环境生物学 第三章 污染物的生物效应检测
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• 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（Standardized Aquatic Microcosm， 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。
• 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
3.5 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（Model Ecosystem）
• 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Fra Baidu bibliotek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。
一致，故表示LD50应注释明动物种类和染毒方式。
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（Cumulative Coefficient Method）：用来评价环境 污染物蓄积作用的方法。
• 蓄积系数K＝
LD50(n)
LD50(1)
• 生物半减期T＝ (t2 t1) lg 2 lg y1 lg y2
最大无作用剂量（Maximum No－effect Level）
• 每日容许摄入量（Acceptable Daily Intake） • 最高容许浓度（Maximum Allowable Concentration）
毒作用带
• 急性毒作用带（Acute－toxic Effect Zone） • 慢性毒作用带（Chronic －toxic Effect Zone ）
• 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。
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
3.2 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。
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
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）。
死亡率（概率单位）
死亡率（％）
100
100
50
50
对数剂量 图3－3 剂量－反应曲线（S形线型）
对数剂量 图3－4 剂量－反应曲线
毒性试验常用参数
致死剂量或致死浓度（Lethal Dose， Lethal Concentration）
• 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 ）
• 时间为8d到90d，多数情况下为流动式。
长期生物测试（Long Term Bioassays）
• 包括全部生活史的生物测试（Complete Life－cycle Bioassays） 和部分生活史的生物测试（ Partial Life－cycle Bioassays ）
• 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）
• 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。
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。
3.4.3 致癌效应
概念
• 化学致癌作用（Chemical Carcinogenesis） • 化学致癌物（Chemical Carcinogen）
细胞癌变学说 癌变过程
烧杯水生微宇宙（Mixed Flask Culture，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。
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。
室外水生微宇宙（Outdoor Aquatic Microcosm）
• 又称中宇宙（Mesocosm），试验单元6 m3，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（Soil Core Microcosm，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。
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
Ames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。
3.4.1致突变试验
基本概念
• 突变（Mutation） • 基因突变（Gene Mutation ）和染色体畸变（Chromosome
Mutation ） • 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。
微核试验
3.4.2 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
• 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
• 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
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。
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0.75 m3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。
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？ 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？
半数效应浓度（EC50）和半数抑制浓度（IC50）
急性毒性试验（Acute Toxicity Test）
急性毒性试验（Acute Toxicity Test）
• 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。
3.3 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
3.4 生物致突变、致畸和致癌效应检测
• 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。
• 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）
剂量－效应关系和剂量－反应关系曲线图
反应强度（％）
死亡率（％）
100
100
50
50
剂量 图3－1剂量－反应曲线（直线型）
剂量 图3－2 剂量－反应曲线（抛物线型）
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
3.1 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。
生物测试的方式
短期生物测试（Short Term Bioassays）
• 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（Intermediate Term Bioassays）
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（Toxic Effect）
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。
标准化水生微宇宙（Standardized Aquatic Microcosm， 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。
• 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
3.5 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（Model Ecosystem）
• 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Fra Baidu bibliotek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。
一致，故表示LD50应注释明动物种类和染毒方式。
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（Cumulative Coefficient Method）：用来评价环境 污染物蓄积作用的方法。
• 蓄积系数K＝
LD50(n)
LD50(1)
• 生物半减期T＝ (t2 t1) lg 2 lg y1 lg y2
最大无作用剂量（Maximum No－effect Level）
• 每日容许摄入量（Acceptable Daily Intake） • 最高容许浓度（Maximum Allowable Concentration）
毒作用带
• 急性毒作用带（Acute－toxic Effect Zone） • 慢性毒作用带（Chronic －toxic Effect Zone ）
• 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。
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
3.2 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。
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
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）。
死亡率（概率单位）
死亡率（％）
100
100
50
50
对数剂量 图3－3 剂量－反应曲线（S形线型）
对数剂量 图3－4 剂量－反应曲线
毒性试验常用参数
致死剂量或致死浓度（Lethal Dose， Lethal Concentration）
• 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 ）
• 时间为8d到90d，多数情况下为流动式。
长期生物测试（Long Term Bioassays）
• 包括全部生活史的生物测试（Complete Life－cycle Bioassays） 和部分生活史的生物测试（ Partial Life－cycle Bioassays ）
• 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）
• 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。
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。
3.4.3 致癌效应
概念
• 化学致癌作用（Chemical Carcinogenesis） • 化学致癌物（Chemical Carcinogen）
细胞癌变学说 癌变过程
烧杯水生微宇宙（Mixed Flask Culture，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。
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。
室外水生微宇宙（Outdoor Aquatic Microcosm）
• 又称中宇宙（Mesocosm），试验单元6 m3，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（Soil Core Microcosm，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。
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
Ames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。
3.4.1致突变试验
基本概念
• 突变（Mutation） • 基因突变（Gene Mutation ）和染色体畸变（Chromosome
Mutation ） • 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。
微核试验
3.4.2 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
• 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
• 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
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。
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0.75 m3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。
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？ 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？
半数效应浓度（EC50）和半数抑制浓度（IC50）
急性毒性试验（Acute Toxicity Test）
急性毒性试验（Acute Toxicity Test）
• 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。
3.3 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
3.4 生物致突变、致畸和致癌效应检测
• 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。
• 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）
剂量－效应关系和剂量－反应关系曲线图
反应强度（％）
死亡率（％）
100
100
50
50
剂量 图3－1剂量－反应曲线（直线型）
剂量 图3－2 剂量－反应曲线（抛物线型）
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
3.1 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。
生物测试的方式
短期生物测试（Short Term Bioassays）
• 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（Intermediate Term Bioassays）
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（Toxic Effect）
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。