生态毒理学的学习课件

生态毒理学的学习课件第1页/共44页生态毒理学第2页/共44页课程安排及教学大纲基本概念、发展历史及未来趋势，基本方法论；有毒物生物吸收的途径及动力学过程；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)；第3页/共44页环境优先污染物(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；课程安排及教学大纲(续I)第4页/共44页课程安排及教学大纲(续II)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%。第5页/共44页教学参考资料 (I)专著Monograph《EnvironmentalToxicology》,D.A.Wright,P.Welbourn,2002.《PrincipleofEcotoxicology》,C.H.Walker,2ndedition,2001.《FundamentalsofEcotoxicology》,M.C.Newman,1998,1sted.,2003,2nded.《Ecotoxicology:EcologicalFundamentals,ChemicalExposureandBiologicalEffects》,G.Schüürman,B.Markert,1998.《Ecotoxicology:TheStudyofPollutantsinEcosystems》,F.Moriarty,3rdedition,1999.《EcotoxicologyofOrganicContaminants》,E.Bacci,1994.第6页/共44页教学参考资料(续I)《EcotoxicologyinTheoryandPractice》,V.E.ForbesandT.L.Forbes,1994.《HandbookofEcotoxicology》,D.J.Hoffman,1sted.,1995,2nded.,2002.《HandbookofEcotoxicology》,P.Calowed.,1993.《HandbookofEstimationMethodsinEcotoxicology》,S.E.Jørgensen,B.HallingSørensen,1998.第7页/共44页《英汉毒理学词典》，江泉观，1995。《环境毒理学》，孟紫强主编，中国环境科学出版社，2000。《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。《生态毒理学》，周启星，孔繁翔，朱琳，2004。…… (II)期刊Periodical《Ecotoxicology》《EnvironmentalToxicologyandChemistry》《HumanEcologicalRiskAssessment》《EnvironmentalScienceandTechnology》教学参考资料(续II)第8页/共44页教学参考资料(续III)《MarinePollutionBulletin》《EcotoxicologyandEnvironmentalSafety》《JournalofEnvironmentalQuality》……第9页/共44页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第10页/共44页基本概念有毒物(toxin,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(天然、人工)称为有毒物。毒物与非毒物之间没有绝对界限。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。损害作用愈大表明毒性愈大。 毒性与接触剂量、途径、期限、损害类型、损害程度、持续时间相关。 在一定条件下，外源化学物对机体的毒性具有选择性(selectivetoxicity)。第11页/共44页

毒性选择性原因：

(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；第12页/共44页 (e)

过敏性反应(hypersensitivity)或变态反应(allergicreaction)

指病理性免疫反应。 其中，能引发反应的外源化学物称为过敏原(allergen)。

其它相关概念：

(1)高敏感性

指少数个体对某种外源化学物具有高反应性(hyperreactivity)或高感受性/易感性(hypersusceptibility)，它与过敏性反应不同。

(2)高耐受性 指少数个体对某种外源化学物具有强忍耐能力(hyperresistibility)。 第13页/共44页 (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 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。第14页/共44页环境 特定主体周围的所有生物因子和非生物因子。 环境因研究主体的不同而可大可小，相对比例和尺度。

(1)

主体和环境可相互转换

一个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。

(2)

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；

(3)

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。第15页/共44页环境污染 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(selfpurificationcapacity)，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

大体分为：

(1)自然原因(如自然灾害)；

(2)人为原因(如“工业三废”：废气、废水和废渣)。第16页/共44页环境污染对人体健康影响的主要特点

(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、独立作用等)。世界“八大公害病”

(1)1930年比利时马斯河谷烟雾事件；

(2)1943年美国洛杉矶光化学烟雾事件；

(3)1948年美国多诺拉烟雾事件；

(4)1952年英国伦敦烟雾事件；

(5)1951年日本水俣病事件(甲基汞中毒)；

(6)1955年日本富山县痛痛病事件(含镉的水、米中毒)；第17页/共44页 (7)1955年日本四日市哮喘病事件；

(8)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)

急性中毒和慢性中毒 有害化学物短时间、一次性、大剂量进入人体引发)；低浓度、长时间、反复对机体作用。第18页/共44页

(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。第19页/共44页生物圈

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 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、CO2等无机物合成有机物。第20页/共44页

(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，人类是最后一级(高级)消费者；

(iii)

分解者

指细菌、真菌、放线菌等微生物，能分解生产者和消费者的尸体，使有机物转化为无机物，还原到环境中；

(iv)

非生物环境

即环境中的无生命物质，如水、空气、土壤、日光等，是生物生存的必需条件。第21页/共44页生态学

主要研究生物与非生物因素相互作用的科学，这种相互作用决定了自然界生物体的分布、丰度、及其历史变迁。生态平衡生态系统中，各种生物之间、生物与环境之间的物质和能量交换保持动态平衡，称之为生态平衡。生态系统是一个复杂的、不断变化的动态系统，生态平衡也是不断变化的动态平衡。食物链和食物网

生态系统中，生物之间以摄食和被摄食的关系逐级传递物质和能量，呈相互依存的链状关系，称之为食物链。 第22页/共44页

自然界的食物关系错综复杂，交织成网络关系，即食物网。 能量的流动、物质的迁移和转化都通过食物链或食物网进行。生物富集是指同一生物个体在整个代谢活跃期的不同阶段，机体内来自环境的元素或难分解化合物的浓缩系数不断增加的现象(从环境中不断摄入低浓度化学物在体内蓄积达到高浓度)

，其积累程度可用浓缩系数表示。任何机体在任何时刻，机体内某种元素或难降解化合物的浓度水平取决于摄取和消除两个相反过程速率，当摄取量大于消除量时，会发生生物积累。环境中的化学物质通过食物链、食物网逐步转移、蓄积、富集，可提高到千百万倍而后进入人体。第23页/共44页生物富集的条件

(a)

该化学物质容易为各种生物吸收；

(b)

在生物体内排泄和降解困难；

(c)

在积累过程中对生物体本身未达到致命伤害。生物富集的特点

(1)

不同生物对同一化学物质富集系数不同；

(2)

同一生物对不同化学物质富集系数不同；

(3)

同一生物不同部位对化学物质的蓄积能力也不同。

富集系数(biologicalaccumulationfactor,BCF)＝生物体内化学物质浓度与环境中化学物质浓度之比。第24页/共44页生物浓缩(bioconcentration)是指生物机体通过对环境中元素或难分解化合物的直接浓缩，使这些物质在生物体内的浓度超过在环境中的浓度的现象，其浓缩程度用浓缩系数表示。化学物的生物浓缩系数的大小与物质本身的性质有关；同时，也与生物和环境因素有关，同一种生物对不同物质的浓缩系数有很大差异。食物链的生物放大作用 是指在生态系统的同一食物链上，由于高级营养生物以低级营养生物为食，某种元素或难分解化合物在生物有机体中的浓度随营养级的提高而逐级增高的现象。

研究生物放大作用，首先应明确其与生物积累和生物浓缩的关系。第25页/共44页种群，群落和生态系统 在生物圈中：

1)

同种的生物个体(Individual)组成种群(Population)

2)

若干种群有机联系及其生境组成群落(Community)

3)

群落及其生境的相互作用构成生态系统(Ecosystem)第26页/共44页传统毒理学(classicaltoxicology)以人类为基本对象，研究物理、化学和生物因素对生物体的损害作用及其机理的科学；尽管也涉及从亚细胞至独立个体、种群水平的生物体的毒性效应，但主要关注点是人类，其它生物体或多或少是作为替代。环境毒理学(environmentaltoxicology)－已经涉及生态毒理学内容研究环境污染物对生物有机体的损害作用及其机理的科学。不仅研究对生物个体的损害作用，而且研究对生物群体、生态系统乃至整个生物社会的损害及其对策；研究天然和人工环境中有毒物质的效应；第27页/共44页研究污染物在分子至生态系统水平上对生态系统结构和功能的影响。

Truhaut于1969年首先提出Ecotoxicology的概念。 其它相关研究给出的定义：是从整体关系的角度研究自然或合成污染物对生态系统成份的毒性效应的毒理学分支；由毒理学自然延伸至研究污染物的生态效应；研究生态系统中毒性物质的命运(归宿)及其效应的科学；研究环境中有毒物质及其对存活生物影响的科学；研究对非人生物体、种群和群落的毒害效应的科学；研究有毒物的命运及对生态系统的效应；集成化学污染物对种群、群落和生态系统的生态学和毒理学效应，及其归宿(如迁移、转化和衰解)；第28页/共44页预测潜在有毒物对自然生态系统和非靶标物种的效应；研究生物圈中的污染物及其对生物圈成份(包括人类)效应的科学；应用毒理学的原理和方法，从生态学角度研究环境污染物对生态系统及其组成成分的有害作用和相互影响规律的学科。 生态毒理学是环境毒理学的一部分，也是生态学的一部分。生态毒理学是研究外源化学物对生物个体、种群、群落和生态系统的不良生态学效应，以及从分子、细胞、组织和器官等不同生命层次和生理、代谢、发育、遗传、生殖等生命现象水平研究其与外源化学物的相互关系及作用机理，并揭示生物的适应机制和确定反映环境胁迫的指示表征的学科。第29页/共44页生态毒理学区别于传统毒理学

在于任何评价环境污染物最终效应均须涉及下述过程：污染物释放(release)进入环境；污染物传输(transportation)进入生物体内，发生或不发生化学形态(species)转化(transformation)；污染物暴露(exposure)于单一或多个靶标(target)生物；污染物产生个体、种群或群落层次/水平上的响应(response/effect)。第30页/共44页对生态毒理学的几种认识生态毒理学个体生态毒性为中心系统生态毒性为重点人体健康核心论生态健康核心论？？第31页/共44页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、军事化学武器第32页/共44页环境/生态毒理学主要成份及作用关系提取(Extraction)合成(Synthesis)利用(Use)处置(Disposal)原始化学物质规章(Regulation)风险管理(RiskManagement)风险评价(RiskAssessment)有机体(Organism)吸收(Uptake)分布(Distribution)伤害(Injury)毒性(Toxicity)暴露(Exposure)天然的生物和非生物转换(NaturalBiotic/AbioticTransformation)人类与牲畜的各种排泄产物(ExcretoryProductsfromMan&Livestock)来源(SOURCE)归宿(FATE)效应(EFFECT)环境(ENVIRONMENT)第33页/共44页污染物Pollutant生化改变Biochemicalchanges生理变化Physiologicalchanges整体有机体响应WholeOrganismResponse种群变化PopulationChanges生态系统Ecosystem群落组成CommunityComposition响应时间增加对特定化学物的联接难度增加重要性增加不同组织水平上响应之间的联接关系第34页/共44页营养水平结构中的食物网组分等级环境太阳空气水土壤显热能量与物质流动方向营养水平等级初级生产者消费者捕食者食腐者分解者主要生物分类自养植物和细菌食草动物和植物病原体肉食动物和动物病原体食腐动物死亡生物量消费者，细菌，真菌，小型无脊椎动物功能定义：吸收吸收太阳能为矿物质转化进入植物生物量吸收植物原料、氧和矿物质转化为动物生物量吸收活动物生物量、水和氧吸收死亡动物生物量、水和氧吸收死亡植物和动物生物量、水和氧功能定义：释放H2O、痕量气体、显热、死亡生物量CO2、H2O、痕量气体、显热、粪便CO2、H2O、显热、粪便CO2、H2O、腐殖质(土壤)、显热结构贡献基本外貌结构植被结构形状，分类型无直接，但控制食草动物的影响无土壤结构形状，影响非生物分室生物分类型第35页/共44页景观规模生态系统的分层等级模型社会人类动物区系植被土壤水文地形地质气候外域输入1.类似于现实世界，体现非生物和生物分室之间相互影响；2.

结构用于构建模拟模型，模拟模型对生态毒理影响研究十分重要；3.

模型没有包括信息概念；4.

每一信息集合中的能量含量与每一等级中作用显著的信息集合数目之间的关系参见下图。第36页/共44页模型中生态系统有关信息集合的能量含量低低高高每一信息集合中的能量含量每种等级分类中作用显著信息集合的数目(1)等级层次愈高，作用显著信息集合的数目增加(2)而每一信息集合中的能量含量则降低。第37页/共44页生态毒理学所涉及的层次组织自然科学地质学海洋学大气化学气候学地理学生物化学水文学土壤科学沉积学胶体化学物理化学分析化学有机化学无机化学生命科学全球生态学景观生态学系统生态学环境微生物学群落生态学元种群生物学种群生物学和遗传流行病学生理/解剖行为发育生物学畸形学神经学药理学内分泌学免疫学肿瘤学生物化学与生物物理分子遗传学生物圈景观生态系统栖息地微栖息地相间关联化学群落种群个体系统器官组织细胞生物分子用于了解非生物相互作用的学科用于了解生物相互作用的学科相互作用第38页/共44页生态毒理学的学科体系生态毒理学

理论生态毒理学实验生态毒理学应用生态毒理学

植物生态毒理学动物生态毒理学微生物生态毒理学分子生态毒理学

工业生态毒理学农业生态毒理学矿区生态毒理学城镇生态毒理学

大气生态毒理学水生生态毒理学陆生生态毒理学第39页