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1、生态毒理学中宇宙(隔室)研究的优势与局限,可以调查生态系统水平效应和物种间相互作用,可以同时研究化学物对多物种具有不同灵敏度的效应,尽管可以监测，但实验条件难以控制。未预料的事件，例如异物引入某一重复实验将摧毁全部实验,环境条件和暴露比室内研究更有现实性,系统在重复实验中出现变化，即使在时间为零时。而且重复实验随时间出现分歧,生态系统成份可以控制(隔离，去除，或增加)，以便检测有关污染物效应的假设,与围栏效应的改变随时间出现,在合适的统计设计中建立重复和未处理控制,围栏体系建立和维护费用昂贵,系统内的条件可以在加入目标化学物前后进行监测,必须考虑尺度因子和边界效应,系统可维持一定时间,鉴于实际
2、原因(体形大小)，很少包括大型生物群落，尤其是捕食者,测试系统包括一个能运行的生态系统,局限,优势,利用中宇宙/微宇宙进行生态毒理研究样例,生殖行为,230天,抗胆碱酯酶杀虫剂,小型动物群落,牧场草地围栏,毒性和累积,12周,化学分散，和非分散石油,底栖无脊椎动物和鱼类,近岸海,水化学包括杀虫剂，初级生产量，大型植物，浮游动物密度和物种组成，各营养层次群落结构,通常至少一季度，夏季每两周给剂量,各种杀虫剂，单独或组合，部份要求用于登记,现存的群落加繁殖用鱼类,人工池塘,水化学包括杀虫剂，浮游动物，大型无脊椎动物，水中悬垂生物，大型植物，鱼,25周,烈性杀虫剂硫丹,自然聚集体,农场池塘,水中叶绿
3、素a， 磷浓度，溶解性反应性磷浓度，沉积物氧化还原电位，藻类生物量，浮游动物放牧速率,3年,营养物,天然聚集体,围栏,藻类种群密度随时间变化，多样性指数，计算公平性和丰度,2小时,Zn,实验室饲养的自然浮游植物聚集体,静态实验室方法,毒性和累积,24小时,11种水溶性中性亲脂化合物,蚊,沉积物/水，与仅有水对比,终点,检测持续时间,物质,有机物/群落,系统类型,微宇宙相对于中宇宙的优势a) 微宇宙环境比中宇宙能更快地运转；b) 更方便重复，耗费更低；c) 比室内实验能涉及更广泛的生态问题；d) 为宇宙实验允许使用放射性示踪，而在野外围栏是不现实的或非法的。使用微宇宙有关的局限性a) 微宇宙不能
4、正常容纳大型生物，例如鱼和动物，至少是成体形式；b) 有限的机体系统容易被化学暴露扭曲变形；c) 如果采用破坏性采样，小型微宇宙意味着在一时间过程中只能采集有限数目样品；d) 对绝大多数微宇宙设计，重新集群现象是不可能的；e) 通常较短的实验时间意味着检测不到恢复。(2) 整体系统的处理某些样例(参见表格),生态毒理学微宇宙(隔室)研究的优势与局限,方法学中技术的进步对生态毒理学的影响(1) 分析化学；检测下限(limitation)；样品分析的质量保证(QA)和质量控制(QC)。(2) 电子显微镜；能量发散X射线技术(EDSXRD)。(3) 计算机； 方法的选择(1) 生物尺度选择表格和图示
5、；方法选择指南，使用者应考虑技术、针对特定问题各种技术的优势和劣势。(2) 方法选择(3) 受试有机体或系统的选择(4) 可用的资源 个案实例研究,涉及系统整体处理的生态毒理研究样例,在距离来源不同距离和时间上监测植物群落多样性、群落系数、相似百分数、对早期连续群落的效应,15 年,慢性 辐射,橡松树森林,土壤化学，真菌，树木、地衣状态的各种生理指示物，地衣形貌，羽状地衣和地衣群落结构,25 年,硫酸和或硝酸沉降处理，有或无土壤肥料改善,枫糖和松树森林植被,径流化学，部份土壤化学,5 年,酸化逆转性,森林集水区,添加的Cd的地球化学，水化学，浮游动物，大型无脊椎动物群落结构，在平行的实验室实验
6、测得的Cd的食物链效应,几年,加入放射标记Cd，有关的围栏和室内研究,湖泊,主要化学参数，形态变化，所有营养水平的群落指数,几年,加硫酸至目标pH，后停止，观察恢复,湖泊,水化学，初级生产，不同营养层次的群落结构,一年或更少,磷和氮，单独或组合,湖泊,无脊椎动物漂移,硫酸,溪水,终点,持续时间,处理，物质,系统类型,不同尺度范围的评价方法,实验室研究,水平/尺度,野外现场研究,没有适用的,生态系统,整体系统处理 (1)致死和亚致死效应 (2)种群和群落改变 (3)地球化学改变 (4)所有相互作用,微宇宙和中宇宙 各种人工生态系统 (1)群落内部,群落,调查，长期或短期监测 (1)群落内部丰度
7、(2)相对丰度 (3)生殖力,种群,个体,器官,细胞,分子,调查，长期或短期监测 (1)补充 (2)生存 (3)年龄结构 (4)密度,采样 (1)生物富集 (2)行为,采样 (1)生理状况,采样 (1)组织学研究 (2)血液学研究,采样 (1)生化指示物 金属硫因，酶等,各种控制实验体系 (1)生殖力，生命周期 (2)年龄结构 (3)密度,各种控制室内处理 (1)急性毒性 (2)亚急性效应 (3)行为，生物富集,各种控制室内处理 (1)生理状态 (2)功能参数,各种控制室内实验 (1)组织学研究 (2)血液学,各种控制室内研究 (1)生化指示物 金属硫因，酶等,有毒物生物和生态效应评价方法,有
8、毒物生物和生态效应评价方法(续),种群大小对污染的可能响应,i,ii,iii,iv,v,污染,种群大小,时间(年),曲线i: 下降，直至零； 曲线ii: 下降，趋缓至持续； 曲线iii: 开始增加，抵抗力进化； 曲线iv: 短暂，由抑制水平恢复； 曲线v: 恢复，由迁移或重新殖民。,K,0,0,时间 (年),种群大小,由Logistic方程式得到的“S”型生长曲线,环境承载容量,dN/dt = r0N(1N/K) r0: 在低种群密度条件下种群生长速率,种群密度依存性,指数增长,逐渐降低,平衡阶段,种群生长评价方法,种群生长速率 r：定义为单位时间种群增长除以种群中的个体数。种群大小为N(t)
9、，r = 1/NdN/dt，单位时间每(人)口。如果r为常数，则有：N(t) = N(0)ert，显示指数种群增长。 er， 为净生产率，是每年种群乘以的一个因子。r = loge假设有机体在年龄t1时第一次繁殖，在年龄t2时第二次繁殖，在年龄t3时的三次繁殖，假设每一雌体在第一次繁殖产生的后代数目位n1，第二次为n2，第三次为n3，假设雌体从出生至年龄ti时的存活率为li，种群生长率r可由下式计算(EulerLotka方程式)：,通常的生命史,年龄,t1,t2,t3,n1,n2,n3,出生,繁殖年龄,繁殖年龄,繁殖年龄,后代数目,后代数目,后代数目,k1,k2,k3,k4,k5,1,3,9,
10、3,27,5,6,9,18,21,S,R1,R2,R3,R4,48,年龄(月),种群密度,时期(月),产卵,成体,刚孵化,幼鱼,以鲑鱼为例,抵抗污染的进化过程的简单样例,r = 0,r = 1,r = +1,特性2,E,A,C,B,D,F,CC,CD,DD,DE,EE,AB,AA,特性1,特性1,远离原始的等位基因(CE) 由图A至B数目增加。而靠近 原始的等位基因(A)的数目 下降。,图C显示增加的“每一拷贝” 速率，即适应性。图D显示 遗传选项集合，带有由重组 获得的遗传类型(圆点代表)。 选项集合的边界是平衡曲线 (粗线表示)。,图E显示最佳策略(进化 输出)。图F显示遗传选 项，在种群
11、中可持续至进 化过程的结束。,特性2,特性2,死亡生产的平衡关系,防卫,A,适应性 = 1,3,2,0,+1,C,机体生长速率,适应性 = 1,3,2,0,+1,B,机体生长速率,抵御,死亡率,机体生长速率,遗传选项集合,平衡曲线,适应性轮廓线,通过原点,叠加图形，当等位 基因达到最高适应 性时，允许鉴定进 化输出。,能量摄入量分配,基本代谢速率； 解毒能量消耗； 合成代谢消耗； 生产生长范围； 排泄。,外在死亡率,最大生产速率,平衡关系会抑制解毒机制。用于防卫的资源配置同时降低生产率和死亡率,死亡率,死亡率,长期死亡与生产受迫的进化输出,生产力降低,死亡率上升,机体生长速率,死亡率,直线代表
12、零适应性轮廓线,机体生长速率,死亡率,机体生长速率,死亡率,A,B,平衡曲线在污染环境(A)和未污染环境(B) 中具有不同形状，进化输出(星号)在污染 环境中会涉及更多的防卫。,致癌性、致畸性及胎儿致死性金属元素,红色：代表确认致癌金属；蓝色：代表促癌金属； 下划线：代表胎盘通透性；斜体：代表致畸性；粗体：代表胎儿致死性。 浅蓝色背景：金属；赭黄色背景：类金属。,绿色：生命必需元素； 红色：对生物相当有毒元素； 蓝色：对某种生物机能有轻度毒害元素。,A类：寻氧元素； B类：寻硫和氮元素； 边界类。,金属污染来源(1) 采矿、冶炼、精炼活动：如硫铁矿(FeS2)开采产生的酸性废矿水；(2) 家庭
13、、市政排放和城市洪水径流：如水处理活性污泥；(3) 工业废弃物和排放：如化石燃料和含铅汽油燃烧；(4) 农业径流：污水灌溉、除草杀虫剂施用。 影响水体沉积物作为痕量金属“汇(sink)”的环境因素(1) 碎屑矿物(细颗粒的表面络合吸附过程)；(2) 吸附过程；(3) 与水合铁锰氧化物及碳酸盐共沉淀作用；(4) 与有机质络合与凝聚作用；(5) 痕量金属沉淀。 痕量金属由沉积物释放的控制过程(1) 盐浓度升高：碱和碱土元素竞争吸附导致吸附金属释放；(2) 氧化还原条件变化：还原的孔隙水体系中形成金属硫化物、有机络合物、氯化物、氢氧化物；(3) pH变化；(4) 络合试剂出现；(5) 生化转化。,金
14、属亚致死效应(1) 生物形态学或组织学上的变化；(2) 生理变化(生长、发育受抑制)；(3) 生化变化(酶活性、内分泌)；(4) 行为或神经生理学变化；(5) 生殖变化。 金属对水生生物种群和群落毒性的一般特征(1) 金属离子和络合物对海洋和淡水生物表现出很宽的毒性范围；(2) 涉及物种数目降低的群落结构严重改变，包括灵敏物种完全消失，通常会出现，特别是受影响的河流；(3) 幸存物种个体数目减少和与金属相关的降低量相伴发生。 金属中毒机制(1) 阻断生物分子表现活性所必须得功能；(2) 置换生物分子中必需的金属离子；(3) 改变生物分子构象或高级结构。 对健康的危害(1) 慢性中毒；(2) 致
15、癌作用；(3) 致畸作用；(4) 变态反应；(5) 对免疫功能影响。,影响溶液中重金属毒性的因素,水中金属形态,有机,无机,溶解态,颗粒物,离子,络合离子,鳌合离子,分子,胶体,沉淀,吸附,其它金属或污染物出现,联合作用,无相互作用,拮抗,影响生物生理因素和 水中金属形态的因素,温度,pH,溶解氧,光照,盐度,有机体状态,生命史阶段,生命周期改变,年龄和大小,性别,饥饿,活性,额外的保护,对金属适应力,行为改变,行为响应,高于加和,加和,低于加和,必需和非必需金属浓度对生物生长的影响,金属浓度或剂量,生长速率,生长速率,必需金属(如铜、锌),非必需金属(如镉、铅),致死,中毒,可耐受,死亡,中毒,最适,缺乏,严重,中等,亚临床,动物饮食的基本和非基本元素浓度与性能(生长，繁殖，存活)关系,无效应,毒害,非基本浓度Cne,性能,基本需要窗口,非基本元素,d,d: 当分析技术灵敏度提高时，也许会观察到 非基本元素在超痕量水平上可能出现的缺乏 效应。,简单生态系统生物量金字塔示意图,第三级消费者 100 ug/g,第二级消费者 10 ug/g,初级级消费者 1 ug/g,初级级消费者 0.1 ug/g,基质 0.01 ug/g,假设：按10%比例进行生物量逐营养 级传输；无金属排除作用；对下一营 养级生物唯一的金属来源是食物。 显示生物放大和食物链作用。,
