氯联苯、多环芳烃、表面活性剂、增塑剂和染料中间体等，均可对酶产生诱导作用。2.1.1污染物对生物机体酶的影响什么是酶（enzyme771污染物对酶辅助因子的影响一些污染物能与酶的辅助因子——金属离子作用，从而使辅助因子失活，影响到酶的活性。例如：氰化物等能与细胞色素酶中的铁离子结合，形成稳定络合物，而抑制细胞色素的酶活性，使其不能传递电子，则细胞内的氧化代谢过程中断，使机体不能利用氧，出现内窒息性缺氧。2对酶活性中心的影响污染物还能和酶的其它活性基团结合，如汞和砷与某些酶的活性基团结合就很牢固，从而使酶失去活性。3破坏酶的结构有些污染物能够取代酶分子中的某些成分，从而使酶失去活性。如铍的毒作用机理就是能取代某些酶分子中的镁和锰，破坏了酶的正常结构，使酶失去活性。污染物对生物体内酶的影响1污染物对酶辅助因子的影响污染物对生物体内酶的影响784与酶激活剂作用有些酶需要激活剂才能表现活性。酶激活剂往往是金属离子，凡是能与激活剂作用的污染物都能抑制酶的活性。5污染物与基质竞争同种酶而抑制酶的作用污染物与底物有相似的结构，也能酶形成复合物，从而竞相和酶发生作用。酶的抑制不可逆性抑制非竞争性抑制竞争性抑制4与酶激活剂作用79混合功能氧化酶（MFO）混合功能氧化酶（MFO）MFO是污染物在体内进行生物转化相I过程中的关键酶系，它们对人工化学品解毒发挥了重要作用。MFO引起的生物转化的反应特征相同，但底物、产物的化学特性差别很大，即具有多种催化功能。混合功能氧化酶（MFO）的作用MFO存在于所有的脊椎动物和大部分的无脊椎动物中，其作用是代谢非极性的亲脂性有机化合物，包括内源性化合物和外源性化合物。从解毒作用来看，许多外源性化合物进入体内，经MFO作用后发生各种变化，大多数被转化成低毒易溶的代谢产物排出体外。但有的则变成高毒甚至致癌物。混合功能氧化酶（MFO）混合功能氧化酶（MFO）80抗氧化防御系统酶活性氧（ActiviatedOxygen）带有2~3个电子的分子氧还原产物，主要有：·OH、O2、H2O2活性氧的控制和消除由体内产生的活性氧可为抗氧化防御系统控制，消除活性氧对机体的伤害作用。某些污染物如多环芳烃、多氯联苯可在生物体内进行生物转化时产生大量活性氧。在一定范围内，这些活性氧可被体内的抗氧化防御系统清除，但当体内的抗氧化防御系统不能消除这些活性氧时，它们可使DNA链断裂、脂质过氧化、酶蛋白失活等，从而引起机体氧化应激或氧毒性。抗氧化防御系统酶超氧化物歧化酶（SOD）谷胱甘肽氧化酶（GPx）过氧化氢酶（Ct）抗氧化防御系统酶活性氧（ActiviatedOxygen）812.1.2污染物对生物大分子的影响污染物对生物大分子的影响主要表现在以下方面：干扰正常的受体——配体的相互作用受体（receptor）是许多组织细胞膜上的大分子成分，配体（ligand）是生物体内的一些具有生物活性的化学物。正常情况下，受体与配体结合形成受体－配体复合物，产生一定的生物学效应。生物膜损伤不少环境化学物通过改变膜脂流动性，影响膜的通透性和镶嵌蛋白质的活性，改变其结构和稳定性，从而产生生物效应干扰细胞内钙稳态正常情况下细胞内的钙浓度较低（10－7～10－8mol/L），细胞外浓度较高（103mol/L

）。各种细胞毒物，如硝基酚、过氧化物、汞、铅等重金属离子均能干扰细胞内钙稳态，引起细胞损伤和死亡。2.1.2污染物对生物大分子的影响污染物对生物大分子的影响82干扰细胞能量的合成一些环境污染物可干扰糖类的氧化，使细胞不能合成能被生物利用的ATP，ATP使细胞生命活动得不到充足的能量供给脂质过氧化(lipiedperoxidation)与自由基脂质过氧化是细胞损伤的一种特殊方式,是由于产生了自由基而引起的,正常情况下,生物体内氧化、还原和酶促反应过程中，均可产生少量自由基，一般可被体内存在的抗氧化物质（如维生素C、维生素E）所对抗，对生物危害不大。当大量污染物（自由基）进入机体，造成机体抗氧化作用失衡，即可发生脂质过氧化，对生物体造成危害。与生物大分子共价结合共价结合可改变生物大分子的结构和功能，引起一系列生物学改变，特别是与酶蛋白、脂肪、核酸等重要生物大分子共价结合，能改变其化学结构，影响其生理功能，甚至导致变性和细胞死亡。干扰细胞能量的合成83例：污染物对蛋白质的影响污染物对蛋白质的影响主要表现在以下方面：导致蛋白质化学损伤：细胞膜结构及通透性改变；影响酶的催化功能等诱导生物机体内一些功能蛋白的产生：如应激蛋白（StressProteins）和金属硫蛋白（Metallothionein）的产生，这些蛋白质的产生可保护生物机体抵抗污染物的损害。注：金属硫蛋白对二价金属离子具有极高的亲和力，在细胞内起贮存必需的微量金属如Zn、Cu和结合有毒金属如Cd、Hg的作用，它与必需金属的结合起调节这些金属在细胞内浓度的作用，而与有毒金属结合则可以保护细胞免受金属毒性影响。例：污染物对蛋白质的影响污染物对蛋白质的影响主要表现在以下方84污染物对DNA的影响外源性化合物及其代谢产物能引起DNA损伤，它们与DNA的相互作用过程有以下四个阶段：形成DNA加合物（DNAAddcuts）发生DNA的二次修饰DNA结构的破坏被固定当细胞分裂时，外源性化合物造成的危害可导致DNA突变及其基因功能的改变DNA加合物的形成是产生DNA损伤最早期的作用，随后产生的最重要影响是DNA结构的改变，如碱基置换、碱基丢失、链断裂等。DNA加合物作为一项生物指标来评价环境中化学污染物的遗传毒性的研究日益受到重视。污染物对DNA的影响外源性化合物及其代谢产物能引起DNA损伤852.2污染物在细胞和器官水平上的影响

2.2.1对细胞膜的影响对细胞膜的影响主要表现在以下方面：污染物引起的脂质过氧化作用导致的损伤污染物可影响膜的离子通透性污染物与膜上的受体结合，干扰正常的生理功能2.2污染物在细胞和器官水平上的影响

2.2.1对细胞862.2.2对细胞器的影响线粒体线粒体是细胞供能的场所。污染物可引起其结构改变，从而影响线粒体的氧化磷酸化和电子传递功能光面内质网和糙面内质网光面内质网和糙面内质网是进行激素和外源性化合物的代谢场所。糙面内质网：通过附着或解离核糖体控制蛋白质的合成例：多种化学致癌物如黄曲霉毒素能引起核糖体脱落，导致蛋白质合成控制的改变。2.2.2对细胞器的影响线粒体872.2.3污染物对组织器官的影响三个概念：靶器官、效应器官和蓄积器官注1：靶器官不同于效应器官，污染物的毒作用可以通过靶器官表现处来，也可由另外的效应器官表现出来。注2：靶器官不同于蓄积器官，污染物在蓄积器官内的浓度高于其他器官，但对蓄积器官并不一定显示毒作用。对组织器官的影响对植物，表现为叶面出现点、片伤害斑，造成叶、蕾、花、果实等的脱落对动物，以重金属污染为例：铅可损害造血器官和神经系统，镉可损害肝脏、肾脏，导致骨痛病。2.2.3污染物对组织器官的影响三个概念：靶器官、效应器官882.3污染物在个体水平上的影响污染物对植物在个体水平上的影响：主要表现为生长减慢、发育受阻、失绿黄化、早衰等污染物对动物在个体水平上的影响：主要表现为死亡、行为改变、繁殖下降、生长和发育抑制、疾病敏感性增加、代谢率变化2.3污染物在个体水平上的影响污染物对植物在个体水平上的影892.3.1死亡衡量死亡的指标死亡率：死亡比例的大小，为评价污染物毒性大小的生物学指标致死剂量（LethalDose）或致死浓度（LethalConcentration）：能引起动物死亡的污染物的剂量或浓度。半数致死剂量（LD50）或半数致死浓度（LC50）：能引起50％的动物死亡的污染物的剂量或浓度。影响致死效应的主要因素：污染物的种类及其物理化学性质生物的种类作用时间、水质条件，如温度、硬度、溶解氧等多种污染物的综合作用2.3.1死亡902.3.2对行为的影响行为毒性（BehavioralToxicity）的概念指一种污染物或其他因素（如温度、光照、辐射）使得动物一种行为超过正常变化的范围。水环境污染可影响的生物行为：回避行为捕食行为学习行为警惕行为社会行为对鸟类行为的影响有机磷农药可影响鸟的神经系统，导致鸟的平衡和协调性的损害。受污染的鸟类还可表现出对领地的失控和不能照顾后代。2.3.2对行为的影响行为毒性（BehavioralTo912.3.3对繁殖的影响污染物的繁殖的影响主要表现为：产卵数、孵化率、幼体存活率下降以及繁殖行为下降等概念：环境激素（EnvironmentalEndocrineDisrupters）指具有动物和人体激素的活性，能干扰和破坏野生动物繁殖障碍、诱发人类重大疾病的天然物质或人工合成物质。也叫做外源性雌激素或环境内分泌干扰物。环境激素的种类包括：天然雌激素、合成雌激素、植物雌激素、具有雌激素活性的环境化学物质注：具有雌激素活性的环境化学物质：如杀虫剂、多氯联苯、多环芳烃、洗涤剂、塑料添加剂、食品添加剂等，工业废水和生活污水往往含有上述物质。2.3.3对繁殖的影响污染物的繁殖的影响922.3.4对生长和发育的影响污染物对生长和发育的影响可通过生长指示器来测定生长指示器（ScopeforGrowth）是反映生物机体能量获取利用和代谢的综合指标。P=A-(R+U)注：P——SFG；A——从食物获得的能量；R——呼吸作用的能量损失；U——排泄作用的能量损失2.3.4对生长和发育的影响污染物对生长和发育的影响可通过932.4污染物在种群和群落水平上的影响

2.4.1对生物种群的影响概念：种群（Population）是指在一定时空中同种个体的组合。污染物对种群的影响表现为：种群数量的密度改变结构和性别比例的变化：年龄结构、种群大小、性逆转遗传结构的改变：在进化过程中通过改变基因频率以适应环境的改变竞争关系的改变2.4污染物在种群和群落水平上的影响

2.4.1对生物942.4.2对生物群落的影响基本概念群落（Community）优势种（DominantSpecies）优势度？？耐污种敏感种污染物对群落的影响表现在：群落组成和结构改变对物种多样性（SpeciesDiversity）的影响注：物种多样性指群落中物种的数目（丰富度）和各个物种的相对密度（群落的异质性）。2.4.2对生物群落的影响基本概念952.5化学污染物对生物的联合作用联合作用(CombinedEffect)的概念指两种或两种以上化学污染物共同作用所产生的综合生物学效应。联合作用的类型：相加作用（AdditiveEffect）：污染物的总作用强度等于其各个成分单独作用强度的总和。协同作用（SynergisticEffect）：污染物的总作用强度大于其各个成分单独作用强度的总和。独立作用（IndependentEffect）各污染物对机体的侵入途径、方式、作用部位、产生毒作用的机理各不相同，因此产生的生物学效应彼此无关。拮抗作用（AntagonisticEffect）：污染物的总作用强度小于其中任何一种成分的单独作用强度。2.5化学污染物对生物的联合作用联合作用(Combine96《环境生物学》课件97第三章污染物的生物效应检测

本章将讨论以下内容生物测试及方式一般毒性试验生物的分子和细胞水平检测生物致突变、致畸和致癌效应检测微宇宙法第三章污染物的生物效应检测

本章将讨论以下内容983.1生物测试及方式生物测试（Bioassay）的概念：指系统地利用生物的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。注释1：所利用的生物反应包括分子、细胞、组织、器官、个体、种群、群落、生态系统各级水平上的反应。注释2：生物测试不同于常规的物理、化学检测。前者能够测定污染物对生物机体的影响，而后者只能测定污染物的浓度。例如：通过水污染的生物测试可获得以下数据：各种环境因素如DO、pH、温度、混浊度等对生命的有利以及不利的浓度或强度；污染物对受测生物的毒性；各种水生生物对污染物的相对敏感性；废水所应处理的程度；允许的污染物排放浓度等。3.1生物测试及方式生物测试（Bioassay）的概念：99生物测试的方式短期生物测试（ShortTermBioassays）主要用于测定LC50、IC50、EC50，用来快速估计污染物的毒性，评定几种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同条件如温度、pH的相对敏感性等。多数采用静止式。中期生物测试（IntermediateTermBioassays）时间为8d到90d，多数情况下为流动式。长期生物测试（LongTermBioassays）包括全部生活史的生物测试（CompleteLife－cycleBioassays）和部分生活史的生物测试（PartialLife－cycleBioassays）目的是要测定出在持续情况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）只能采用流动式，要保证试验的环境条件和自然界的季节变化相符合。生物测试的方式短期生物测试（ShortTermBioas100受试生物的选择影响生物测试结果的因素受试生物试验条件实验室差异生物测试的标准化受试生物的选择1013.2一般毒性试验基本概念毒物（Toxicant）的概念毒物与非毒物之间不存在绝对的界限，通常一种物质只有达到中毒剂量时才是毒物。中毒（Intoxication）中毒是各种毒性作用的综合表现，包括急性中毒、亚急性中毒、慢性中毒。毒性（Toxicity）指一种物质引起机体损伤的能力。毒性作用或毒效应（ToxicEffect）3.2一般毒性试验基本概念102

效应（Effect）也称为作用，指接触一定剂量化学物后，使机体产生的生物学改变。效应是对个体而言的，这种改变可用一定的计量单位表示。反应（Response）指接触一定剂量化学物后，产生某种效应并达到一定强度的个体在群体中所占的比例。反应是对群体而言的，用百分率或比值来表示，如发病率、死亡率等。剂量－效应关系和剂量－反应关系以剂量为横坐标，以表示效应强度的计算单位或表示反应的百分率或比值为纵坐标绘制散点图所得到的曲线，即为剂量－效应关系和剂量－反应关系曲线。不同的化学物或同一化学物在不同条件下，其剂量与效应或反应的相关关系不同，可呈现不同类型的曲线。（见图3－1，3－2，3－3，3－4）效应（Effect）103剂量－效应关系和剂量－反应关系曲线图剂量10050反应强度（％）图3－1剂量－反应曲线（直线型）剂量10050死亡率（％）图3－2剂量－反应曲线（抛物线型）对数剂量10050死亡率（％）图3－3剂量－反应曲线（S形线型）死亡率（概率单位）对数剂量10050图3－4剂量－反应曲线剂量－效应关系和剂量－反应关系曲线图剂量10050反应强度（104毒性试验常用参数致死剂量或致死浓度（LethalDose，LethalConcentration）绝对致死剂量或致死浓度（LD100、LC100）半数致死剂量或浓度（LD50、LC50）最小致死剂量或浓度（MLD、MLC）最大耐受剂量或浓度（LD0、LC0）最大无作用剂量（MaximumNo－effectLevel）每日容许摄入量（AcceptableDailyIntake）最高容许浓度（MaximumAllowableConcentration）毒作用带急性毒作用带（Acute－toxicEffectZone）慢性毒作用带（Chronic－toxicEffectZone）半数效应浓度（EC50）和半数抑制浓度（IC50）毒性试验常用参数致死剂量或致死浓度（LethalDose，105急性毒性试验（AcuteToxicityTest）急性毒性试验（AcuteToxicityTest）研究化学物质大剂量一次染毒或24小时内多次染毒动物所引起的毒性的试验。其目的是短期内了解该物质的毒性大小和特点，并为进一步开展其他毒性试验提供设计依据。急性毒性试验类型哺乳动物急性毒性试验水生生物急性毒性试验蚯蚓急性毒性试验急性毒性试验（AcuteToxicityTest）急性毒106动物急性毒性试验（1）动物急性毒性试验方法如下：按试验要求选择受试生物常用成年大鼠或小鼠，雌雄动物同时试验，对试验动物预先观察几天后标记编号并随机分组。预备试验和确定剂量组选用少量动物进行预备试验，找出引起动物90％（或全部）死亡的剂量（即最高剂量组剂量）和引起动物10％死亡（或不死亡）的剂量（即最低剂量组剂量）。在最高剂量组剂量和最低剂量组剂量的范围内，按等比级数插入若干个中间剂量（一般4～6组），从而确定正式试验的剂量组。染毒方式和受试物的配制一般用灌胃法和人工熏气法。受试物的配制：配制试验所需的最高剂量浓度溶液，然后依次稀释到所需浓度。动物急性毒性试验（1）动物急性毒性试验方法如下：107动物急性毒性试验（2）观察指标中毒症状：一般观察24～48小时，最好观察到绝大多数动物出现典型中毒症状。动物死亡数目和死亡时间病理检查：对于试验时立即死亡的动物，可解剖，分析死亡原因，看是技术事故还是中毒引起的死亡。确定半数致死量（LD50）试验结果LD50值越小，毒性越大。急性毒性试验结果只能粗略地表示某化学物质的毒性，而不能全面反映其毒性。由于动物种属、性别、染毒方式的不同，所表现的毒性也不一致，故表示LD50应注释明动物种类和染毒方式。动物急性毒性试验（2）观察指标108亚慢性毒性试验和慢性毒性试验亚慢性毒性试验和慢性毒性试验蓄积毒性试验蓄积系数法（CumulativeCoefficientMethod）：用来评价环境污染物蓄积作用的方法。蓄积系数K＝生物半减期T＝亚慢性毒性试验和慢性毒性试验亚慢性毒性试验和慢性毒性试验1093.3生物的分子和细胞水平检测加合物的测定DNA－加合物的测定蛋白加合物的测定一般代谢酶的活性测定乙酰胆碱酯酶腺三磷酶解毒系统酶类诱导作用的检测混合功能氧化酶的诱导作用谷胱甘肽硫转移酶抗氧化防御系统检测过氧化氢酶谷胱甘肽过氧化酶3.3生物的分子和细胞水平检测加合物的测定1103.4生物致突变、致畸和致癌效应检测

3.4.1致突变试验基本概念突变（Mutation）基因突变（GeneMutation）和染色体畸变（ChromosomeMutation）致突变作用（Mutagenesis）和致突变物（Mutagen）致突变试验的目的致突变试验的目的是为了检查受试物对机体遗传过程有无影响的方法。致突变试验方法基因突变试验，例如Ames试验，下文以鼠伤寒沙门氏菌/哺乳动物微粒体酶试验法为例介绍。染色体畸变试验DNA损伤试验3.4生物致突变、致畸和致癌效应检测

3.4.1致突变试验111Ames试验Ames试验原理同一种微生物的营养缺陷型突变型菌株与受试物接触，若此化学物质具有致突变性，可使突变型微生物再发生一次突变，重新成为野生型微生物。这种突变叫做回复突变。注释1：营养缺陷型突变型菌株注释2：野生型微生物鼠伤寒沙门氏菌/哺乳动物微粒体酶试验法方法原理：在动物体外将待测物经肝微粒体酶系活化后，检测其所诱发的沙门氏菌回变菌落数，即由不能自行合成组氨酸的营养缺陷型突变菌株（his－），回复为能自行合成组氨酸的（his＋）菌落数。突变率＝诱发回复突变菌落数/自发回复突变的菌落数（对照）当突变率大于2.0时，为阳性结果。Ames试验Ames试验原理112微核试验微核试验1133.4.2致畸效应概念畸形（Malformation）、畸胎（Terate）致畸作用（Teratogenesis）、致畸物（Teratogen）致畸作用的毒理学特点胚胎与致畸物接触时因胚胎处于不同的发育阶段而呈现不同的敏感性。种属差异较为明显。化学致畸作用机理突变引起胚胎发育异常；对细胞的生长分化较为重要的酶类受到抑制；母体正常代谢过程被破坏；细胞分裂过程的障碍3.4.2致畸效应概念114致畸试验致畸试验的目的检测环境污染物能否通过妊娠母体引起胚胎畸形。一般试验动物要求其对化学物质的代谢过程与人相似，胎盘结构也相似，还要求孕期短，产仔多，经济实用，如家兔、大鼠、小鼠等。致畸作用的评价注意与自然变异区分；注意种属差异；注意试验的阈剂量与人类实际可能摄入量之间的差别。致畸试验1153.4.3致癌效应概念化学致癌作用（ChemicalCarcinogenesis）化学致癌物（ChemicalCarcinogen）细胞癌变学说癌变过程引发阶段促进阶段浸润和转移阶段致癌试验致癌试验是检验受试物及其代谢产物是否具有致癌效应或诱发肿瘤作用的慢性毒性试验法。短期筛检方法长期动物诱癌试验3.4.3致癌效应概念1163.5微宇宙法微宇宙（Microcosm）是研究污染物在生物种群、群落、生态系统和生物圈水平上的生物效应的一种方法，又称模型生态系统法（ModelEcosystem）可分为自然微宇宙和人工微宇宙或分为水生微宇宙和陆生微宇宙。标准化水生微宇宙（StandardizedAquaticMicrocosm，SAM）用于在实验室测定有毒物质在多物种水平对淡水生态系统的影响。试验时间64天，容器为4L的玻璃广口瓶，试验生物包括10种藻、4种无脊椎动物、1种细菌。对温度、光照强度、pH值等理化参数均有具体要求。3.5微宇宙法微宇宙（Microcosm）117烧杯水生微宇宙（MixedFlaskCulture，MFC）又称烧杯混合培养，试验时间12～14周，容器为1L的玻璃广口瓶，试验生物包括4种藻、2种无脊椎动物、一些细菌和原生动物。对温度、光照强度、pH值等理化参数均有具体要求。与SAM不同的是通过加入来自生态系统浸出液提供给微宇宙中生物群落所需的基质。室外水生微宇宙（OutdoorAquaticMicrocosm）又称中宇宙（Mesocosm），试验单元6m3，试验生物包括浮游植物、浮游动物、鱼类、大型水生植物和无脊椎动物。土壤核心微宇宙（SoilCoreMicrocosm，SCM）该法采用野外环境的土壤核心，将其设置在环境条件控制的实验室中，试验生物因土壤核心采集场所不同而不同，可研究化学物质和营养元素对农业生态环境的影响及其环境归趋。模拟农田生态系统该系统模拟农田条件，无陆生动物，为同时测定农药在土壤、植物、水溶液和空气中的残留而设计，采用0.75m3的矩形玻璃室，可打入足够数量的空气，通过玻璃室模拟微风并能收集挥发的农药。烧杯水生微宇宙（MixedFlaskCulture，MF118生物测试与常规的物理、化学检测有何不同？表示毒性的常用参数有哪些？能否解释其含义？何谓Ames试验？它的原理是什么？在学习了本章内容之后，请思考以下问题：生物测试与常规的物理、化学检测有何不同？在学习了本章内容之后119第四章

环境质量的生物监测与生物评价本章将讨论以下内容：生物监测和环境质量评价概念生物监测与评价生态环境质量评价化学品生态风险评价有害物理因素的生物学效应的评价第四章

环境质量的生物监测与生物评价本章将讨论以下内容：1204.1生物监测和环境质量评价概念环境质量（EnvironmentalQuality）：指环境素质的优劣程度。环境质量基准（EnvironmentalQualityCriteria）指环境因素在一定条件下作用育特定对象（人或生物）而不产生不良或有害效应的最大阈值。它是由污染物同特定对象之间的剂量－反应关系确定的，不考虑社会、经济、技术等人为因素，具有客观性。环境质量标准（EnvironmentalQualityStandard）是国家权力机构以前者为依据，考虑社会、经济、技术等因素，经过综合分析后，对环境中的有害因素在限定的时空范围内容许阈值所作的强制性法规，体现国家环境保护政策和要求，具有一定的主观性。4.1生物监测和环境质量评价概念环境质量（Environ121环境质量调查环境质量监测指对环境指标进行定期的或连续的监测、观察和分析其变化。环境质量评价指按照一定的标准，采用相应的方法对环境质量进行评定、比较及预测。环境质量调控环境质量预测环境质量调查122生物监测（Biomonitoring）生物监测生物监测是利用生物个体、种群或群落对环境污染或变化所产生的反应阐明环境污染状况，从生物学角度为环境质量的监测和评价提供依据。思考：与理化监测相比，生物监测有何优缺点？能直接反映环境质量对生态系统的影响不需购置昂贵的仪器及进行仪器保养和维修可大面积或长距离内密集布点不足之处：反应不够快速，无法精确监测某些污染物的含量，精度不高，易受环境因素的影响如季节和地理环境等生物监测（Biomonitoring）生物监测1234.2生物监测与评价

4.2.1大气污染的生物监测与评价

植物监测大气污染的植物监测有以下几种方法：指示植物法现场调查法植物群落调查法现场盆栽定点监测法地衣、苔藓监测法：微核技术的应用污染量指数法大气污染的综合生态指标法4.2生物监测与评价

4.2.1大气污染的生物监测与评价124指示生物指示生物的概念：指对环境中某些物质（包括污染物）能产生各种反应或信息而被用来监测和评价环境质量的现状和变化的生物。指示生物的种类包括大气污染指示生物和水体污染指示生物。例如：指示节气枣花发，种棉花；杏花开，快种麦指示天气燕子低飞预示雨将来临，蜻蜓高飞预示天晴指示水质美国威斯康星地区湖泊中的软水指示植物为Gratiola，硬水指示植物为Ranunculusaquatilis。指示资源安徽的海州香薷指示铜矿，湖南念同的野韭指示金矿注：指示生物只在一定的时空范围内起作用：安徽的海州香薷只在安徽指示铜矿，在北方则无此作用。指示生物指示生物的概念：125指示植物监测法指示植物利用某些植物对某些有害气体的特殊敏感性，可以监测大气中该气体的浓度，这种植物就称为该大气污染物的指示植物。常见大气污染指示植物二氧化硫污染指示植物：如地衣、苔藓、芝麻、向日葵、落叶松、加拿大白杨等氟化物污染指示