环境生物学().ppt

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1、环境生物学,二、污染物在环境中的转化,1、转化概念：污染物在环境中通过物理、化学或生物作用改变形态或转变成另一种物质的过程。取决于污染物物理化学性质和环境条件。与迁移过程相伴进行。,第一章 第一节,生物地球化学循环：生物合成作用和矿化作用所引起的周而复始循环运动过程。生物合成作用：生物（主要绿色植物）把环境物质转成生物体本身有机物质。生物矿化作用：生物代谢将生物体有机物转为无机物或简单有机物。,三、污染物的生物地球化学循环,第一章 第一节,生物转运:指环境污染物经各种途径和方式同生物有机体接触而被吸收、分布和排泄等过程的总称。共性：每一过程都需要经过细胞的膜结构,一、生物转运概念,第二节 污染

2、物在生物体内的行为,第一章 第二节,2、污染物透过生物膜的方式,1、被动转运,3、胞饮作用,第一章 第二节,2、特殊转运,2、被动转运与特殊转运特点：低浓度 高浓度需ATP需要载体水溶性大分子化合物污染物的体内排除具有重要意义,第一章 第二节,3、胞饮作用（吞噬作用）概念：可塑性、流动性的生物膜通过变形移动和收缩，把颗粒状物质和液粒包围摄入细胞内。有利于肝、脾网状内皮系统清除毒物,第一章 第二节,溶酶体结合消化,无脊椎动物重要方式,三、污染物的吸收,吸收：污染物在多种因素影响下，自接触部位透过体内生物膜进入血液循环的过程。,第一章 第二节,1、呼吸系统吸收（1）气体、蒸汽：经肺泡吸收转运方式：

3、被动扩散吸收速度与肺泡和血液中毒物的浓度（分压）差呈正比。（2）气溶胶和颗粒物：转运方式：被动扩散与颗粒大小有关。,人类,第一章 第二节,2、消化管吸收,概念：污染物被分解成小分子穿过消化管上皮细胞膜被吸收。主要吸收部位胃、小肠（肠道环状皱壁、黏膜上的绒毛、微绒毛）,第一章 第二节,影响消化管吸收的主要因素：A、污染物的理化性质（粒径大易排出）B、酸碱差异（弱酸在胃内易吸收）C、胃酸、肠道消化液、肠道微生物使降解D、肠道蠕动,第一章 第二节,3、皮肤吸收,经皮吸收两个途径：（1）污染物表皮角质层（简单扩散）真皮毛细血管（2）通过汗腺、油脂腺、毛囊等皮肤附属器（占表皮面积0.1-1），绕过表皮屏

4、障直接进入真皮。,表皮,真皮,皮下组织,第一章 第二节,植物,植物吸收：指植物体通过气孔、表皮和根系对污染物的吸收作用。气孔：是植物呼吸作用的通道。如SO2、HF、铅、镉等金属粉尘在叶片上溶于水中之后，也可经气孔进入植物体。根系：是植物吸收水分和养分的主要器官。根部吸收后随蒸腾流输送到各个部分（主动吸收、被动吸收）,第一章 第二节,六 污染物对生物的联合作用,1、协同作用（增效作用）协同作用：两种或两种以上污染物对机体产生的生物学作用强度远远超过它们分别单独与机体接触时所产生的生物学作用的总和。,第二章第一节,2、相加作用相加作用：污染物混合所产生生物学作用强度等于其中各化学污染分别产生的作用

5、强度总和。机理：物质化学结构比较近似 3、独立作用 独立作用：污染物各自对机体产生毒性作用的机理不同，互不影响。,六 污染物对生物的联合作用,4、拮抗作用 一种化学污染物可干扰另一原有生物学作用，使其减弱，或相互干扰，使混合物生物作用或毒性作用强度低于两种化学污染物任何一种单独输入机体强度。酸雨地区土壤中加钙降低铝离子对植物根菌的毒害作用拮抗物、拮抗剂、解毒剂,六 污染物对生物的联合作用,六 污染物对生物的联合作用,思考：某种化合物单独与机体接触时不具有毒性，但与另一种单独作用时具有毒性的外来化合物联合作用时，可使后者的毒性进一步增强。异丙醇 四氯化碳 肝脏,第二章第一节,练习：独立作用和相加

6、作用 化学物质A和B分别引起20%和30%的死亡率，在相加作用和独立作用两种条件下，100只动物中存活数分别是多少？1 相加作用：2 独立作用：,第三章 污染物的生物效应检测,本章将讨论以下内容掌握生物测试及方式掌握一般毒性试验了解生物的分子和细胞水平检测了解生物致突变、致畸和致癌效应检测理解微宇宙法,3.1 生物测试及方式,一 生物测试的定义生物测试（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。注释：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。,3.1 生物测试及方式,生物测试的

7、概念：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。水污染的生物测试（毒性试验）大气污染的生物测试（植物人工熏气）植物人工熏气是研究有毒气体对植物的作用的一种方法。在人工控制的环境条件下注入有毒气体，作用于植物体，以研究：植物对有毒气体吸收状况、抗性和敏感性；不同剂量的气体对植物的影响、伤害症状特征、伤害阈值；复合污染对植物的危害；,3.1 生物测试及方式,水污染的生物测试可获得以下数据：环境状况对水中生命的适合度。各种环境因素如DO、pH、T、盐度、混浊度等对水中 生命的有利及不利浓度或强度。环境因素对于废物毒性影响。废物对某一被

8、测试生物种毒性。水生生物对污染物相对敏感性。废水所应处理的程度，及废水处理方法的有效程度。允许废水排放量和污染物排放浓度。水质标准、对废水的要求和排放许可之间的一致性。,二 生物测试的方式,生物测试的分类：时间、给予方式、生物、排放目的短期生物测试 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 时间为8d到90d，多数情况下为流动式。长期生物测试 包括全部生活史的生物测试和部分生活史的生物测试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

9、大允许毒物浓度（MATC）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（1）对试验毒物或因子要具有敏感性（2）具有广泛的地理分布和足够的数量，并在全年中在某 一实际区域范围内可获得；（3）生态系统的重要组成，具有重大的生态学价值；（4）在实验室内易于培养和繁殖；（5）具有丰富的生物学背景资料，已清楚受试生物的生活 史、生长、发育、生理代谢等等；（6）具有重要经济价值和旅游价值，考虑与人类食物链的 联系。,二 生物测试的方式,影响生物测试结果的因素受试生物试验条件实验室差异,二 生物测试的方式,生物测试的标准化标准化的优点：1、有利于数据的选择2、增加数据准确性

10、3、测试可以重复4、各种人员进行该试验5、方便数据比较6、为环境管理和立法提供数据和依据,二 生物测试的方式,3.2 一般毒性试验,一 基本概念毒物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。中毒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。毒性指一种物质引起机体损伤的能力。毒性作用或毒效应,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。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

11、，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。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31，32，33，34）,3.2 一般毒性试验,下期讲课主题,生态安全沙漠与荒漠化,问 题,因接触过量汞导致水体中鱼类死亡率为20%，该现象是反应还是效应?,剂量效应关系和剂量反应关系曲线图,二 毒性试验常用参数,1 致死剂量或致死浓度2 最大无作用剂量3 最小有作用剂量4 毒作用带5 半数效应浓

12、度（EC50）6 半数抑制浓度（IC50）,二 毒性试验常用参数,1 致死剂量或致死浓度（Lethal Dose，Lethal Concentration，最低剂量）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）（个别死亡最高剂量）最大耐受剂量或浓度（LD0、LC0）（严重中毒，全部存活）A（5mg）100只小白鼠,二 毒性试验常用参数,1 致死剂量或致死浓度指一次染毒后引起受试动物死亡的剂量或浓度 绝对致死剂量或致死浓度（LD100、LC100）指一群动物全部死亡的最低剂量或浓度。半数致死剂量或浓度（LD50、LC

13、50）指引起一群动物的50%死亡的最低剂量或浓度。最小致死剂量或浓度（MLD、MLC）（个别死亡最高剂量）最大耐受剂量或浓度（LD0、LC0）（严重中毒，全部存活）毒物A（5mg）100只小白鼠,二 毒性试验常用参数,最大无作用剂量（无损害的最高剂量）指机体与化学物质接触无任何损害作用的最高剂量。每日容许摄入量（Acceptable Daily Intake）最高容许浓度（Maximum Allowable Concentration）最小有作用剂量（中毒阈值量）指机体发生某种异常变化所需最小剂量最小有作用剂量 最大无作用剂量,二 毒性试验常用参数,毒作用带（评价外来化合物危险性的指标）急性毒

14、作用带（Acutetoxic Effect Zone）慢性毒作用带（Chronic toxic Effect Zone）,急性毒作用带越大，则化合物引起死亡的危险性大还是小？慢性毒作用带越大，则外来化引起慢性中毒的可能性大还是小？,二 毒性试验常用参数,半数效应浓度（EC50）指能引起50%受试生物某种效应变化的浓度。半数抑制浓度（IC50）指能引起受试生物某种效应50%抑制的浓度。,二 毒性试验常用参数,毒物的单位空气中：mg/m3、mg/L水体：g/L、mg/L哺乳动物：mg/kg、ml/kg表示注意：ppm ppb ppt,二 毒性试验常用参数,例如：需用15%的多效唑配制成300ppm

15、的药液，喷洒水稻秧苗，1克农药需加多少克水呢？,二 毒性试验常用参数,例如：需用15%的多效唑配制成300ppm的药液，喷洒水稻秧苗，1克农药需加多少克水呢？解：加水量100000015%300=500(克)即1克15%多效唑加水500克，即可配制成300ppm的多效唑药液。另注：目前，在大多数科技期刊中，已经不使用ppm，而改用“”，ppm换算成为：1ppm=0.001。,毒性分级,特点：尚未统一工业毒性分级（剧毒、高毒、中、低、微）农药毒性分级（、）前苏联毒性分级（剧毒、高毒、中、低）美国EPA毒性分级（、V）WHO分级 注意统一标准,三 急性毒性试验,急性毒性试验（Acute Toxic

16、ity 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。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,三 急性毒性试验,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注意试验动物的选择：哺乳动物、啮齿动物、小鼠、大鼠、猫、兔、猪,四 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使动物每日或反复多次接触受试物的毒性试验。蓄积毒性试验蓄积系数法分次给受试物后引起50%受试动物出现某种毒效应的总剂量，与一次给受试物后引起

17、50%受试动物出现同一毒效应的剂量的比值。用来评价环境污染物蓄积作用的方法。蓄积系数K 1 2 3 4 5 6 15蓄积作用强度分级：1（高）、1（明显）、3（中度）、5（轻度）、比值越小，表示蓄积毒性越强。,四 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使动物每日或反复多次接触受试物的毒性试验。蓄积毒性试验生物半减期 一种外来化合物在体内消除到原有浓度（或量）的一半所需要的时间。生物半减期Ty1和y2分别为t1和t2时间测得该物质的浓度或量半减期越长的物质，越不易由体内消除，其蓄积毒性越大。,3.3 生物的分子和细胞水平检测3.4 生物致突变、致畸和致癌效应检测,3.5 微宇

18、宙法,微宇宙（Microcosm）（模拟生态系统法）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可分为自然微宇宙和人工微宇宙或分为水生微宇宙、陆生微宇宙和湿地微宇宙,3.5 微宇宙法,（1）标准化水生微宇宙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。,烧杯水生微宇宙又称烧杯混合培养，试验时间1214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、

19、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。,3.5 微宇宙法,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。,3.5 微宇宙法,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。,3.5 微宇宙法,模拟农田生态系统该系统模拟农田

20、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。,3.5 微宇宙法,1984年“生物圈2号”建造在美国亚利桑那州的沙漠中，是一个人工建造的模拟地球生态环境的全封闭的实验场，“微型地球”，或“火星殖民地原型”。1993年1月，8名科学家进入“生物圈2号”。科学家们原计划让工作人员在“生物圈2号”中生活两年，为今后人类登陆其他星球建立居住基地进行探索。1994年3月，7名“生物驾驶员”第二次实验，1年半后再次失败。1996年，实验项目换了新负责人查勒斯巴里奥斯蒙德，同时，哥伦比亚大

21、学,“生物圈2号”,模拟地球：人工太阳、人工降雨、人工通风、海洋、沙漠、草原、沼泽、雨林、动物、植物两年后的生物圈：上层温度远远高于预计数字，而下层温度又远远低于预计数字空气中二氧化碳含量猛增，氧气量减少，不足以维持人的生存过高的温度把沙漠变成绿油油的草地25种脊椎动物19种死亡、蟑螂、蟋蟀一氧化碳量猛增居民体质减弱，体重下降。,“生物圈2号”,“迷你地球”,“迷你地球”位于日本北部沿海的青森县六所村，面积只有4700平方米，是3个由不锈钢走廊连接的体育馆式建筑。整套设施耗资6500万美元。2005年两名科学家进入有动植物和空气的全封闭建筑内居住，起初一个星期，而后逐渐延长到5个月。实验目的是模拟封闭空间内氧气和二氧化碳在植物、人类和动物之间的循环。,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？,在学习了本章内容之后，请思考以下问题：,课堂作业,论述外来化合物对生物体的影响,