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 wxliu 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 Sch rman 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 J rgensen B Halling S rensen 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 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 etc A 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 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 0 100 0 100 100 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 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 基本概念 生物圈 生态系统 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 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 生物体从环境中不断摄入浓度极低的化学物质在体内蓄积起来达到相当高的浓度 这种现象称为生物富集 接下页 基本概念 生态学 生态平衡 食物链和生物富集 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 不同生物对同一化学物质富集系数不同 同一生物对不同化学物质富集系数不同 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 基本概念 传统毒理学与环境毒理学 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 孟紫强 2000 尽管也