生态毒理学基本概念和理论.ppt

《生态毒理学基本概念和理论.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生态毒理学基本概念和理论.ppt（60页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第二章 基本概念和理论,生态毒理学 Ecotoxicology,1.毒物、毒性和毒作用1.1.毒物及其分类1.毒物(toxicant)在一定条件下，以较小剂量进入机体就能干扰正常的生化过程或生理功能，引起暂时或永久性的病理改变，甚至危及生命的化学物质称为毒物(toxicant)。凡是少量物质进入机体后，能与机体组织发生化学和物理化学作用，破坏正常生理功能，引起机体暂时的或永久的病理状态，我们就称该物质为毒物。在人类生活环境中，存在的这类物质称为环境有害物质。,1.毒理学基本概念,2,农用化学品 工业化学品 化工产品 药物及医用化学品 食品添加剂 日用化学品 各种环境污染物 生物霉菌毒素 化学致

2、癌物 军事毒物等,化学品,1.1.毒物及其分类,3,毒物发生效应取决于机体吸收后分布全身，最后在靶器官中达到一定剂量与该器官相互作用后，才出现毒性效应。常将这一过程划分为三个时相：接触相(exposure phase)毒物动力相(toxicologytic phase)毒效相(toxic effect phase),毒物,活性物质的有效剂量,出现,毒物作用的三个时相,可吸收的毒物,毒物存在的剂型和剂量,吸收、分布 代谢、排出,靶器官中与受体相互作用,1.1.毒物(toxicant)及其分类,4,毒性：一种物质对机体造成损害的能力。物质有毒与无毒是相对的，任何一种化合物进入机体，只要达到一定剂量

3、，均能对健康产生有害作用。影响毒性的因素：剂量是影响化学毒物毒性的关键因素。除此之外，还要考虑到：与机体接触数量是决定因素。与机体接触的方式、途径。接触时间、速率和频率 物质本身的化学性质和物理性质。,1.2.毒性(toxicity)及其分级,5,生物毒性 biological toxicity 生物体由于毒物的作用在毒理学上产生不良症状的程度或状况。属于毒理学基本概念。生态毒性 ecotoxicity 生态系统由于污染物质的作用产生不良效应的程度，属于生态效应的一种表现形式。,6,1.2.毒性(toxicity)及其分级,选择毒性(selective toxicity):一种化学毒物只对某种

4、生物产生损害作用，而对其他种类生物无害；或只对机体内某一组织器官有毒性，而对其他组织器官不具有毒性作用。化学毒物出现选择毒性的原因可能在于：物种和细胞学差异：不同生物或组织器官对化学毒物生物转化过程的差异：不同组织器官对化学毒物亲和力的差异：不同组织器官对化学毒物所致损害的修复能力的差异：,7,1.2.毒性(toxicity)及其分级,在毒理学研究中，不同阶段的试验可用于观察化学物质的不同毒作用或毒性终点(end-point)。,8,1.2.毒性(toxicity)及其分级,毒性指标反映毒作用终点的观察指标大致可以分为两类。特异指标：出现与特定化学物质之间有着明确的因果关系 常有助于中毒机制的

5、阐明 在完成系统的毒理学研究之前常难以确定 无法对不同化学物质的毒性大小进行比较死亡指标：该指标简单、客观、易于观察比较粗糙，不能反映毒作用的本质可作为衡量不同作用部位和作用机制的化学物质毒性大小的标准。特别是在急性毒性评价中，死亡是经常使用的主要指标。,9,1.3.毒性作用及其分类,毒性作用(toxic effect)是其本身或代谢产物在作用部位达到一定数量并与组织大分子成分互相作用的结果。毒性作用又称毒效应，是化学毒物对机体所致的不良或有害的生物学改变，故又称不良效应、损伤作用、损害作用。毒性作用的特点:各种功能障碍 应激能力下降 维持机体稳态能力降低 对于环境中的其他有害因素敏感性增高等

6、,10,1.3.毒性作用及其分类,化学毒物的毒性作用可根据其特点、发生的时间和部位，按不同方法进行分类。1.急性毒性与慢性毒性急性毒性(acute toxicity)：指机体一次接触或24小时内多次接触某一化学物所引起的毒效应。慢性毒性(chronic toxicity)：指机体长期接触化学毒物所引起的毒效应。,11,1.3.毒性作用及其分类,化学毒物的毒性作用可根据其特点、发生的时间和部位，按不同方法进行分类。2.局部与全身作用(local effect and systemic effect)局部作用：发生在化学毒物与机体直接接触部位处的损伤作用。全身作用：化学毒物吸收入血后，经分布过程达

7、到体内其他器官所引起的毒效应。多数引起全身作用的化学毒物并非引起所有组织器官的损害，其作用点往往只限于一个或几个组织器官，这样的组织器官称为靶器官(target organ)。,12,1.3.毒性作用及其分类,化学毒物的毒性作用可根据其特点、发生的时间和部位，按不同方法进行分类。3.可逆与不可逆作用(reversible effect and irreversible effect)可逆作用：停止接触化学毒物后，造成的损伤可以逐渐恢复。不可逆作用：停止接触化学毒物后，损伤不能恢复，甚至进一步发展加重。化学毒物的毒性作用是否可逆主要取决于被损伤组织的再生能力。,13,1.3.毒性作用及其分类,4

8、过敏性反应(hypersensibility，allergy):也称变态反应(allergic reaction)。该反应与一般的毒性反应不同。首先，某些作为半抗原的化学物质(致敏原)与机体接触后，与内源性蛋白结合为抗原并激发抗体产生，称为致敏；当再度与该化学物质或结构类似物质接触时，引发抗原抗体反应，产生典型的过敏反应症状。化学物质所致的过敏性反应在低剂量下即可发生，难以观察到剂量-反应关系。损害表现多种多样，轻者仅有皮肤症状，重者可致休克，甚至死亡。,14,1.3.毒性作用及其分类,5.特异体质反应(Idiosyncratic reaction):某些人有先天性的遗传缺陷，因而对于某些化学

9、毒物表现出异常的反应性。如肌肉松弛剂琥珀酰胆碱正常时可为血浆中的拟胆碱酯酶迅速分解，故作用时间很短。6.高敏感性(Hyper-sensibility)：指某一群体在接触较低剂量的特定化学毒物后，当大多数成员尚未表现出任何异常时，就有少数个体出现了中毒症状。7.高耐受性(Hyper-resistibility)：指接触某一化学毒物的群体中有少数个体对其毒性作用特别不敏感，可以耐受远高于其它个体所能耐受的剂量。,15,1.3.毒性作用及其分类,危险度(risk)也称危险性，系指一种物质在具体的接触条件下，对机体造成损害可能性的定量估计。一般根据化学毒物对机体造成损害的能力和与机体可能接触的程度，以

10、定量的概念进行估计并用预期频率表示。对外来化合物的危险度进行估计是毒理学的主要任务之一。,1.4.危险度(risk),16,危险度估计或称危险度评定从定性角度阐明xenobiotics对body可能存在的adverse effect。以定量的概念确定body接触xenobiotics数量与其对机体adverse effect的相关关系。从定性和定量概念对xenobiotics可能与人类接触的实际情况做出估计，包括可能接触的人群范围，可能受损害的人数和程度。对xenobiotics在实际接触的情况下可能对人群健康损害的程度作出估计，并用定量与概念将其表示。,17,1.4.危险度(risk),化学

11、物质对机体产生的生物学作用既有损害作用又有非损害作用，但其毒性的具体表现是损害作用。研究损害作用并阐明作用机制是毒理学的主要任务之一。,18,1.5 损害作用与非损害作用,(一)损害作用(adverse effect)所致的机体生物学改变是持久的，可逆或不可逆的 造成机体功能容量，如进食量、体力劳动负荷能力等涉及解剖、生理、生化和行为等方面的指标的改变 维持体内的稳态能力下降 对额外应激状态的代偿能力降低 对其他环境有害因素的易感性增高，机体正常形态、生长发育过程受到影响，寿命缩短,(二)非损害作用(non-adverse effect)所致机体发生的一切生物学变化都是暂时和可逆的，应在机体代

12、偿能力范围之内不造成机体形态、生长发育过程及寿命的改变不降低机体维持稳态的能力和对额外应激状态代偿的能力不影响机体的功能容量的各项指标改变不引起机体对其他环境有害因素的易感性增高,19,1.5 损害作用与非损害作用,化学物质与机体接触后引起的毒效应包括肝、肾、肺等实质器官损伤、内分泌系统紊乱、免疫抑制、神经行为改变、出现畸胎、形成肿瘤等多种形式。效应的范围则从微小的生理生化正常值的异常改变到明显的临床中毒表现，直至死亡。毒效应的这些性质与强度的变化构成了化学物质的毒效应谱(spectrum of toxic effects)。,20,1.6.毒效应谱,化学物质被吸收后可随血流分布到全身各个组织

13、器官，但其直接发挥毒作用的部位往往只限于一个或几个组织器官，这样的组织器官称为靶器官(target organ)。机体对于化学物质的处置过程 化学物质本身的结构与理化性质 组织器官的组织结构与生理功能 代谢酶的活化状态 化学物质或其代谢产物与生物大分子如核酸、酶、受体、蛋白质问相互作用的能力等都可以明显的影响化学物质对于特定组织器官的毒作用,21,1.6 靶器官,生物学标志(biomarker，biological marker)又可称生物学标记或生物标志物，是指针对通过生物学屏障进入组织或体液的化学物质及其代谢产物、以及它们所引起的生物学效应而采用的检测指标 接触生物学标志 效应生物学标志

14、易感性生物学标志三类,22,1.7 生物学标志,(一)接触生物学标志接触生物学标志(biomarker of exposure)是对各种组织、体液或排泄物中存在的化学物质及其代谢产物，或它们与内源性物质作用的反应产物的测定值，可提供有关化学物质暴露的信息。,23,1.7 生物学标志,体内剂量标志可以反映机体中特定化学物质及其代谢物的含量，即内剂量或靶剂量。生物学有效剂量标志可以反映化学物质及其代谢产物与某些组织细胞或靶分子相互作用所形成的反应产物含量。故生物效应剂量标志的使用有助于准确的建立剂量-反应关系。,1.7 生物学标志,1.7 生物学标志,(二)效应生物学标志效应生物学标志(bioma

15、rker of effect)是指可以测出的机体生理、生化、行为等方面的异常或病理组织学方面的改变，可反映与不同靶剂量的化学物质或其代谢产物有关的健康有害效应的信息。,26,1.7 生物学标志,27,1.7 生物学标志,早期效应生物学标志主要反映化学物质与组织细胞作用后，在分子水平产生的改变。结构和功能改变效应生物学标志反映的是化学物质造成的组织器官功能失调或形态学改变疾病效应生物学标志与化学物质导致机体出现的亚临床或临床表现密切相关，常用于疾病的筛选与诊断。,(二)效应生物学标志,(二)效应生物学标志,1.7 生物学标志,1.7 生物学标志,(三)易惑性生物学标志 易感性生物学标志(biom

16、arker of susceptibility)是反映机体对化学物质毒作用敏感程度的指标。由于易感性的不同，性质与剂量相同的化学物质在不同个体中引起的毒效应常有很大差异，这种差异的产生是多种因素综合作用的结果，其中遗传因素起到了十分重要的作用。易感性生物学标志主要用于易感人群的筛检与监测，在此基础上可采取有效措施进行有针对性的预防。,30,1.7 生物学标志,(三)易惑性生物学标志,1.7 生物学标志,生物学标志的研究与应用可准确判断机体接触化学物质的实际水平，有利于早期发现特异性损害并进行防治，对于阐明毒作用机制、建立剂量-反应关系、进行毒理学资料的物种间外推具有重要意义，是阐明毒物接触与健

17、康损害之间关系的有力手段。,32,1.7 生物学标志,2.1 剂量(dose)机体接触化学物质的量或在试验中给予机体受试物的量(外剂量)，化学物质被吸收入血的量(内剂量)或到达靶器官并与其相互作用的量(靶剂量、生物有效剂量)。虽然靶剂量直接决定了化学物质所致机体损伤的性质与强度，但由于检测比较复杂，故毒理学中的剂量通常是指机体接触化学物质的量或给予机体化学物质的量，单位为mgkg体重、mgcm2皮肤等。,33,2.剂量、剂量-反应关系,2.2 量反应与质反应 反应(response)指化学物质与机体接触后引起的生物学改变计量资料，有强度和性质的差别,可以某种测量数值表示。这类效应称为量反应(g

18、raded response)。用于表示化学物质在个体中引起的毒效应强度的变化计数资料，没有强度的差别，不能以具体的数值表示，而只能以“阴性或阳性”、“有或无”来表示，如死亡或存活、患病或未患病等，称为质反应(quantal response)。用于表示化学物质在群体中引起的某种毒效应的发生比例。,34,2.剂量、剂量-反应关系,效应和反应,效应(effect)表示接触一定剂量的环境污染物后，引起的机体生物学变化。分为量效应和质效应,反应(response)表示接触一定剂量的环境污染物后，产生生物学变化（效应）的个体在接触群体中所占的比例。一般以百分比（%）表示。如阳性率、死亡率、发病率等。,

19、2.剂量、剂量-反应关系,剂量-效应关系和剂量-反应关系,2.3 剂量一量反应关系和剂量一质反应关系 剂量一量反应关系(graded dose-response relationship)表示化学物质的剂量与个体中发生的量反应强度之间的关系。如空气中的CO浓度增加导致红细胞中碳氧血红蛋白含量随之升高，血液中铅浓度增加引起ALAD的活性相应下降，都是表示剂量一量反应关系的实例。剂量一质反应关系(quantal dose-response relationship)表示化学物质的剂量与某一群体中质反应发生率之间的关系。如在急性吸人毒性实验中，随着苯的浓度增高，各试验组的小鼠死亡率也相应增高，表明存

20、在剂量一质反应关系。,37,2.剂量、剂量-反应关系,2.4 剂量-反应曲线(一)剂量-反应曲线的形式剂量-反应关系可以用曲线表示，即以表示量反应强度的计量单位或表示质反应的百分率为纵坐标、以剂量为横坐标绘制散点图，可得到一条曲线。常见的剂量反应曲线有以下几种形式：1.直线型：2.抛物线型3.S形曲线,38,2.剂量、剂量-反应关系,(二)剂量-反应曲线的转换 为通过数学的方法更加准确地计算LD50等重要的毒理学参数并得出曲线的斜率，有必要将S形曲线转换为直线。当把纵坐标的标识单位反应率改为反应频率时，对称S形曲线转换为高斯曲线在该分布曲线下，如把使一半受试个体出现反应的剂量作为中位数剂量，并

21、以此为准划分若干个标准差，则在其两侧1个、2个或3个标准差范围内分别包括了受试总体的68.3、95.5和99.7。将各标准差的数值均加上5(-3+3变为28)即为概率单位。概率单位与反应率之间的对应关系见表2-1。当纵坐标标识单位用概率单位表示时，对称形曲线即转换为直线。,39,2.剂量、剂量-反应关系,2.5 时间-剂量-反应关系时间-剂量-反应关系（time-dose-response relationship，TDRR）是用时间生物学的方法来阐明化学毒物对于机体的影响。因为机体对于化学毒物具有处理能力，即生物转运和生物转化的能力。在此过程中，化学毒物的数量始终随时间的进程而发生变化。这种

22、时-量之间的密切关系可以直接影响到毒性作用的性质、强度以及发生时间，从而决定了化学毒物的毒性特点。从另一方面看，化学毒物与机体的接触时间长短也直接影响其毒性作用。在一般情况下，连续接触所需的剂量要远小于间断接触所需的剂量；而在接触剂量相同的情况下，连续接触所致的损害强度要远大于间断接触时的强度。,40,2.剂量、剂量-反应关系,致死剂量阈剂量最大无作用剂量毒作用带当受试物质存在于空气或水中时，上述各指标中的剂量改称为浓度(concentration)。,41,第三节 表示毒性常用指标,3.1 致死剂量(lethal dose)(一)绝对致死剂量 绝对致死剂量(absolute lethal d

23、ose，LDl00)是指化学物质引起受试对象全部死亡所需要的最低剂量或浓度。如再降低剂量，就有存活者。但由于个体差异的存在，受试群体中总是有少数高耐受性或高敏感性的个体，故LD100常有很大的波动性。(二)最小致死剂量 最小致死剂量(minimal lethal dose，MLD或LD01)指化学物质引起受试对象中的个别成员出现死亡的剂量。从理论上讲，低于此剂量即不能引起死亡。,42,第三节 表示毒性常用指标,(三)最大耐受剂量 最大耐受剂量(maximal tolerance dose，MTD或LD0)指化学物质不引起受试对象出现死亡的最高剂量。若高于该剂量即可出现死亡。与LDl00的情况相

24、似，LD0也受个体差异的影响，存在很大的波动性。(四)半数致死剂量 半数致死剂量(median lethal dose，LD50)指化学物质引起一半受试对象出现死亡所需要的剂量，又称致死中量。LD50是评价化学物质急性毒性大小最重要的参数，也是对不同化学物质进行急性毒性分级的基础标准。化学物质的急性毒性越大，其LD50的数值越小。,43,第三节 表示毒性常用指标,LD50是一个生物学参数，受多种因素影响。对于同一种化学物质，不同种属的动物敏感性不同,接触途径不同也可影响 LD50的值。因此，在表示LD50时，必须注明动物种属和接触途径。对于某些化学物质，同种不同性别的动物敏感性不同，还应标明不

25、同性别动物的LD50。此外，实验室环境、喂饲条件、染毒时间、受试物浓度、溶剂性质、实验者操作技术的熟练程度等均可对LD50产生影响。在计算LD50时，还要求出95可信限，以LD501.96来表示误差范围。,44,第三节 表示毒性常用指标,此外，在环境毒理学中，常用半数耐受量(Median Tolerance Limit,MLT)来表示一种环境污染物对水生生物的急性毒性，是指水中污染物一群水生生物在一定时间内引起50%受试水生生物出现死亡的浓度。单位为mgL，一般用TLM48为若干mgL表示，是在这一浓度下，经48h 50%的鱼可以耐受，也就是50%死亡。由于不同水生生物对于同一化学毒物的耐受能

26、力有所差异，故表示TLM时除注明观察时间外，还应注明水生生物的物种。例如；TLM45鲤鱼45，就是在45mgL浓度下，经48h 50%鲤鱼可以耐受。,45,第三节 表示毒性常用指标,3.2 阈剂量和最大无作用剂量(一)阈剂量 阈剂量(threshold dose)指化学物质引起受试对象中的少数个体出现某种最轻微的异常改变所需要的最低剂量，又称为最小有作用剂量(minimal effect level，MEL)。分为急性和慢性两种：急性阈剂量(acute threshold dose，Limac)为与化学物质一次接触所得；慢性阈剂量(chronic threshold dose，Limch)则为

27、长期反复多次接触所得。在毒理学试验中获得的类似参数是观察到损害作用的最低剂量(lowest observed adverse effect level，LOAEL)。,46,第三节 表示毒性常用指标,(二)最大无作用剂量 最大无作用剂量(maximal no-effect dose，ED0)指化学物质在一定时间内，按一定方式与机体接触，用现代的检测方法和最灵敏的观察指标不能发现任何损害作用的最高剂量。与阈剂量一样，最大无作用剂量也不能通过试验获得。毒理学试验能够确定的是未观察到损害作用的剂量(no-observed adverse effect level，NOAEL)。NOAEL是毒理学的一

28、个重要参数，在制订化学物质的安全限值时起着重要作用。,47,第三节 表示毒性常用指标,3.3 毒作用带 毒作用带(toxic effect zone)是表示化学物质毒性和毒作用特点的重要参数之一，分为急性毒作用带与慢性毒作用带。(一)急性毒作用带 急性毒作用带(acute toxic effect zone，Zac)为半数致死剂量与急性阈剂量的比值，表示为：Zac=LD50Limac Zac值小，说明化学物质从产生轻微损害到导致急性死亡的剂量范围窄，引起死亡的危险性大；反之，则说明引起死亡的危险性小。,48,第三节 表示毒性常用指标,(二)慢性毒作用带 慢性毒作用带(chronic toxic

29、 effect zone，Zch)为急性阈剂量与慢性阈剂量的比值，表示为：Zch=LimacLimch Zch值大，说明Limac与Limch之间的剂量范围大，由极轻微的毒效应到较为明显的中毒表现之间发生发展的过程较为隐匿，易被忽视，故发生慢性中毒的危险性大；反之，则说明发生慢性中毒的危险性小。,49,第三节 表示毒性常用指标,3.4 安全限值 安全限值即卫生标准，是对各种环境介质(空气、土壤、水、食品等)中的化学、物理和生物有害因素规定的限量要求。它是国家颁布的卫生法规的重要组成部分，是政府管理部门对人类生活和生产环境实施卫生监督和管理的依据，是提出防治要求、评价改进措施和效果的准则，对于保

30、护人民健康和保障环境质量具有重要意义。,50,第三节 表示毒性常用指标,(一)每日容许摄入量 每日容许摄入量(acceptable daily intake，ADI)指允许正常成人每日由外环境摄人体内的特定化学物质的总量。在此剂量下，终生每日摄入该化学物质不会对人体健康造成任何可测量出的健康危害，单位用mg(kg bw)表示。,51,第三节 表示毒性常用指标,(二)最高容许浓度 在劳动环境中，最高容许浓度(maximum allowable concentration，MAC)是指车间内工人工作地点的空气中某种化学物质不可超越的浓度。在此浓度下，工人长期从事生产劳动，不致引起任何急性或慢性的职

31、业危害。在生活环境中，MAC是指对大气、水体、土壤等介质中有毒物质浓度的限量标准。,52,第三节 表示毒性常用指标,(三)阈限值 阈限值(threshold limit value，TLV)为美国政府工业卫生学家委员会(ACGIH)推荐的生产车间空气中有害物质的职业接触限值。为绝大多数工人每天反复接触不致引起损害作用的浓度。由于个体敏感性的差异，在此浓度下不排除少数工人出现不适、既往疾病恶化、甚至罹患职业病。,53,第三节 表示毒性常用指标,(四)参考剂量 参考剂量(reference dose，RfD)由美国环境保护局(EPA)首先提出，用于非致癌物质的危险度评价。RfD为环境介质(空气、水

32、、土壤、食品等)中化学物质的日平均接触剂量的估计值。人群(包括敏感亚群)在终生接触该剂量水平化学物质的条件下，预期一生中发生非致癌或非致突变有害效应的危险度可低至不能检出的程度。,54,第三节 表示毒性常用指标,（五）正常值和对照组 在实际工作中，通常正常值的确定方法是，选择一群按目前标准认为是“健康”或“正常”的个体，进行某项指标的测定，以其平均值2个标准差作为正常值范围。凡某种观察指标符合下列情况之一者，都可认为已偏离正常范围，属于adverse effect。,55,第三节 表示毒性常用指标,.与正常值相比，具有统计学差异（P0.05），并且其数值不在正常值范围内。.与正常值相比，具有统

33、计学差异（P0.05），其数值都在一般公认的“正常值”范围内，但如接触后，此种差异仍持续一些时间，则属于adverse effect。.与正常值相比，具有统计学差异（P0.05），其数值都在一般公认的“正常值”范围内，但如机体处于功能或生物化学应激状态下，此种差异更明显，则属于损害作用。,56,第三节 表示毒性常用指标,生态系统的基本功能,生物生产 初级生产：净初级生产力(NP)=总初级生产力(GP)-呼吸(R)次级生产：初级产品转化成动物能能量流动 能量通过食物网在系统内转变、利用、转移和耗散过程物质循环 生物地球化学循环信息传递 物理、化学、行为和营养等信息,生态系统的基本特征,功能性 生态系统是一个功能单位，执行生物生产，能量流动，物质循环和信息传递功能区域性 生态系统机构和功能具有显著的区域性特点开放性 与其他生态系统或周边区域进行物质、能量和信息交换动态性稳定性 生物对周围生物成分和非生物成分变化的适应能力,生态系统分类 根据区域环境性质分类,淡水生态系统河流、湖泊、池塘、水库、沼泽、三角洲,海洋生态系统河口、海岸、近海、大洋等,陆地生态系统 全球各类陆地,生态系统分类 根据生态学功能分类,农田生态系统,草地生态系统,果园生态系统,工业、矿区、城市、道路等生态系统,水生生态系统,森林生态系统,