生态毒理学 7

有两个基本原则：
(1) 施加于系统的任何化学物的量在模型中均须予以估 计；
(2) 如果有一化学物以特定速率输入系统中，其途径、 分室和结果浓度必须显示。
输入速率－输出速率＝总量变化
其中，动态求解涉及微分方程求解。稳态解表现形式 是简单代数形式。
建立模型的关键是给出合适的方程式描述过程和获取 化学物准确的参数值。
生态毒理学方法学方法
(IV) 生态系统平衡 在拥有大量物种的群落中，有如下特点： (1) 关联度与稳定性成反比； (2) 种群恢复力较差； (3) 物种去除导致组成和生物量改变机会较高； (4) 没有物种去除，物种组成具有较长的持久性。 如果群落之间联接愈多，则： (1) 物种达到稳定所须物种数愈少； (2) 损失一物种导致进一步物种损失的可能性愈大； (3) 其种群恢复力愈大； (4) 其组成愈有持久力； (5) 如果去除一物种，生物量愈有抵抗性。
Margalef
d
s1 ln N
Pielou Brillouin
E
H Hmax
H = (1/N)Ln[(N!)/(n1!n2!n3!…nk!)]
Shannon－Winner
H
'
ni N
log
2
ni N
s: 物种数目；N: 个体数目；ni: 第i种物种的个体数目；d: 群落丰度；E: 均匀度；H, H’: 各个体的多样性。

生态毒理学方法学方法
群落及更高层次的生物指示物：毒理学中的生态方法 (I) 有毒物质的物种间效应 1. 生态系统中每个物种只能适应环境因子特定的范围； 2. 各物种内部集合种群对特定环境参数的响应可能遵循 正态分布。 3. 两物种范围出现叠加时，化学物的压迫表现更偏向于 耐受力差的物种。 4. 实例(参见河口生态系统样例图示)。 (II) 受有毒物影响的营养水平/层次之间的相互作用 1. 研究食物网的另一种观点则采取“由顶至下”的方法： 首先去除顶级的食肉动物，释放二级食肉动物以捕获 食草动物种群，从而导致藻类生物量增加，表现为层 叠效应。
(II) 稳态质量平衡模型 (以湖泊和水塘系统为例) a 水的体积； b 水的输入和输出速率，在给定水体积条件下，计算水
的滞留时间；
c 悬浮颗粒物输入和输出速率； d 悬浮沉积物沉降； e 水体中化学物的反应速率； f 挥发速率；
g 化学物气－水分配系数； h 化学物生物－水分配系数； i 水中颗粒物浓度； j 水中生物体浓度； k 化学物排放速率； l 输入水体中化学物浓度。 目的在于计算： (1) 化学物在水、颗粒物和生物体之间分配； (2) 水、颗粒物、鱼体系内的稳态或常量浓度； (3) 所有损失速率。
(III) 种群和群落响应的终点
响应终点指数是基于特定种群或群落的结构变化，或 结构和功能的混合
(1) 基于种群的终点
生殖性能(孵化率和幼体存活率)；
生命周期；
基于阶段的人口统计学模型(Leslie矩阵模型)；
生命循环种群分布矢量。
(2) 群落指数
生态毒理学方法学方法
污染评价中经常用到的群落多样性指数
➢ 与95%置信水平上限相交的水平线与零浓度相关；也与95%置信水平 的下限相交，交点对应的毒物浓度即为最低可观察浓度LOEC。 ➢ 有时响应曲线会侵入“负剂量”区域，这对该经验曲线并非异常情况； ➢ 尽管在图中的数据集合内LOEC与LC10相符合，但对于其它经验型的 剂量－响应关系而言，数据的变化/变异性可能很大。
作业练习
列举生态毒理学与传统毒理学的差别； 图示环境/生态毒理学的基本要素； 如何理解环境/生态毒理学中的“剂量”概念？描述在该主题各 种应用中剂量的不同表示方式； 什型。么这是种LC评50价？毒描性述方毒法理的学优家势如和何不测足定表，现包在括哪所里用？的某些统计模
慢性和亚急性毒性生物法经常表现出比急性毒性测试更为灵敏。 利用不同方法的实例，描述通常使用的终点类型；
变量
动态平衡 稳定
忍受性
恢复力 抵抗性 持久性 可变性 物种丰度 联接度 相互作用强度 均匀度 多样性指数 混乱/扰动 压迫 救助
定义
单位
通过反馈控制过程保持稳态状态
扰动后所有变量返回初始状态，系统稳定；若仅对小扰动能返回原态称局部稳定； 无量纲和二元
对所有扰动均能返回原态，称为全局稳定。
(稳/不稳)
描述获得无效应浓度和最低可观察效应浓度的方法。对比先前 的种群－响应分布模型，通用线性模型方法的优势是什么？
对比更为机械的模型，基于种群的剂量－响应模型的毒性临界 值的概念是什么？给出毒物兴奋效应的两种解释。
生态毒理学的两个关键问题？两个重要过程是什么？为此需要 了解那些内容？ 解释受体和最大可接受毒性浓度的概念。 沉积物质量评价三合一方法中的要素是什么？
(1) 群落完全损失 (2) 没有替代
abc ac b acb
a cb a bc ab ab
a
接受 接受
需要基准 需要基准
指示物种间相互作用
需要基准
不可接受， a：代表污染区内的分类数目 不太可能 b：代表未污染区内的分类数目
c：代表两区所共有的分类数目 不可接受 I：群落损失系数指示损失程度
I = (a－c)/b 不可接受 其中，b可以包括一些在未污染
PP
MZP
包含较小的浮游植物种(小型 硅藻、鞭毛藻、蓝藻)，桡脚
COP
类动物和底栖过滤饲养者数
OYS
B
目下降，微小浮游动物微生 物捕食者占据优势。
2. 另外，除直接的有机体毒性效应，污染物还可引发食 物链破坏，例如富营养化过程，过量的氮磷通过点源 和非点源来源导致初级生产者的定性和定量变化，主 要副作用是增加水中氧的消耗，出现贫氧或厌氧环境。
代表一种在缺少更多合适数据条件下估算慢性毒性的 粗略方法：ACR = 急性LC50/MATC
利用回归技术由急性毒性生物法外推时间、浓度、死亡率以估计长期效应
正规偏差值 Probit
外推的LC0 A
96 h 72 h
利用在不同时间间隔上，剂
48 h
量－响应的数据所得到的回
5
24 h
归方程来确定LC0 ( LC0.01)
b 气溶胶：大气中天然和人为来源的颗粒物； c 水：考虑水体深度； d 悬浮沉积物： e 水生生物： f 底泥：包括固体和有机质。在水平和垂直空间上异质 性，充当污染物“汇”或“源”；
g 土壤：包括固体、有机质、水分和空气。 h 陆生生物：含有一定比例的脂。常存在巨大的不确定 性和变异性。
逸度：与化学势有关，化学物的分压，可视为化学物 逃逸的趋势。不仅与化学物自身性质有关，也与介质 的性质有关。是两相物质平衡的化学热力学的判断基 准。
为此，需要获得下述可靠的信息
(a) 平衡分配 例如辛醇－水分配系数KOW表征物质亲脂性大小；
(b) 降解反应 包括代谢，改变物质化学结构，且通常不可逆。
降解反应涉及生物降解、光降解、酸碱水解和生物代 谢；
(c) 传输过程 例如挥发、沉降、进食和呼吸速率。
生态毒理学方法学方法
(I) 模型中环境介质的特性 (以一个拥有8个分室环境的模型为例) a 大气：与地表最紧密接触的对流层，假定大气压下气 体密度同一；
(图B)。
LC0 浓度
0.010.020.03 1/T
绘制LC0 对1/T图形，以确定LC0 在t 处
低剂量外推模式示意图
反应
出现多种可 能情况，存 在不确定性
0 外推剂量范围 可观察范围
剂量
比例响应
通用线性模型评价最低可观察效应浓度
1.0 95%置信水平上限
95%置信水平下限
0.1 0.0
LOEC 毒物浓度 (mg/L)
无量纲
中间相互作用的数量级：一物种密度对另一物种生长速率效应的大小
无量纲
物种丰度分布的方差
结合均匀度和丰度并分别给予特定权重的一种测度
位
系统输入或环境的改变超出正常变化范围
对系统产生负面效应的扰动
对系统产生负面效应的扰动
上述方法缺陷之一表现为：忽视了在不同群落中物种的角色不同， 没有认识到群落性质差异可能来源于与环境污染无关的复杂因子。
污染排放下游河流生物群落可能变化情景
群落组成的改变 各种可能关系图示 管理决策
无变化
(1) 群落无损失 (2) 低层次丰度增加
(1) 群落部分损失 (2) 低层次丰度增加
(1) 群落部分损失 (2) 低层次部分替代
(1) 群落部分损失 (2) 没有替代
(1) 群落完全损失 (2) 低层次丰度增加
(1) 群落完全损失 (2) 低层次部分替代
注意：因检测(观察)结果的变异性较大(源于技术、方 法等)，因此NOEC不宜用作无效应浓度(NEC)的估值； 而更加EC一50和致其，它更为点可估靠计，值可则用相以对比NO较E不C不同确检定测较的大结的果情。况
最低观察效应浓度 (lowest observed effect concentration or level, LOEC or LOEL)
(III) 鱼的化学物吸收/去除模式 涉及的过程： a 从水体经鱼鳃吸收； b 从食物吸收； c 经鱼鳃损失； d 经排泄损失； e 经代谢损失； f 通过有机体生长稀释组织中的浓度。
河口生态系统中痕量金属效应的概念模型
PP
MZP
COP
A
OYS
圆的大小指示生物体大小和丰 度，箭头指示捕食关系。 PP: 浮游植物；COP: 桡脚类 动物；MZP: 微小浮游动物； OYS: 底栖过滤捕食者。
A. 正常群落包括较大的浮游植 物种，优势的桡脚类动物 和底栖过滤捕食者。
B. 痕量污染元素压迫群落则
生态毒理学方法学方法
模型 (A) 概念 数学模型是概念模型基本的量化形式。 生态毒理学中模型的正确应用包括： i) 鉴别环境中有毒物途径和行为的关键过程； ii) 预测系统扰动造成的输出(结果)； iii) 现存和尚未登记化合物风险评价； iv) 指导有毒物管理。 (B) 质量平衡模型 当前大多数模型属于箱式(box)模型，质量平衡应用在 给定的环境容积内。
群落中没有出现的替代物种。
绘制对数正态分布的数据计算(作图基础)
每一物种的个体数目 几何分类 算术分类
物种数目 百分比例%
累积%
I
1
8
19.5
19.5
II
2－3
13
31.7
51.2
III
4－7
3
7.3
58.5
IV
8－15
4
9.7
68.2
V
16－31
5
12.3
80.5
VI
32－63
2
4.9
85.4
VII
系统能不确定地保持结构和功能，所有非连续性生态系统(即顶点)是耐受性的， 二元 但并非稳定。
扰动后变量恢复至平衡状态的速率，对非稳态系统无定义。
时间
扰动后变量改变的程度
无量纲，连续
变量改变所需的时间
时间
种群密度随时间变化，或联合的测定，如标准偏差或变异系数
生态系统中物种数目
整数
实际的中间相互作用数目除以可能的中间相互作用
指响应与对照控制组有明显差别所对应的化学品最低 浓度。
百分抑制浓度 (percentage inhibition concentration, ICp) 表述分级的低于致死剂量的结果。例如：造成孵化率 或生长率30%抑制作用，可表述为IC30。 急－慢性比率 (acutechronic ratio, ACR)
64－127
2
4.9
90.3
VIII
128－255
2
4.9
95.2
IX
256－511
2
4.9
100
❖兼顾种群大小和物种丰度的群落指数表现为对数正态分布。 ❖这里，利用每一物种中个体的几何分布与一群落中物种的累计百分数作图； ❖针对大量不同种类的群落数据作图将得到一线性关系。
群落结构特性及其定义 蓝：稳定性；绿：复杂性；黄：变化
USEPA利用三维方法(剂量－响应－
0 浓度
时间)推导无效应浓度(NEC) NEC的操作定义为：从正规/正态偏
B
差曲线上t 处的LC0.01。
包括两步分离的回归过程：
截距 (a) LC0
(1) 首先确定各时间间隔的LC0(图A)； (2) 然后绘制LC0数据与时间倒数的 关系，并外推至假设的极限暴露时间
基本概念
毒效 (efficacy) 外源物在理想条件下可以达到的对生物体的最大影响，
即：剂量－响应曲线中生物体“响应”的上限。毒能 与毒效主要用于比较化学物对生物体影响的能力和特 点。 最 大 可 接 受 毒 性 浓 度 (maximum acceptable toxic concentration, MATC) 指无观察效应浓度与最低观察效应浓度的几何平均值。 是对低于致死剂量(慢性)生物法的一种度量。 无观察效应浓度 (no observed effect concentration/level, NOEC/NOEL) 指响应与对照控制组没有显著差别所对应的化学品最 高浓度。