生态毒理学 (4)

在生态系统水平上评价毒性响应
传统方法包括下述步骤： 1. 在实验室内，检测代表若干物种的一组生物的慢性
毒性； 2. 将结果外推至其它物种； 3. 指示环境质量基准以便保护目标生态系统的结构和
功能。 野外研究 (生态系统监测) 实验室模型 (时间尺度限制) 统计方法 (危险浓度方法) 基础物种方法 (keystone species)
生理响应 和
行为响应
有毒物作用的wk.baidu.com个时相
毒物
接触相
毒物存在的 剂型和剂量
毒物动力相
可吸收毒物 吸收，分布， 代谢，排出
活性物的 有效剂量
毒效相
靶组织中与 受体相互作用
效应
有毒物一些重要的生化和生理效应
细胞膜 1 功能：构成具有特定穿透性的屏障，调节传输系统，控制物质进出细胞的传输 速率和程度； 2 毒性响应：破坏或修改膜穿透性；扰动控制传输系统。 酶 1 功能：高度特异蛋白用以催化介质间细胞代谢的化学反应； 2 毒性响应：可逆或不可逆酶抑制反应。 脂(lipid)代谢 1 功能：涉及细胞膜结构，细胞功能和代谢过程； 2 毒性响应：扰动导致破坏肝功能。 蛋白生物合成 1 功能：涉及氨基酸组分在多肽链中特定的排列顺序； 2 毒性响应：压迫蛋白合成容量。 微粒(microsomal)酶系统 1 功能：肝脏中的代谢多酶系统以及外源化合物的生物转运； 2 毒性响应：激发或抑制酶功能。
不同环境分室 (compartment)之间的分配
驱动力是所谓“逃逸趋势”，即逸度 (fugacity)。
污染物气－水界面的分配可用亨利常数H描述：
逸度：
H = Cg/Cw。
f = C/Z，
C是化学物在某相中的浓度，Z是逸度容量常数。
分子稳定性和抵抗分子 (recalcitrant molecules)
以持久性有机污染物POPs (persistent organic pollutants) 为代表。
基本概念
吸附
指污染物在两相公共边界(界面)上的积聚。 通常使用两种吸附等温式描述吸附现象：
(1) Langmuir (理论推导)； (2) Freundlich (经验)等温方程式。 Longmuir吸附等温式
化学物在环境相中相互关系示意图
空气 Cair
Kaw
水 Cwater
Kbw 生物 Cbiota
Kaso Ksew
土壤 Csoil
沉积底物 Csediment
化学物吸收和保持的机理
环境分散 有机体吸收 分布
水/土壤/空气中的化学物 表面吸附和/或经食物摄入
分配
器官/组织内的动态平衡(稳态/平台)
转换
细胞
组织 个体
种群 群落 情形B
细胞 组织 个体
种群 群落 情形C
情形B和C中的竖条纹区域代表不确定性(Uncertainty)。
➢ 次一级生物体的响应(如酶活性或免疫响应的改变)可 能代表从健康反应到胁迫反应(stress)的广谱效应。因 而难以发现这种响应和有机体适应性的定量关系。
➢ 从个体水平外推至种群或群落水平代表另一类不确定 性问题(如情形C)。
新陈代谢 代谢产物
母体化学物
与细胞成份反应 中间物 新陈代谢
排出/净化
影响污染物迁移和分布的因素
极化作用 (polarity)和溶解度 (solubility) 水分子属于极化分子，许多有机污染物属于非极性， 产生排斥的憎水效应(hydrophobic effect)。 分配系数(partitioning coefficients) 指化学物在不同相(phase)或介质(medium)中浓度分配， 当达到平衡时，两相间的浓度比值。 代表性的系数为KOW(辛醇－水分配系数)，提供一个表 征化学物憎水性强弱的指标。 蒸气压 平衡状态下，在固体或液体表面上某种物质蒸气所施 加的压力。
控制过程和生长 1 功能：激素等控制细胞生物合成和生物异化的途径和速率； 2 毒性响应：控制酶的结构或活性改变，破坏激素的合成、存储、释放或隔绝， 降低生长速率。
糖(carbohydrate)代谢 1 功能：糖酵解(glycolysis)，柠檬酸或三羧酸循环，己糖单磷酸(HMP)或戊糖单 磷循环(葡萄糖降解)，酸肝糖分解； 2 毒性响应：破坏氧化和糖酵解。
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。
100% 0
因素1
因素2
0 100% 因素3
100% 0
不同组织水平上有毒化学品的效应关系
可观察到的生物组织不同类型之间的关系
细胞
组织 个体 种群
群落 情形A
“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。
X/M = abC/(1 + bC) 或 C/(X/M) = 1/(ab) + C/a Freundlich吸附等温式
X/M = KC1/n 或 log(X/M) = logK + logC/n X：吸附量，M：吸附剂质量，K：待推导的参数，C：
研究的难点： 1. 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； 2. 如何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。
种群的故障树(Fault Tree)分析图
受影响种群 生长、发育、死亡和生殖
直接影响
间接影响
自然原因 有毒化学物 自然原因 有毒化学物
短期影响 长期影响 短期影响 长期影响 可直观地了解一种化学物质对特定种群的影响方式
生态毒理学 (4)
沉积物质量评价三合一(Triad)方法的组成
沉积物 化学分析
沉积物毒性 生物检验数据
底栖群落 结构变化
不同阶段的毒性基础框架
排泄 吸收
动力学阶段
动态阶段
初始反应
生物生化响应
去毒性作用 代谢
生物合成
前毒物 毒物 + 靶标
脂储藏
(受体)
更改靶标
a, b, c, etc A, B, C, etc
呼吸作用 1 功能：生物氧化为活细胞提供能量； 2 毒性响应：特定点位电子传输抑制，氧化磷酸化作用不耦合或被抑制。
污染物对区域的一般作用
对生态系统中自然定居且已经适应的活的组分而言， 使其区域适宜性降低； 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； 造成群落结构改变，而且一般地，物种数目随之降低； 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。