《环境生物学》 第五章

六、定量构效关系
定量构效关系（quantitative structure-activity relationship, QSAR）是在传统构效关系的基础上，借助分子的理化性质参 数或结构参数，以数学和统计学手段定量描述分子结构和分子 的某种生物活性之间的关系。
七、毒理学中常用的剂量（浓度）参数
（1）半数致死剂量（浓度）（median lethal dose & concentration, LD50 & LC50）：能引起一群受试生物的50%死亡的最低剂量或浓度。
（2）最小致死剂量（浓度）（minimum lethal dose & concentration, MLD & MLC）：能使一群受试生物中仅有个别死亡的最低剂量或浓度，低于此 值则不引起机体死亡。
浓度（concentration）是指将受试生物暴露在含有受试物的 环境中，该环境中单位面积或体积受试物的量，一般以ppm、 mg/m3等计。
（二）效应和反应 效应（effect）又叫生物学效应（biological effect），表示接 触一定剂量或浓度的受试物引起生物个体或群体发生的生物学 变化，可以肉眼观察或通过一定方法和借助仪器监测到。
• 根据毒性的类型生物测试分：生殖毒性实验、免疫毒性实验、遗传毒 性实验；
• 根据毒物的作用效果分：致畸实验、致突变实验、致癌实验； • 根据染毒途径分：经口实验、经皮实验等； • 根据毒物作用对象分：细胞毒性实验、植物毒性实验、动物毒性实验
等； • 根据受试生物的种类分：单物种生物测试、多物种生物测试 、模拟生
态系统生物测试； • 根据测试目的分：排放水的品质测试、相对毒性测试、相对敏感性测
此比值愈大，则急性毒性最小有作用剂量与可能引起半数死亡 的剂量（LD50）的差距就愈大，此种CAFs引起死亡的危险性 就愈小；反之，比值愈小，则引起死亡的危险性就愈大。
慢性毒作用带＝ 急性毒性最小有作用剂 量 慢性毒性最小有作用剂 量
这一比值愈大，表明引起慢性毒性中毒的可能性愈大；反之， 比值愈小，引起慢性中毒的可能性小，而引起急性中毒危险性 则相对较大。此种表示方法亦可用于亚慢性毒性作用（亚慢性 毒性作用带）。
2、按其用途及分布范围，可分为工业毒物、环境污染物、 食品中有害成分、农用化合物、化妆品、其他日用品中的有 害成分、生物毒素、医用药物、军事毒物等等。
二、毒性和毒性作用
毒性（toxicity）是指毒物接触或进入机体后，引起生物体的 易感部位产生有害作用的能力。毒性可分为急性毒性、亚慢性 毒性和慢性毒性，毒性强弱取决于CAFs的化学结构，讨论一 种CAF的毒性时，必须考虑到它进入机体的数量（剂量或浓 度）、方式（经口食入、经呼吸道吸入、经皮肤或粘膜接触） 和时间分布（一次或反复多次给予），其中最基本的因素是剂 量或浓度。
• 第二节 生物测试方法分类
• 一、生物测试优点
• 常规的物理和化学检测只能测定CAFs的浓度，不能测定 CAFs对生物机体的影响，因此仅靠化学和物理的检测不能全面 地评定CAFs对生态系统的影响。生物测试不仅能弥补物理和化 学检测的不足，还可以提供物理和化学检测无法得到的数据。
•二、测试方法分类
五、低剂量刺激作用
大量研究表明，用低剂量有毒CAFs处理有机体时，其生理代谢 不但没有表现出抑制，反而具有显著的促进作用，这种刺激作 用的大小通常高于对照组的30%-60%，其峰值一般出现在低于 该化合物无观察效应浓度（NOEC）以下4-5倍的剂量范围， CAFs的这种在低剂量作用时表现为刺激效应，而高剂量作用时 表现为抑制效应的现象叫低剂量刺激作用（hormesis）。
4、毒作用带（toxic effect zone）：是一种根据毒性和毒性作用 特点综合评价CAFs危险性的指标。常用的有急性毒性作用带 （acute-toxic effect zone）和慢性毒性作用带（chronic-toxic effect zone）。
急性毒作用带＝
半数致死剂量
急性毒性最小有作用剂 量
（3）最大耐受剂量（浓度）（maximum tolerance dose & concentration, LD0 & LC0）：能使一群受试生物虽然发生严重中毒，但全部存活无一死亡 的最高剂量或浓度。
2、无观察效应剂量（no observable adverse effect level, NOAEL）或无觉察反应浓度（NOEC）
第一节 环境毒理学相关概念
一、染毒和毒物
（一）概念
染毒（exposure）是指用待研究的CAFs对实验材料（植物、动物或微生物） 进行一定的剂量或浓度处理。待研究的CAFs在生物测试中被称为待测物或受 试物，实验材料被称为受试生物。如果待研究的是物理因子，一般只说处理， 不说染毒。
毒物 定义有很多种，孔繁翔等人将毒物（toxicant）定义为在一定条件下， 以较小量给予生物机体时，能与生物体之间发生化学或物理作用，引起生物 体组织细胞代谢、功能或器质性损伤的CAFs；或剂量虽微，但累积到一定的 量，就能干扰或破坏机体的正常生理功能，引起暂时或持久性的病理变化， 甚至危及生命的CAFs。
在日常生活中，毒物与非毒物之间没有绝对的界限。“毒物本身并非毒物， 主要是剂量才使一个物质变成毒物”。——Paracelsus
（二）毒物的分类
1、按其提取和分离方法不同分为：挥发性毒物（可采用蒸馏 法或微量扩散法分离的毒物，如氰化物、醇、酚类等）、非 挥发性毒物（采用有机溶剂提取法分离的毒物，如巴比妥催 眠药、生物碱、吗啡等）、阴离子型毒物（采用透析法或离 子交换法分离的毒物，如强酸、强碱、亚硝酸盐等.）等等。
CAFs对机体的损害作用或毒作用表现为引起机体发生某种生物 变化，一般说来，这种生物学变化随剂量的递减而减弱，当 CAFs的剂量减到一定量但尚未减到零时，生物学变化已达到零， 即不能再观察到CAFs所引起的生物学变化，此剂量即为 NOAEL或NOEC，也可被称为最大无作用剂量（浓度） （maximum no-effect level, MNL）。NOAEL的定义为：CAFs 在一定时间内，按一定方式与机体接触，用现代最灵敏的的检 测方法和观察指标，不能发现任何损害作用的最高剂量。
3、有毒效应最小剂量（浓度）（lowest observed adverse effect level, LOAEL）又叫最低觉察反应浓度（LOEC），是 指使机体发生某种异常变化所需的CAFs最小剂量，即能使机体 开始出现毒性反应的最低剂量。也被称为最小有作用剂量 （minimal effect level, MEL）。因为MEL一般都是略高于MNL， 也可称为中毒阈剂量（浓度）（threshold level），或中毒阈值。 理论上讲，MNL与MEL应该相差极微，但实际中由于受到对损 害作用观察指标和检测方法灵敏度的限制，两者之间存在有一 定的剂量差距。
5、半数效应剂量（浓度）（median effect dose & concentration, ED50 & EC50）：是指能引起50%受试生物的某种效应变化的 浓度。
6、半数抑制剂量（浓度）（median inhibition dose & concentration, ID50 & IC50）：是指能引起50%受试生物的某 种效应抑制的浓度。ED50 （EC50）和ID50（IC50）通常指非 死亡效应。
3、Байду номын сангаас型
在CAFs的剂量（或浓度）与反应关系中较为常见，部分剂量（或浓度）与 效应关系中也有出现。此种曲线的特点是，在低剂量（或浓度）范围内， 反应或效应强度增高较为缓慢，当剂量较高时，反应和效应强度随之急速 增高；但剂量继续增加时，反应或效应强度增高又趋向缓慢。曲线开始平 缓，继之陡峭，然后又趋平缓，呈不甚规则的“S”形，曲线的中间部分， 即反应率50%左右，斜率最大，在此附近剂量（或浓度）略有变动，反应 即有较大增减。S形曲线分为对称与非对称两种。非对称形S曲线两端不对 称，一端较长，另一端较短。如将非对称S形曲线横坐标（剂量或浓度）以 对数表示，则成为对称S形曲线(图C）；如再将反应率换成概率单位 （probit），则成直线（图D）。
1、直线型
效应或反应强度与剂量（或浓度）呈直线关系，随剂量（或浓 度）增加，效应或反应强度也随之增加，并成正比关系。在生 物体内，这种直线型曲线少见，仅在某些体外实验中可在一定 剂量范围内存在。
2、抛物线型
剂量（或浓度）与效应或反应强度呈非线型性关系，随剂量 （或浓度）增加，效应或反应强度也随之增高，但最初增高急 速，继之变为缓慢，以致曲线呈先陡峭后平缓的抛物线形。如 将剂量（或浓度）换成对数值，则成直线，以便于在低剂量与 高剂量、低反应强度与高反应强度之间进行相互推算。
反应（response）是接触一定剂量或浓度的受试物后，表现 一定程度某种效应的个体在一个群体中所占的比例，一般以% 或比值表示。
四、剂量/浓度－效应/反应关系
（一）定义 CAFs的剂量或浓度与个体或群体中发生的量效应强度之间的 关系称之为剂量/浓度－效应关系（dose﹠concentration effect relationship），简称量－效关系。 剂量/浓度－反应关系（dose﹠concentration response relationship）表示CAFs的剂量或浓度与某一群体中质效应的 发生率之间的关系。
（一）致死剂量（浓度）（lethal dose & concentration, LD & LC）表示一次 染毒后引起受试生物死亡的剂量（浓度）。但在一个群体中，死亡个体的多 少有很大程度的差别，所以对致死量还应进一步明确下列几种概念：
1、绝对致死剂量（浓度）（absolute lethal dose & concentration, LD100 & LC100）：表示一群受试生物全部死亡的最低剂量或浓度。
CAFs引起生物机体的损害总称为毒性作用（toxic effect）。
三、剂量和浓度、效应和反应
（一）剂量和浓度
毒物的毒性用来表示毒物剂量与反应之间的关系，毒性大小所 用的单位一般以毒物引起受试生物某种毒性反应所需要的剂量 表示。
剂量（dose）是指机体经过一次染毒后，被机体吸收到体内 的受试物的量，一般以mg/kg计。
（二）剂量/浓度－效应关系和剂量/浓度－反应关系曲线 剂量/浓度－效应关系和剂量/浓度－反应关系均可用曲线表示， 曲线以表示效应强度的计量单位或表示反应的百分率（或比值） 为纵坐标，以剂量或浓度为横坐标，绘制散点图而得到。不同 CAFs在不同条件下，其剂量（或浓度）与效应（或反应）的 相关关系不同，呈现不同类型的曲线，常见的剂量/浓度－反 应/效应曲线有直线、抛物线、S型三种形式。
第五章 环境毒理学实验的原 理和方法
本章主要内容：阐述了环境生物学中常 见环境毒理学实验的原理和方法，包括 生物测试方法的分类、标准化和程序， 一般毒性试验，生理生化和代谢试验， “三致”实验这些实验的内容，并介绍 了微宇宙法在环境毒理学中的应用意义， 以及与环境生物学其它研究方法比较的 优点和缺点。
（二）毒物单位与分级
毒性大小与半数致死剂量呈反比，不同CAFs之间毒性的差别相 当大，可达到百万甚至几千万倍。毒物急性毒性常按吸入2小时 测得的LD50（LC50）进行分级，将毒物分为剧毒、高毒、中 毒、低毒和微毒五级。 1、毒物单位：一般吸入毒物在空气中的浓度以mg/m3、mg/l表 示，哺乳动物常以mg/kg或ml/kg体重表示，水环境中毒物一般 以mg/l、μg/l表示。偶尔也用每单位体表面给药量即mg/m2表示。 2、毒性分级：目前使用的分级方法、标准和毒性级的名称在 毒理学文献中很不统一，因而往往造成混乱和判断的错误，目 前要统一也比较困难。为消除分级标准之间的差别，建立协调、 统一的化学品分级标准，由国际劳工组织（ILO）、经济合作与 发展组织（OECD）以及联合国危险货物运输专家委员会 （TDG）三个国际组织共同提出框架草案，建立了全球化学品 统一分类与标签制度（GHS）。