Transcript 环境(生态)毒理学研究方法

生态毒理学
北京大学环境学院：刘文新
2003年2月～2003年6月
办公室：逸夫贰楼3656房间
电话：62765103；
电子邮件：[email protected]
课程安排及教学大纲 (I)
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基本概念、发展历史及未来趋势，基本方法论；
有毒物质生物吸收的途径及动力学；
有关的生态系统原理；
普通(传统)毒理学的基本研究方法；
毒理学中的生态学方法；
环境优先污染物(有毒物)分类介绍I(重金属、类金属、有机态金属)；
环境优先污染物(有毒物)分类介绍II(持久性有机污染物POPs：1 农药)；
环境优先污染物(有毒物)分类介绍III(持久性有机污染物POPs：2 多环
芳烃PAHs)；
环境优先污染物(有毒物)分类介绍IV(持久性有机污染物POPs：3 多氯
联苯PCBs、二恶英Dioxin、内分泌干扰素Endocrine interferon，
Endocrine Disruptive Substances，EDC等)；
其它环境污染物介绍(放射性物质、气相污染物、其它毒物)；
毒性的影响因素；
混合物毒性以及相关的复杂问题；
生态监测与预测模型；
技术适用性及研究方法的选择；个案/实例研究；
生态风险评价、环境健康危害及安全性评估的基本要素和步骤；
课程安排及教学大纲 (II)




有毒物质生态危害的治理、恢复、复原、改造，以及化学毒物的
管理和法规；
复习、答疑。
授课方式：课堂教学(多媒体)；
成绩评定方法：(1) 期末考试70%(开卷)；(2) 平时作业练习30%。
教学参考资料 (I)
(I) 专著：
《环境毒理学》，孟紫强主编，中国环境科学出版社，2000。
《Environmental Toxicology》, D. A. Wright, P. Welbourn, 2002.
《Principle of Ecotoxicology》, C. H. Walker, 2nd edition, 2001.
《Fundamentals of Ecotoxicology》, M. C. Newman, 1998.
《Ecotoxicology: Ecological Fundamentals, Chemical Exposure and
Biological Effects》, G. Schüürman, B. Markert, 1998.
《Ecotoxicology: The Study of Pollutants in Ecosystems》, F.
Moriarty, 3rd edition, 1999.
《Ecotoxicology of Organic Contaminants》, E. Bacci, 1994.
《Ecotoxicology in Theory and Practice》, V. E. Forbes and T. L.
Forbes, 1994.
《Handbook of Ecotoxicology》, D. J. Hoffman, 1995.
《Handbook of Ecotoxicology》, P. Calow ed., 1993.
《Handbook of Estimation Methods in Ecotoxicology》, S. E.
Jørgensen, B. HallingSørensen, 1998.
《英汉毒理学词典》，江泉观，1995。
教学参考资料 (II)
《环境生物毒理学》，张毓琪，陈叙龙，1993。
《现代毒理学进展》付立杰主编，2001。
《毒理学》张铣，刘毓谷，1997。
……
(II) 期刊：
《Ecotoxicology》
《Environmental Toxicology and Chemistry》
《Human Ecological Risk Assessment》
《Environmental Science and Technology》
《Marine Pollution Bulletin》
《Ecotoxicology and Environmental Safety》
《J. Environmental Quality》
……
课程概述






基本概念
历史沿革
发展趋势
分支学科
研究层次
基本方法论
基本概念：有毒物，选择毒性，毒性作用分类
有毒物(toxicant, poison)：在一定条件下，较小剂量即能够对机体产生损害作
用或使机体出现异常反应的外源化学物称为有毒物。毒物与非毒物之间没有
绝对界限。
毒性、选择性毒性及其原因：毒性是指外源化合物与机体接触或进入机体内
的易感部位后，能引起损害作用的相对能力。损害作用愈大，毒性愈大。
在一定条件下，外源化学物对机体的毒性具有选择性(Selective toxicity)。其
原因：(1) 物种和细胞差异；(2) 不同生物或组织器官对外源化学物或其毒性
代谢产物的蓄积能力不同；(3) 不同生物或组织器官对外源化学物在体内生物
转化过程的差异；(4) 不同生物或组织器官对外源化学物造成的伤害的修复能
力存在差异。
毒性作用分类：(a) 速发(immediate)或迟发(delayed)性作用；(b) 局部(local)或
全身(systemic)作用；(c) 可逆(reversible)或不可逆(irreversible)作用；(d) 对形
态(morphologic)或功能(functional)的影响；(e) 过敏性反应(hypersensitivity)或
称变态反应(allergic reaction)：是指病理性免疫反应。引发反应的外源化学物
称为过敏原(allergen)。高敏感性：少数个体对某种外源化学物具有高反应性
(hyper-reactivity)或高感受性(hyper-susceptibility)，与过敏性不同。高耐受性
(hyper-resistibility)；(f) 特异体质反应(idiosyncratic reaction)：指机体产生的一
种遗传性异常反应。
剂量可以指给予机体的数量、与机体接触(exposure)的数量、吸收进入机体的
数量或在靶器官中的含量或浓度。
环境污染物简单分类
物理性污染
电离辐射、电磁辐射、
噪声污染，放射性元素
生物性污染
细菌和病毒污染、动物
和植物毒素
化学性污染
工业化学品、农业化学
品、日用化学品、医用
化学品、军事化学武器
不同阶段毒性的基础框架示意图
动力学阶段
动态阶段
初始反应
排泄
去毒性作用
生物合成
代谢
吸收
前毒物
生物生化响应
a, b, c, etc
毒物
＋
靶标
(受体)
脂储藏
更改靶标
生理响应
和
A, B, C, etc
行为响应
有毒物的某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。
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。
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。
污染物对某一区域的一般作用
对生态系统中已自然定居且适应的活的组分而言，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；

群落结构改变，而且一般地物种数目降低；

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。
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2
因素1
0
100%
因素3
100%
0
种群的故障树(Fault Tree)分析图示
受影响种群
生长、发育、死亡和生殖
直接影响
自然原因
间接影响
有毒化学物
短期影响
自然原因
长期影响
有毒化学物
短期影响
直观了解一种化学物质对特定种群的影响方式
长期影响
不同组织水平上有毒化学品效应关系的概念图解
观察到的生物组织不同类型的关系
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。
细胞
细胞
组织
组织
个体
个体
种群
群落
情形B
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一
种压迫(stress)的广谱效应。因此，发现这种响应和有机体适应性的定量关
系是困难的。从个体外推至种群或群落代表另一类问题(如情形C)。
研究的难点表现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；还表现在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。
基本概念：环境、环境污染
环境：特定主体周围的所有生物因子和非生物因子。
环境因所研究主体的不同而可大可小，相对比例和尺度。
主体和环境也可相互转换：一个环境主体可以是另一主体的环境
因子，一个主体的环境因子在特别情形下，也可转化为主体。
小/微环境(microenvironment)：以某一特定生物个体为主体，则
该个体周围的各种生物、非生物因子构成该个体有限的小/微环
境；
大环境(macroenvironment)：以某一种群为主体，则该种群周围
的各种生物、非生物因子构成该种群的大环境。
环境污染：当物理、化学、和生物因素进入大气、水体、土壤等，
且其数量、浓度、和持续时间超过环境的自净能力(selfpurification capacity)，以致影响生态平衡和人体健康，此时的环
境状态称为环境污染。
污染的原因可分为自然(自然灾害)和人为(“工业三废”：废气、
废水和废渣)污染。
基本概念：环境污染与健康
环境污染对人体健康影响的主要特点表现为：(1) 涉及面广，接
触人口多；(2) 低剂量、长时间作用；(3) 多途径进入人体；(4)
多因素共存及联合作用(如加和作用、协同作用、促进作用、拮
抗作用或独立作用等)。
世界“八大公害病”(1930年比利时马斯河谷烟雾事件；1943年
美国洛杉矶光化学烟雾事件；1948年美国多诺拉烟雾事件；1952
年英国伦敦烟雾事件；1951年日本水俣病事件；1955年日本四日
市哮喘病事件；1968年日本米糠油事件)。其它如前苏联切尔诺
贝利核泄漏事故，印度博帕尔毒气泄漏事故等等。
环境公害的特点：(a) 人类活动造成的环境污染引发的疾患；(b)
流行特点可能是长期陆续发病，也可能出现急性爆发型疾病；(c)
新病种，有的机理不清，缺少特效治疗方法。
其它危害形式：(1) 急性中毒(有害化学物短时间、一次性、大剂
量进入人体引发)和慢性中毒(低浓度、长时间、反复对机体作用)；
(2) 致癌作用(Carcinogenesis)；(3) 致畸变作用(Teratology)；(4) 致
突变作用(Mutation)；(5) 间接危害，如恶化环境卫生条件、降低
农产品质量和产量、破坏生态平衡等间接危害人体健康和寿命。
基本概念：生物圈，生态系统
生物圈
由生物及其生存的部分大气圈、水圈、岩石土壤圈组成。一般认
为从海平面以下约11km到海平面以上约10km范围内的适于生物
生存。
生态系统
生物与周围环境之间相互作用、不断进行物质、能量和信息交
换，形成统一的整体，称为生态系统。
生态系统中各种生物和非生物因素根据其在物质和能量交换循环
中的作用和状态，可分为四部分。四部分相互作用、相互联系、
相互依存、既矛盾又统一，形成完整的不可分割的统一体：
(i) 生产者：指制造有机物的绿色植物和能进行光合作用的细菌，
能够从周围环境中摄取水、二氧化碳等无机物质合成有机物质；
(ii) 消费者：指能利用有机物进行生命活动的生物，可进一步分
为一级消费者(即以植物为食的食草动物)，二级消费者(即以一级
消费者为食的食肉动物)，三级消费者(是以二级消费者为食的大
型食肉动物)，依此类推，人类是最后一级(高级)消费者；
(iii) 分解者：指细菌、真菌、放线菌等微生物，能分解生产者和
消费者的尸体，使有机物转化为无机物，还原到环境中；
(iv) 非生物环境：即环境中的无生命物质，如水、空气、土壤、
日光等，是生物生存的必需条件。
基本概念：生态学，生态平衡，食物链和生物富集
生态学
主要研究生物与非生物因素相互作用的科学，这种相互作用决定
了自然界生物体的分布、丰度、及其历史变迁。
生态平衡
生态系统中，各种生物之间、生物与环境之间的物质和能量交换
保持动态平衡，称之为生态平衡。生态系统是一个复杂的、不断
变化的动态系统，生态平衡也是不断变化的动态平衡。
食物链和食物网
生态系统中，生物之间以摄食和被摄食的关系逐级传递物质和能
量，呈相互依存的链状关系，称之为食物链。自然界的食物关系
错综复杂，交织成网络关系，即食物网。能量的流动、物质的迁
移和转化都通过食物链或食物网进行。
生物富集
环境中的化学物质通过食物链、食物网逐步转移、蓄积、富集，
可提高到千百万倍而后进入人体。生物体从环境中不断摄入浓度
极低的化学物质在体内蓄积起来达到相当高的浓度，这种现象称
为生物富集。(接下页)
生物富集的条件：(a) 该化学物质容易为各种生物吸收；(b) 在生
物体内排泄和降解困难；(c) 在积累过程中对生物体本身未达到
致命伤害。不同生物对同一化学物质富集系数不同，同一生物对
不同化学物质富集系数不同，同一生物不同部位对化学物质的蓄
积能力也不同。
富集系数 (biological accumulation factor, BCF) ＝ 生物体内化学
物质浓度与环境中化学物质浓度之比。
基本概念：传统毒理学与环境毒理学
传统毒理学(classical toxicology)


“以人类为基本对象，研究物理、化学和生物因素对生物体的损
害作用及其机理的科学”(孟紫强，2000)；
“尽管也涉及从亚细胞至独立个体、种群水平的生物体的毒性效
应，但主要关注点是人类，其它生物体或多或少是作为替
代”(Wright and Welbourn, 2002)。
环境毒理学(environmental toxicology)－已经涉及生态毒理学内容

“是研究环境污染物对生物有机体的损害作用及其机理的科学。

不仅研究对生物个体的损害作用，而且研究对生物群体、生态系
统乃至整个生物社会的损害及其对策”(孟紫强，2000)；
“研究天然和人工环境中有毒物质的效应”(Duffus, 1980)；
“研究污染物在分子至生态系统水平上对生态系统结构和功能的
影响”(Ladis and Yu, 1995)；

基本概念：生态毒理学 (I)
Truhaut于1969年首先提出Ecotoxicology的概念。其它的研究定义：

“是从整体关系的角度研究自然或合成污染物对生态系统成份的
毒性效应的毒理学分支”(Truhaut, 1977)；

“由毒理学自然延伸至研究污染物的生态效应”(Moriarty, 1983)；

“研究生态系统中毒性物质的命运(归宿)及其效应的科
学”(Cairns and Mount, 1990)；

“研究环境中有毒物质及其对存活生物影响的科学”(Jørgensen,
1990)；

“研究对非人生物体、种群和群落的毒害效应的科学”(Suter,
1993)；

“研究有毒物的命运及对生态系统的效应”(Shane, 1994)；

“集成化学污染物对种群、群落和生态系统的生态学和毒理学效
应，及其归宿(如迁移、转化和衰解)”(Forbes and Forbes, 1994)；

“预测潜在有毒物对自然生态系统和非靶标物种的效
应”(Hoffman等，1995)；

“研究生物圈中的污染物及其对生物圈成份(包括人类)效应的科
学”(Newman, 1998)；
基本概念：生态毒理学 (II)

“应用毒理学的原理和方法，从生态学角度研究环境污染物对生
态系统及其组成成分的有害作用和相互影响规律的学科。生态毒
理学是环境毒理学的一部分，也是生态学的一部分”。“生态毒
理学是研究外源化学物对生物个体、种群、群落和生态系统的
不良生态学效应，以及从分子、细胞、组织和器官等不同生命层
次和生理、代谢、发育、遗传、生殖等生命现象水平研究其与外
源化学物的相互关系及作用机理，并揭示生物的适应机制和确定
反映环境胁迫的指示表征的学科”(孟紫强，2000)。
在生物圈中，同种的生物个体(Individual)组成种群(Population)，
若干种群的有机联系及其生境组成群落(Community)，群落及其
生境的相互作用构成生态系统(Ecosystem)。
生态毒理学区别于传统毒理学在于其对环境污染物最终效应的任何
评价均须涉及下述一个四步过程(Wright and Welbourn, 2002)：

污染物释放进入环境；

污染物传输进入生物体内，发生或不发生化学形态转化；

污染物暴露于单一或多个靶标生物；

污染物产生个体、种群或群落层次/水平上的响应。
环境/生态毒理学主要成份及作用关系
环境 (ENVIRONMENT)
人类与牲畜的各种排泄产物
(Excretory Products from Man & Livestock)
天然的生物和非生物转换
(Natural Biotic/Abiotic Transformation)
有机体 (Organism)
原始化学物质
吸收 (Uptake)
提取 (Extraction)
暴
露
(Exposure)
合成 (Synthesis)
利用 (Use)
处置 (Disposal)
规章
(Regulation)
来源 (SOURCE)
分布 (Distribution)
伤害 (Injury)
毒性 (Toxicity)
风险管理
(Risk Management)
归宿 (FATE)
风险评价
(Risk Assessment)
效应 (EFFECT)
不同组织水平响应之间联接关系示意图
生态系统 Ecosystem
群落组成 Community Composition
种群变化 Population Changes
整体有机体响应 Whole Organism Response
生理变化 Physiological changes
生化改变 Biochemical changes
污染物 Pollutant
响应时间增加
对特定化学物的联接难度增加
重要性增加
营养水平结构：食物网组分等级
环境
太阳
空气
水
土壤
显热
营养水平等级
初级生产者
消费者
捕食者
食腐者
分解者
主要生物分类
自养植物和细
菌
食草动物和植
物病原体
肉食动物和动
物病原体
食腐动物
死亡生物量消
费者，细菌，
真菌，小型无
脊椎动物
功能定义：吸
收
吸收太阳能为
矿物质转化进
入植物生物量
吸收植物原料、 吸收活动物生
氧和矿物质转 物量、水和氧
化为动物生物
量
吸收死亡动物
生物量、水和
氧
吸收死亡植物
和动物生物量、
水和氧
功能定义：释
放
H2O、痕量气体、 CO2、H2O、
显热、死亡生
痕量气体、显
物量
热、粪便
结构贡献
基本外貌结构
(见下图)
能量与物质流
动方向
CO2、H2O、显
热、粪便
植被结构形状， 无直接，但控
分类型
制食草动物的
影响
CO2、H2O、腐
殖质(土壤)、
显热
无
土壤结构形状，
影响非生物分
室生物分类型
景观生态系统分层秩次模型
外域输入
气候
地质
地形
水文
土壤
植被
动物区系
人类
社会
1.
2.
3.
4.
类似于现实世界，非生物、生物分室相互影响。
此结构用于构建模拟模型，模拟模型对生态毒理影响研究十分重要。
该模型没有包括信息概念。
模型单位信息集合中的能量含量与单位秩次中显著信息集合数目之间的
关系参见下图。
与前述模型中生态系统有关的信息集合的能量含量
高
每种分类中
显著信息集合的数目
单位信息集合中
能量含量
低
低
高
生态毒理学所涉及的层次组织
生命科学
生物圈
自然科学
全球生态学
地质学
景观生态学
景观
系统生态学
海洋学
群落生态学
气候学
地理学
环境微生物学
生态系统
大气化学
元种群生物学
相互作用
栖息地
群落
种群生物学和遗传流行病学
生理/解剖行为
生物化学
水文学
微栖息地
发育生物学
种群
畸形学
土壤科学
沉积学
相间关联
神经学
个体
药理学
胶体化学
物理化学
化学
分析化学
有机化学
无机化学 用于了解非生物相互作用的学科
内分泌学
系统
器官
组织
细胞
生物分子
免疫学
肿瘤学
生物化学与生物物理
用于了解生物相互作用的学科
分子遗传学
环境毒理学研究任务与内容
环境毒理学主要研究任务
研究环境污染物对人体的损害作用及机理，探索环境污染物对人
体健康损害的早期检测指标和生物标记物，从而为制定环境卫生
标准和防治环境污染对人体健康的危害提供理论依据和措施。依
据环境污染物对其它生物包括动物、植物、微生物等生物个体、
种群及生态系统甚至在特定环境中的整个生物社会的危害，研究
其损害作用及其机理、早期损害指标及防治理论和措施。最终任
务是保护生物圈内包括人类在内的各种生物的生存及持续健康的
发展。
环境毒理学主要研究内容
 环境毒理学的概念、理论和方法； 环境污染物在人体内的
吸收、分布、转化和排泄，及对人体的一般毒性作用和机理；
环境污染物及其转化产物对人体的致突变、致癌变、致畸变等地
特殊毒性作用和机理； 环境污染物的毒性评价方法，包括急
性、亚急性和慢性毒性试验，代谢试验，蓄积试验，繁殖试验，
迟发神经毒性试验，以及各项“三致”试验等； 各种污染物
对人体损害作用的早发现、早防治的理论和措施； 环境污染
物在其他生物体包括动物、植物、微生物中的吸收、转运、代谢
转化、排出体外、毒性作用的规律及预防措施。
生态毒理学研究对象和内容
生态毒理学主要研究对象
不是生物个体的变化，而是生物群体的改变；不仅研究环境污染
物对某一种群的损害，而且研究对生态平衡的影响。一方面研究
环境污染物进入生物机体后产生的毒害甚至死亡的直接作用，另
一方面也要研究环境污染物引发生态平衡紊乱所导致的间接毒害
作用。
生态毒理学研究
主要集中在两个领域：(1) 污染物对非哺乳类动物种群的毒性作
用；(2) 将污染物对某种生物的效应建成模式，以便推测另一种
生物可能发生的改变。
同一毒物对同一生态系统中不同种类的生物可能有不同的效应；
同一毒物对不同生态系统中同种生物也可能不同。
在论述毒物对某一种群的毒性时，必需描述其所属的生态系统；
在论述某一种群受到污染物的直接毒害作用时，必需描述其对其
它生物因素和非生物因素的影响。
一种毒物能够同时与多种生物种群发生相互作用，且对不同种类
生物的效应各异。
生态毒理学两个重要过程
当前，相对简单的(环境毒理学常用的)测试方法对于筛选目的依
然有用，但既不适合于实际的预测，也不适合于对特定点位
(Specific site)的评价。
对于后一种情形，需要将生态学和毒理学进行外在地(证据权重
方法)和内在地(生态毒理学)相结合。例如，确定风险表征(预言
性的效应表征或PEC被PNEC除)所需的预测无效应浓度(PNEC)，
内在结合方式能最大地降低不确定性，提高现实性。
生态毒理学应该对大、小尺度的变化均给予关注，必须明确两个
重要过程：
(1) 作为化学物浓度的函数，一种有机体种群生长或衰落的速率
是如何变化的；(2) 一种有机体种群从随后降解的有毒化合物短
期暴露中的恢复有多快。
应了解的信息：
(a)个体水平上的亚组织效应的结果，包括生命历程特性之间的
任何平衡；(b) 种群水平上的个体效应的结果，包括组织之间的
任意平衡；(c) 控制种群大小和健康的(非生物、生物)过程；(d)
最小可养活的种群大小以及遗传约束。
环境毒理学与生态毒理学的对比
环境毒理学
生态毒理学
首要的是实验室内问题(例如采集、 首要生态问题(例如食物链、群落结构
培育、控制、测试)
的重要性)
独立物种测试
组合物种测试
对主要问题检测的费用
对主要问题不正确决策的费用
简易测试
复杂测试
首要关注的是化学污染物
化学污染物仅仅是其中的一个问题，
但不一定是最重要的问题
仅包括毒理学家
毒理学家、生态学家，还需要其它学
科(如微生物学家)
生态学、环境毒理学和生态毒理学的发展
生态学：生物体相互作用 简单的野外观测
种群功能，过程
进程时间
环境毒理学：生物体
的毒性效应
简单实验室暴露
规划的野外观测
实验操作处理
生态毒理学：有毒物质的生态学
“准野外”调查
复杂的现场实验
当前的发展情形：
初始的研究方法尚未被替代，但正被后续的方法所补充
现代环境/生态毒理学研究方法 (I)
现代毒理学研究方法：可以概括为实验室方法，临床观察和现场调查、综合
危险度评定三大类。
A. 实验室方法：体外实验法(in vitro)
体外实验法(in vitro)：(a) 器官灌流技术将受试化学物经血管流经特定的
器官，观察环境污染物在脏器内的代谢转化和毒性作用；(b) 或将某种器官从
体内取出再制成原代游离细胞，进行环境污染物对细胞的毒性作用；(c) 或利
用经体外多次传代的细胞株对外来化学物进行一般毒性和特殊毒性研究。
主要优点： 简单、快速、经济；实验条件容易控制，不受机体复杂
效应因素的影响； 可以选择不同种属生物的器官、组织、细胞株系、细胞
受体等； 为整体生物实验提供线索和依据，使实验设计更加合理； 操作
过程易于标准化、自动化。
主要缺点：培养都是在离体条件下进行，难以精确模拟或反映外源物在
生物体内的生物转运和生物转化过程，无法得到毒效学和毒性动力学资料。
主要应用： 各种化学物的初筛，包括环境样品、混和化学物及化妆品
测试； 研究定量化学结构与活性的关系(quantitative structure and activity
relationship, QSAR)；新产品开发早期比较候选化合物的毒性； 探讨毒副
作用机理，特别是分子水平上的机制。
现代环境/生态毒理学研究方法 (II)
B. 整体生物实验(whole body biomass，即体内实验法，in vivo)：多在整体动
物进行，也称整体动物实验。按人体可能接触的剂量和途径使实验动物在一
定时间内接触环境污染物，然后观察动物出现的形态和功能的变化。用于阐
明外源物的毒性效应及其特点，而不是为证明其安全。了解外源物毒性，阐
明剂量－响应关系，确定阈剂量和无作用剂量，探讨机理。
两个主要原则：(1) 在试验设计合理、质量保证前提下，从整体生物试验观察
到的有毒效应资料可用以估测潜在危害；(2) 为发现和检测外源物对生物的潜
在毒性危害，在试验中有必要使用大剂量诱导毒性效应。
新的发展趋势：(i) 规范化的常规生物实验进一步国际化；(ii) 非规范性试验
方法正广泛用于新产品开发；(iii) 转基因生物已开始应用，标志基因转入生
物体内和代表毒性的基因内部；(iv) 探索建立半体内方法(ex vivo)，集中体内
和体外试验的优点，在分子水平同时分析多个毒性终点，不仅与体内观察结
果一致，而且进行不同种属的比较。
试验材料：根据研究目的可选择植物、微生物、非哺乳类动物及哺乳类动物。
生态毒理学主要针对植物和非哺乳类动物群体进行研究，同时鉴于人类特殊
的生物圈地位，也开展人类生态毒理学研究。水蚤是毒性试验经常选用的物
种。
生态毒理模型：生态毒理学通过将收集的毒理学资料通过数学和计算机科学
的方法编制，以预测未来的生态毒理现象。
环境(生态)毒理学研究方法 (II)
C. 临床观察(包括短期或长期接触化学物的人体直接观察)，现场调查及流行
病学调查(常见有：回顾调查法和前瞻调查法)
人群调查(流行病学调查方法)：根据动物实验的结果及对环境污染物毒理作
用的假设和预测，选用适当的观察指标，对接触该环境污染物的人群进行调
查，分析环境污染与人体健康损害的关系。
必须指出，因现实条件下人群常接触多种污染物，加之各种生活习惯等因素
的影响，在使用直接观察资料时，应去伪存真，结合室内研究进行综合分析。
D. 危险度评定(risk assessment)与管理毒理学(regulatory toxicology)
客观地综合评价和科学应用各种资料，提供控制和预防的科学依据。
E. 其它
(1) 毒理基因组学、生物微矩阵、DNA芯片、人工智能毒性筛选系统即“硅
上发现” discovery in silicon，“硅上临床试验” clinical trails in silicon等。
(2) 近代环境毒理学引入生物化学、分子生物学的最新技术，例如酶、核酸、
蛋白质理论和方法，PCR基因扩增、DNA系列分析、单克隆抗体技术等。
(3) 新的分析化学手段使环境化学污染物的检测更加精确、灵敏，例如用于细
胞膜离子通道研究的荧光分光光度法、直接测定自由基的自旋共振技术、研
究生物大分子构象变化和污染物在动物体内代谢转化的核磁共振技术等。
环境毒理学的发展遵循不断地由宏观到微观，由整体到局部，由综合到
分析，由理论到应用；同时，又沿着相反方向，螺旋式上升地发展。
生态毒理学面临的问题
分子－细胞水平
代谢物
基因
酶
免疫系统
组织病理学
生物机体
代谢
行为
生长发育
结构形态
繁殖
存活
群体－社区
生态系统
生物多样性
生物丰度
种属内相互作用
演替类型
空间构成
繁衍能力
分解
营养成分
生态循环
食物网
能量流动
反应敏感性
数秒至数日
与生态系统相关性
数分钟至数年
数天至数年
时间尺度
数星期至数十年
生态毒理学的两个关键问题 (I)
急性和慢性毒性响应
重点在于三个关键测试参数
(1) 受试物种应与常驻物种最为相似，具有生态适当性和重要性；
(2) 暴露途径需要是直接和适当的；
(3) 受试物种是经证实具有对污染物或紧张刺激具有合适的灵敏度。
生物标记物(Biomarker)：例如金属硫因感应，混和功效氧化酶，受迫蛋白。
目前仅能提供暴露指示，尚未直接与有机体水平上的影响相联系，更不用
讲种群和群落水平。
生物指示物(Bioindicator)：包括对有机整体的评价，涉及多重水平的生物
组织的野外数据，并直接与影响相关联。
目前条件下，生物标记物属于环境毒理学，生物指示物属于生态毒理学。
受试物种选择的标准
不仅要顾及经济因素，更要考虑生态重要性。为更好地预测和特定点位评
价，需要测试等价的重点物种，理想的是针对待评价的区域。受试物种的
确定应根据基于种群的研究。当前，普遍可用的受试物种容易获取，但不
能犹豫采用可适当利用的物种，尤其是更为有效并能提高评价水平的物种，
尽管这需要付出更多的工作和努力。
有机体毒性测试中通常未予考虑的两个特征：(1)利用其它物种进行测试的
能力；(2) 测试的终点是否具有生态学和毒理学上的适宜性。(接下页)
生态毒理学的两个关键问题 (II)
进一步，具有预测性和针对特定点位的毒性检测经常涉及混和物种，而不是
简单的单一物种。
检测包括选择合适的单一和组合物种，其重要性体现在：(1) 相互作用影响
毒性响应水平和模式；(2) 真实环境中的相关性尚未充分被了解。尽管复杂
的检测方法尚未取代单一物种测试，但对于特定目标物(如杀虫剂)和污染环
境介质野外调查的详尽评价是很有用的。
存在的问题：
(1) 宏观野外研究比单一物种检测更接近实际，但缺少诸如检测效应的统计
能力和强烈的边缘影响却是不利之处；
(2) 检测不能局限于实验室，室内检测(容易造成保护不够或过度保护)没有也
不能重复野外情况；
(3) 独立的替代物种响应无法与所有的营养水平、重点物种、种群或生态系
统功能响应相关联。
涉及微观和宏观的混和物种测试更为实际。野外多重响应可以联合产生最终
结果，这是从简单的室内实验完全不能预测的。例如，食物有限和毒物输入
可以联合放大影响。
对生态/环境毒理学的两种认识
1.
2.
认为生态/环境毒理学是研究有毒物对非人类环境的影响的学科，
主要致力于探索和了解有毒物对环境中各种非人类生物(即对非人
类生命系统的生态受体)的影响。
认为对生态环境的研究应包括对人类的研究，研究成果应被用来
更好地理解有毒物可能对人类造成的影响。
从目前发展趋势分析，第一种观点逐渐为更多研究人员所接受，
这对于改变我国当今只偏重较为微观的、以人类为主要目标的环
境毒理学研究转向更为宏观的、以不同水平的生态系统为主要目
标兼顾人类，具有重要的指导意义。
与环境毒理学、生态学和生态毒理学相关的不确定性和现实性
不确定性 Uncertainty
基于环境毒理学的PNEC
生态学
基于生态毒理学的PNEC
现实性 Realism
预测的无效应浓度(Predicted No Effect Concentration, PNEC)
生态毒理学中科学、技术和实践成份的现实平衡和理想平衡
长
其它社会需求
科学
受益时间
其它科学
实践
短
当前状态的平衡关系
其它技术
其它法律和规章
长
科学
实践
理想状态的平衡关系
短
局部
全球
数值
污染物进入地表水的主要途径 (I)
途径
主要污染物
注释
污水排放口
来自商业和家庭的各种无 变化大，不仅取决于污水
机和有机污染物；通常出 厂所接受的，而且取决于
现清洁剂
污水的处理方式
来自商业房基地排放口
取决于商业活动；来自化 污水中污染物浓度必须低
学工业的多种污染物；来 于法规限制
自采矿活动的重金属；某
些区域造纸厂是重要来源
核电厂排放口
放射性核素
陆地径流
地表堆放的污染物；杀虫 通常未控制，难以测定
剂
来自大气
雨雪沉降；生物杀伤剂的 污染物远距离传输；害虫、
直接应用；喷雾、灰尘的 寄生虫、带病菌者、杂草
突发污染
控制；潜在的气态喷雾问
题
接受常规监测和严密控制
污染物进入地表水的主要途径 (II)
途径
主要污染物
注释
海洋堆放
原始污水；深海中存放于 应关注容器因长期存放可
封闭容器中的放射性化学 能降解导致污染物从容器
物和毒性废物
中释放
石油钻探设备和终端的释 烃类
放
意外事故或战争后果
海难事故
油轮海难泄漏
烃和其它有机污染物
污染物进入陆地的主要途径
途径
主要污染物
注释
废物堆放，包括垃圾
堆，填埋点，工业堆
放
各种不同污染物
某些工业堆放中富含
特别污染物，如石油，
金属矿堆积，PCBs等
农业和森林中使用杀
虫剂
喷雾、灰尘、种子敷
料等形式的杀虫剂，
灭鼠剂，除草剂，杀
真菌剂
对杀虫剂使用有严格
的控制
疾病病菌携带昆虫
杀虫剂
大范围的主要污染是
对疟疾蚊和苍蝇的控
制措施
农业用地的污水利用
重金属、硝酸盐、清
洁剂
河水或海水泛滥
各种含污染物的污水
随灰尘、小颗粒物、
雨、雪从空中沉降
与煤灰、灰尘、酸雨
杀虫剂有关的污染物
短距离传输(烟囱喷雾、
煤灰、灰尘的漂移)长
距离(被雨雪携带)
污染物进入大气的主要途径
途径
主要污染物
注释
家庭烟囱
有机污染物，与烟尘颗
粒和气体结合的烃。
SO2, CO2, NO2等
污染水平取决于燃料燃
烧质量和烟道气体清洁
工业房基地、发电厂等
烟囱
类似于家庭烟囱，但许
多取决于当地的实际情
况；来自核电厂的放射
化学物
对于危害物质，清洁气
流非常重要
内燃机和喷气发动机
CO2, (NOx), 烃类，其它
有机污染物，含铅化合
物(含铅燃料)
污染水平取决于发动机
和排气系统的设计；推
广使用无铅汽油限制铅
污染
杀虫剂使用
杀虫剂，杀真菌剂，除
草剂
挥发性杀虫剂以气态进
入空气；到达大气圈层
的杀虫剂喷雾小滴、杀
虫剂灰尘生成物
冰箱排放
氯氟甲烷
气溶胶
氯氟甲烷，如CF2Cl2,
CFCl3
严格控制使用
毒性剂量的概念：不同应用中有毒化学物剂量检测或估计方法
剂量：是生物体对化学物的吸收量或摄入量的一种度量，通常可以有
一系列量化或估算方法，如下表：
(1) 注入受试有机体的组织/细胞外空间的化学物质检测量(例如上市销售前测
试的治疗药剂)
(2) 化学品作为受控定量配给饮食的一部分执行(例如治疗药剂/食品添加剂/杀
虫剂测试)
(3) 化学品以小块皮肤皮试形式按一次性剂量加以执行(例如测试用治疗药剂、
化妆品)
(4) 在与受体点位或组织存在事先测定关系的靶标组织或替代组织或排泄物中
对摄入化学品进行分析：例如血液、尿液、毛发(例如治疗药剂/杀虫剂测试、
工业暴露研究)
(5) 在小型生物体中，有关内部组织分布的信息会丢失，但整体的机体负荷可
以测定(例如骨骼的化学品组成与软组织明显不同，如果包括会产生误导作用)
(6) 剂量可由暴露浓度和时间的乘积推导得到。当有毒物属非生物富集的气体
时，对许多巨型植物，这种估计是重要的。在水生生物毒性测试中也常使用。
(7) 致死机体负荷(临界机体残余物)在机体死亡时测定。它通常与实验室生物
检测和野外/现场中毒结果有关。
响应也许是“全或无(局量子)”的现象，如死亡率；也许是梯度效应，如生长率或再生性能(生育力)
基本概念：剂量和效应 (I)
致死剂量(lethal dose)
某种外源化合物能引发机体死亡的剂量。
绝对致死剂量(absolute lethal dose, LD100)；
半数致死量(median lethal dose, LD50)
造成个体数50%死亡所需剂量(致死中量)，数值大小与毒性强弱关系相反。
半数耐受限量(median tolerance limit, TLm)或称半数存活浓度
一定时间内水生生物中50%个体能耐受的某种环境污染物在水相中的浓度，
常用48小时(TLm48)或96(TLm96)小时。
最小致死剂量(minimum lethal dose, MLD, LD01, LDmin)
引发机体中个别死亡的最低剂量；
最大耐受剂量(maximal tolerance dose, MTD, LD0)
个体中不发生死亡的最高剂量。
最低观察到作用剂量(lowest observed effect level, LOEL, lowest observed
adverse effect level, LOAEL)或称中毒阈剂量(toxic threshold level)
一定时间内，某种化学物按一定方式或途径与机体接触，并使某灵敏指标开
始出现异常变化或机体开始出现损害作用所需的最低剂量。
基本概念：剂量和效应 (II)
最大无作用剂量(maximal no-effect level, MNEL)或未观察到作用剂量(no
observed effect level, NOEL, no observed adverse effect level, NOAEL)
一定时间内，某种化学物按一定方式或途径与机体接触，根据现有认识水平
和最为灵敏的实验方法和观察指标，未能观察到对机体造成任何损害作用和
使机体出现异常反应的最高剂量。根据实验观察并经统计学处理获得。
效应(effect)
一定剂量外源化学物与机体接触后引起的生物学变化。分为量效应(quantity
effect)和质效应(quality effect)，两者可以转换。
响应/反应(response)
一定剂量外源化学物与机体接触后，呈现某种效应并达到一定程度的比率，
或产生效应的个体数在总个体数中所占比例。
剂量－效应关系(dose-effect relationship)
不同剂量外源化学物与其在个体或群体中所表现的量效应大小之间的关系；
基本概念：剂量－效应与剂量－响应关系
剂量－响应关系(dose-response relationship)
不同剂量外源化学物与其在个体或群体中所表现的质效应发生率或响应率之
间的关系；
确立剂量－响应关系所需的前提：
(1) 观察到的毒性反应与接触化学物之间存在较为明确的因果关系；(2) 毒性
反应程度与接触或给予剂量有关，确定其关系需有以下条件：生物体内存在
作用部位(受体)可与外源化学物相互作用产生毒性效应，效应及其程度与外
源化学物在作用受体的浓度有关，受体浓度与接触或给予的外源化学物剂量
有关；(3) 具有量化外源化学物剂量和准确表示毒性大小的方法和技术。
用曲线表示(表示效应强度的计量单位或表示响应的百分率或比值为纵坐标，
剂量为横坐标的散点图)。主要曲线类型分为：直线型、抛物线型、S型曲线、
“全或无(all or none)”反应。
时间－剂量－响应关系：外源化学物在一定计量下对机体所产生的毒性作用
含有时间因素，实际应为时间－剂量－响应的三维关系(time-dose-response
relationship, TDRR)。
毒能(potency)
外源物诱发机体强烈生物效应的能力，即产生毒性效应的剂量范围。
毒效(efficacy)
外源物在理想条件下可以达到的对生物体的最大影响，即剂量－响应曲线中
生物体“响应”的上限。两者主要用于比较化学物对生物体影响的能力和特
基本概念：临界值，兴奋效应，受体
临界值/阈值(threshold)的概念被嵌入许多基于种群的毒性经验方法(如LOEC，
NOEC)。但其它模型在涉及此概念时，通常采用一种更为机械的方法。如早
期的One-hit模型和随后的将公认的单一和多重受体并入的Multi-hit模型。后
者构成线性多阶段模型(LMS)。
毒物兴奋效应(Hormesis)：生物体对低水平有毒化学物产生积极响应，实际
上刺激细胞生长和修复。这种刺激作用可以解释为相对于控制标准，对生理
或生殖适应性的某些测度的增强；但在增加有毒暴露水平时，抑制作用将取
而代之。
毒物兴奋效应主要有两种解释
(a) 一种特定但不常用的解释：效应的出现源于几种污染物如痕量金属在高浓
度时有毒，但在很低水平时对植物和动物的存活是必需的；
(b) 另一不太特定但更广泛使用的解释：在有机体耐受区域内与抑制性激发相
应的去毒机理出现短暂的矫枉过正作用。
受体(感受器)
被能导致伤害和毒性的有毒物进行化学改变的正常机体成份。受体通常是蛋
白质，还包括核酸或脂质。
基本概念：阈剂量，耐受性，相互作用 (I)
阈剂量(threshold)
指诱发机体某种生物效应显现的最低剂量，即引发超过机体自稳适应
(homeostatic adoption)极限的最低剂量。
耐受性(tolerance)
机体对外源物毒效应的反应性降低，源于先前接触同一外源物或结构类似的
化学物所致。
主要机制：(1) 到达靶标部位的化学物浓度降低，称分布耐受性(dispositional
tolerance)；(2) 机体组织对化学物反应性降低。
化学物相互作用：两种或以上化学物同时或先后作用于生物体，并相互影响
其毒性作用，称相互作用。
大致分为联合作用和拮抗作用两大类：
[I] 联合作用包括：(a) 简单加和作用(additivity，化学结构/性质近似的化合物
或作用于同一器官系统或作用机理相似的化合物)，(b) 协同强化作用
(synergism，毒性增加)，(c) 增毒作用(potentiation，本无毒性，与其它化学物
同时给予则导致毒性增强)，(d) 独立作用(independent joint，没有相互作用)；
基本概念：阈剂量，耐受性，相互作用(II)
[II] 拮抗作用致使毒性效应降低，包括：(a)功能拮抗(functional antagonism，
作用于同一生理机能，但作用相反，结果使生理功能仍能维持)，(b) 化学拮
抗(chemical antagonism，化学物反应导致毒性下降)，(c) 转运/配置拮抗
(dispositional antagonism，干扰或改变另一化学物的吸收、代谢、分布和排泄，
是靶标浓度降低或排泄增加使得毒性降低)，(d) 受体拮抗 (receptor antagonism，
与同一受体结合，毒性低于各自结合的毒性)。
[III] 其它：(a) 竞争效应(competitive，导致污染物进入数量和几率降低或竞争
吸附/结合点位)；(b) 保护效应(protective，掩盖/掩蔽作用，改变毒性和与生
态系统组分接触行为)；(c) 抑制效应(inhibitory，作用导致生物活性下降，难
以进入系统产生危害)。
基本概念：MATC, NOEC, IC, ACR
最大可接受毒性浓度(maximum acceptable toxic concentration, MATC)
指无观察效应浓度与最低观察效应浓度的几何平均值。是对低于致死剂量(慢
性)生物法的一种度量。
无观察效应浓度(no observed effect concentration/level, NOEC/NOEL)
指响应与对照控制组没有显著差别所对应的化学品最高浓度。
注意：因检测结果的变异性较大，因此NOEC不宜用作无效应浓度(NEC)的估
值，而EC50和其它点估计值则相对NOEC更加一致，更为可靠，可用以比较
不同检测的结果。
最低观察效应浓度(lowest observed effect concentration/level, LOEC/LOEL)
指响应与对照控制组有明显差别所对应的化学品最低浓度。
百分抑制浓度(percentage inhibition concentration, ICp)
表述分级的低于致死剂量的结果。例如：造成孵化率或生长率30%抑制作用，
可表述为IC30。
急－慢性比率(acutechronic ratio, ACR)
代表一种在缺少更多合适数据条件下估算慢性毒性的粗略方法
ACR = 急性LC50/MATC
毒性调查的基础是化学品暴露/接触与毒性的关系
高斯曲线(钟形)反映正态分布的种群响应，
表现为更为敏感的个体早期死亡和最耐受有机体的延迟存活
均值±标准偏差 种群包含比例%
均值±1x标准偏差 68.3
正态分布
50
10
10
剂量 (化学浓度对数比例)
百分死亡频率(粗虚线)
累计百分死亡率(粗实线)
均值±2x标准偏差 95.5
均值±3x标准偏差 99.7
LC50 (Lethal Concentration,
which kills 50% of the test population at time t)
代表种群的平均响应
累计百分死亡率(mortality)，百分死亡频率(frequency)及剂量关系
由对数剂量－概率响应关系建立正规偏差值
百分响应(概率比例) 正规/正态等价偏差 正规偏差值/概率单位
Probability
PROBIT
NED
97.8
＋2
84.3
＋1
50.0
0
15.9
－1
2.3
－2
10
7
NED单位加5避免负值
6
局量子(quantal)的剂量－响应
现象通常是正态分布，百分比
4 响应可转化为均值偏差单位或
正规/正态等价偏差(NED)
3
5
剂量 (对数比例)
附注：NED指Normal Equivalent Deviation (数值上等价于标准偏差)
剂量
有时指对暴露媒介中化学物浓度和总暴露时间的了解。实际上这两个
参数提供的是暴露/接触(exposure，与野外情况有很大相关性)的一种量度，
而非剂量。
剂量－响应/反应关系
描述基于实验室的生物方法，但实际上，经常测定的是暴露－响应/反应关系。
较陡的斜率意味着较高的化学物A
的吸收速率，以及在相对较窄的浓
度范围内响应快速增加
B
50
正规偏差值/概率单位
死亡率%
A
平缓的斜率意味着较
慢的化学物B的吸收速
率，或可能是较高的
排泄或去毒作用
5
10
暴露浓度 (ug/L)
经正规偏差值/概率单位变换的响应曲线，
计算的斜率可以提供有关毒性行为的额外信息
具有相同LC50不同斜率函数的化合物A和B的剂量响应
毒性－响应曲线
伤害增强
不可逆伤害
(a)
曲线(a)：低浓度下表现为
生命必需物质效应
可逆伤害
自稳状态
曲线(b)：表现为生命
不需要物质的效应
常态
毒性响应
死亡
安全临界值
(b)
C C2
1
C3
C4
恒定暴露时间内的毒物浓度
同一剂量(急性)响应数据的不同表达方式
100 ug/L 50 ug/L
20 ug/L
死亡率%
10 ug/L
5 ug/L
50
数据变换方法：
(i) 正规偏差(Probit)/概率单位变换；
(ii) Logistic函数(角弧度反正弦变换
结合滑动平均内插)；
(iii) 非参数的改进SpearmanKarber方法。
暴露时间(小时)
120h
96h
48h
暴露时间增加
24h
死亡率%
有毒物浓度增加
8h
50
指示LC50如何在较长的暴露时间条件下逐渐
变得较小，尽管随着测试时间的延长，LC50
降低加强的趋势被削弱。
暴露浓度(ug/L)
中位致死时间 (LT50)
中位致死时间、剂量的关系：显示初始LC50的出处
存在一点使得更长的暴露时间并不进一步导致任何LC50的改变
初始的
LC50
有毒物浓度
(1) 在一固定的暴露浓度，绘制一系列经选定的生存时间与相应的存
活百分数关系图；
(2) 然后对其它暴露浓度绘制类似关系图，以获得中位存活时段(中位
响应时段LT50)；
(3) 进一步绘制中位暴露时间与化学物浓度关系图。
X时段的LC50
Y时段后的死亡率
化学物浓度
中位致死浓度 (LC50)
X时段后的死亡率
LC50/LD50的确定(I)
X Y
暴露时段
Y时段的LC50
化学物浓度
(a) 在一固定的暴露时段，绘制暴露浓度与致死
百分数关系图；(b) 可类似地获得每一暴露时段
的中位致死浓度；(c) 进一步绘制中位致死浓度
与暴露时段的关系；(d) 可推断特定时段的LC50
值。
LC50/LD50的确定(II)

LD50(LC50)是一个统计量，受多种因素影响，如物种、品系、性别、年龄、
浓度及稀释溶液性质等，因此，必需注意条件的同一性。其计算方法大体分
为两类：死亡率－剂量响应数据要求正态分布以及不要求正态分布。
(1) 正态分布法
回归法：较为准确，不要求每个剂量组的物种数相等。包括简单回归和加权
回归；
改进寇氏法：要求最小剂量反应率小于0.2，最大剂量反应率大于0.8。要求
每个剂量组的组间距呈等比或剂量对数等差，各剂量组物种数相同，中间剂
量接近LD50。
(2) 非正态分布法
Horn法：平均移动内插法或剂量递增法。推荐使用四个剂量组，两种剂量系
列；
平均数法：阶梯法或上－下法，按序贯设计不预先将试验物种分组，先以一
剂量试验，如死亡，还用一较少剂量试验，若仍死亡，继续试验；若出现存
活，则再以较大的一个剂量试验，逐步试验；
Weil’s表移动法：基于递增剂量法计算。
正规偏差值 Probit
利用回归技术从急性毒性生物法外推时间、浓度、死亡率数据藉以估计长期效应
外推的LC0
A
5
0
浓度
LC0 浓度
B
截距 (a) LC0
0.010.020.03
1/T
96 h
72 h
48 h
24 h
利用不同时间的剂量响应数据的
回归方程确定LC0 ( LC0.01)
推导无效应浓度(NEC)：
操作定义为从正规/正态偏差曲线上t 处的
LC0.01。包括两步回归：(1)首先确定各时间
间隔的LC0(图A)；(2) 然后绘制LC0数据与
时间倒数，外推至假设的极限暴露时间(图
B)。
绘制LC0 对1/T以确定LC0 在t 处
有毒化学物浓度与暴露时间的关系
浓度 (mg/L, ppm)
10
5
2
1
10 20
50
时间 (小时)
100
毒性剂量可以由暴露时间和浓度乘积加以近似
尽管应用了边界条件，但假设对向的矩形含有同样的毒性程度
LC50(EC50)的优点及缺陷
•
•
不同试验物种品系、外源化合物、机体接触方式和途径等均可影
响外源化合物的LC50，因此，必需注明试验的物种种类和接触途
径及性别等。
优点：
在常用的毒性参数中，以LC50最为敏感和稳定，是毒性测试中最
广泛采用的指标。数值愈大毒性愈小，反之则愈大。与其它常用
的毒性参数相比，LC50是根据试验数据，经数理统计获得，具有
较高的精确性和较小的抽样误差，并可计算出一定概率的置信区
间。
主要缺陷：
在于仅关注曲线中统计更加稳健的中部，置信区间对比均值相对
较窄，曲线两端潜在的有用信息丢失。尤其是在低值一端，令人
感兴趣的是化学物引发毒性的最低浓度，即所谓门限/阈值浓度
(Threshold) 。LC50可用于比较毒物之间的毒性大小，不能直接指
示安全剂量。
剂量－响应的数学模型
模型
P(D)
参数数值
Probit 正规偏差值
概率单位
(+logD)
－ <  < 
One-hit ?
Multihit ?
Multistage 多阶段
t (2)1/ 2e u2 / 2du
(t)  

1 eD
>0
>0
βD u k 1eu du
0
Γ(k)
k>0
(k )  0 u k 1eu du
>0
k
1 exp   i Di
i1
k 正整数
i  0
环境毒理学常用生物评价方法 (I. 水体－淡水)
将低于致死剂量的(Sublethal)检测拓展应用到多种水生和陆生有机体
测试物种 (硬骨鱼类 Teleosts) 测试/条件
终点
傻瓜鲤 Fathead
minnows(Pimephales
promelas)
48/96小时急性生物测试法
21－32天早期生命阶段(20－
25C)
死亡率，% 孵化，游动时间，
% 正常幼体，生长
浅蓝色食用大太阳鱼
Bluegill(Lepomis
machrochirus)
48/96小时急性生物测试法
28天早期生命阶段(28C)
死亡率，% 孵化，游动时间，
% 正常幼体，生长
溪鲑 Brook trout(Salvelinus
fontinalis)
48/96小时急性生物测试法
28天早期生命阶段(28C)
死亡率，% 孵化，游动时间，
% 正常幼体，生长
虹鳟鱼 Rainbow
trout(Oncorhynchus mykiss)
48/96小时急性生物测试法
30－60天早期生命阶段
死亡率，% 孵化，游动时间，
% 正常幼体，生长
湖红点鲑 Lake
trout(Salvelinus namaykush)
60－72天早期生命阶段
死亡率，% 孵化，游动时间，
% 正常幼体，生长
两栖类 Amphibians(Xenopus
laevis Rana spp.)
96小时胚胎暴露 (FETAX测试) 头部、内脏、骨骼畸形 (致
畸变)
环境毒理学常用生物评价方法 (II. 沉积物－淡水/海水)
测试物种
测试/条件
终点
片脚类(端足目)动物 Amphipod
(Hyallella azteca)
淡水，8份水：1份沉积物
10天方法，28天方法
死亡率，生长
片脚类(端足目)动物 Amphipod
(Leptocheirus plumulosus)
盐水(5－20‰)，8份水：1份沉
积物，10天方法，28天方法
死亡率，生长
片脚类(端足目)动物 Amphipod
(Ampelisca abdita)
海水(>25‰)， 8份水：1份沉积
物， 10天方法，28天方法
死亡率，生长
多毛目环节动物 Polychaetes
(Neanthea arenaceodentata)
海水(>25‰)， 8份水：1份沉积
物， 96小时(20°C)方法
死亡率，生长
甲壳类介形亚纲动物 Crustaceans 48小时急性生物法
－Ostracods (Ceriodaphnia dubia) 10－14天生育力/每个存活雌体
(20°C)
死亡率，平均数目，三批(窝)当
中的幼体存活
甲壳类介形亚纲动物水蚤，
Crustaceans－Ostracods (Daphnia
magna, D. pulex)
48小时急性生物法，
7－10天生育力/每个存活雌体
(20°C)，21－28天生命周期测
试
死亡率，平均数目，三批(窝)当
中的幼体存活，存活及F0代的大
小和F1代的数目
微藻类 Microalgae (Selenastrum
capricornutum) 月芽藻属
利用浓缩培菌液产物进行96小时
生物评价法
细胞计数，干重，叶绿素a，14C
同化
环境毒理学常用生物评价方法 (III. 盐水)
测试物种
测试/条件
终点
硬骨鱼(Teleosts) 红鲈鲤
48/96小时急性生物法
Sheepshead minnows (Cyprinodon 7天生长法，30天生命周期测试
variegatus)
(25－30°C)
幼体死亡率，幼体生长，孵化，
胚胎/幼体发育，生长，死亡
硬骨鱼(Teleosts) 底鱂
Mummichogs (Fundulus
heteroclitus)
48/96小时急性生物法 (20－
25°C)
幼体死亡率
硬骨鱼(Teleosts) 大比目鱼
Turbot (Scophlthalmus maximus)
48小时急性生物法 (15°C)
卵黄囊，幼体死亡率
甲壳类(Crustaceans) 草虾 Grass
shrimp (Pelaemonetes pugio)
48/96小时急性生物法 (20°C)
幼体死亡率
甲壳类(Crustaceans) 湾虾 Gulf
shrimp (Mysidopsis bahia)
7天生育力测试(27°C)，28天生
命周期测试(27°C)
每个雌体产卵数，生长，每个雌
体生产日中F0代的存活和F1代
的数目
甲壳类(Crustaceans) 桡足类
Copepod (Acartia tonsa)
96小时急性生物法(20°C)，14
天生命周期测试(从年轻无节幼
体幼虫开始)
成体死亡率，F0死亡率，F1代
数目及存活率
甲壳类(Crustaceans) 桡足类
Copepod (Eurytemora affinis)
盐水条件(5－15‰)，96小时急
性生物法(20－25°C)，10－14
天生命周期测试(从年幼无节幼
体幼虫开始)
成体死亡率，F0死亡率，F1代
数目及存活率
环境毒理学常用生物评价方法 (III. 盐水，续)
双壳类软体动物(Bivalve
molluscs) 太平洋牡蛎
Pacific oyster (Crassostrea
gigas)
48小时胚胎/幼体方法，从 至外壳阶段(D－铰链)的
受精卵开始暴露(20°C)
存活率
棘皮类动物(Echinoderms)
大西洋紫海胆 Atlantic
purple sea urchin (Arbacia
punctulata)
短期(10－20分钟)精子细
胞暴露(10－15°C)
未暴露卵的受精
环境毒理学常用生物评价方法 (IV. 沉积物/水和陆地)
受试物种
测试/条件
终点
双翅昆虫幼体 Dipteran
淡水－盐水10天方法，28 幼体死亡率，从蛹出现成
larvae (Chironomus tentans) 天部分生命周期(从第二/ 体
第三龄开始)
鸟类(Birds) 野鸭 Mallard
(Anas platyrhynchos)
急性口服；单一口服遵从 死亡率(验尸)；饲养行为，
>14天观察
其它中毒迹象；经体重标
准化的LD50
鸟类(Birds) 北方鹑
饮食LC50 (有毒物与日常
Northern bobwhite (Colinus 饮食混合)；产蛋前10天
virginianus) 各种鸟物种
－10周
死亡率，蛋的数目，蛋壳
厚度，孵化
哺乳动物(Mammals) 家鼠
Rat (Rattus norvegicus)
急性口服；单一剂量遵从 死亡率(验尸)；饲养行为，
>14天观察
其它中毒迹象；经体重标
准化的LD50
哺乳动物(Mammals) 家鼠
和野生啮齿动物 Rat and
wild rodent (例如，野鼠
voles, Microtus spp.)
14－30天LC50 (与日常饮
食混合)
死亡率，饲养成活
统计考虑 (I)
统计的作用：

假设检验过程：确定两个带有某些预制置信水平的种群的差异；

自然界中的预测作用：一个或多个自变量对一个或多个因变量
的影响。
调整百分响应：
调整百分响应 ＝ (检测组百分响应－控制组百分响应)/(100－控制组百分响应)x100
(1) 通常，低于致死剂量(慢性)的数据是非正态分布(可由协方差或
Sharpiro-Wilks 检验确定)或非均质的(可由Bartlett检验)。这时，需要
用非参数(non parametric approach)过程，如Steel多重秩比较检验(适
于相等大小重复情形)或Wilcoxon秩和检验(适于不等大小重复情形)。
(2) 正态分布的数据可以用Dunnett检验进行分析。某些情况下，非正
态分布的数据可以用具有减少数据点差异作用的数学方法变换为正
态分布，如反正弦变换。
(3) 常用的数理统计软件：SAS(Statistical analysis software)，
SPSS(Statistical program for social sciences)，Statistica等。
时间－响应(死亡时间)模型
(A) 时间－响应(死亡时间)模型(Time-Response, Time-to-Death
Models)
当前逐渐兴起的替代剂量－响应方法的是时间－响应或死亡时
间模型。测试生物死亡率遵循一个时段，它典型地延伸超出急性
生物法的持续时间，有些类似于以下的图示方法，不同的是其时
间尺度囊括生物体绝大部分或全部的生命周期。并且有关数据构
成种群结构的人口统计学模型(Demographic Model)、生存分析
(Survival Analysis)和失败/故障分析(Failure Analysis)的基础。
死亡率%
120h
96h
48h
24h
暴露时间增加
8h
50
暴露浓度(ug/L)
通用线性模型
累积死亡分布函数F(t)，在t = 0处，F(t) = 0；在100％死亡率处，F(t) = 1；
反之，生存函数S(t)，S(t) ＝ 1 － F(t)；
危害函数h(t)：描述在时间t百分比生存概率，数学上与生存函数相关：
h(t) = －dlogS(t)/dt = －1/S(t) • dS(t)/dt
危害函数用于确定毒性是否随时间稳定，或是否随暴露继续而加速或减速。
(B) 通用线性模型(General Linear Models, GLM)
S形耐受分布曲线(累计百分死亡率)对于微生物毒性检测尤其不适用，因为响
应典型地表现为一连续变量，而更适合于GLM模型。
GLM方法能产生更加精确的致死浓度和效应浓度的估值和置信间隔。GLM一
个重要的优势在于提供更准确的与所有毒性浓度水平相关的响应概率的图示，
而不仅仅是50%附近的标示。方法不仅提供LC数值的置信间隔，而且提供引
发特定响应的真实的毒性浓度。
通用线性模型(GLM)方法评价最低可观察效应浓度
95%置信水平上限
比例响应
1.0
95%置信水平下限
0.1
0.0
LOEC
毒物浓度 (mg/L)
与95%置信水平上限相交的水平线与零浓度相关，它也与95%置信水平下界限
相交，交点对应的毒物浓度即为LOEC。响应曲线侵入“负剂量”区域，对这样
的经验曲线并非异常。尽管在此数据集合中LOEC与LC10相符合，但对于其它
经验型剂量－响应关系而言可能变化很大。
比较生物法 (Comparative Bioassay)
当前逐渐兴起将生物法(Bioassay)用于检测地下水、径流和污水等化
学成分未知的介质。由此，借助环境样品的系列稀释法利用清洁(无
毒性)的水制成某一剂量范围，而毒性与稀释程度相关。这一方法通
常与样品的综合化学分析平行进行，化学和毒性数据用以达到污水
治理措施的决策。该方法的延伸称为毒性鉴定估计(Toxicity
Identification Estimate, TIE)或毒性降低估计(Toxicity Reduction
Estimation, TRE)，涉及污水在一系列化学提取和/或pH调节设计以分
离和鉴定毒性部分的过程之前和之后的检测和再检测。
选择测试物种的推荐条件和标准条件的比较
标准条件
推荐条件
重要的生态组(基于分类、营养水平、
小生境)
基于群落研究所确定的优势物种或重点
物种(理想条件是目标区内所拥有的)
普遍可用(工作较少)
合理可用(工作量较多)
室内容易培养，一般较为稳定
可以合理地由实验室或野外采集
需充分了解生理学、遗传学、分类学、行为学等
未确定
可以用其它物种/种类
未确定
检测终点在生态学、毒理学上相关
对有毒物一致性的、可测量的响应
可以在实验室或野外进行
受试物种能抵御疾病和机体伤害，在实验室内可以控制
利用植物响应进行环境评价分析的分类
分类
目的
终点样例
生物转换
确定植物对环境污染物化 化学浓度变化
学归宿的影响
食物链吸收
确定经植物吸收进入食物 化学浓度
链的有毒化学物的数量和
浓度
植物毒性
评价环境污染物对植物生 死亡，变色，生长下降
长和存活所施加的毒性和
危害
标记Sentinel
通过观察植物显示的毒性 死亡，变色，生长下降
症状监测环境中有毒物的
出现和浓度
替代
使用便宜、社会可接受的 染色体失常
植物测试作为人类或动物
方法的替代
国外管理机构采用的植物毒性测试方法
测试
测定化学处理的响应
要求限制使用的机构
酶方法
酶活性
无
过程测试
过程数量级：光合作用， 无
呼吸作用等
组织培养生长
鲜重或干重变化
无
种子萌芽(土壤溶液)
种子萌芽百分数
USEPA, USFDA, OECD
(经济合作发展组织)
根延长 (土壤溶液)
固定时段内根生长长度
USEPA, USFDA, OECD
秧苗生长 (土壤溶液或叶
面施用)
高度、鲜重、干重的变化 USEPA, USFDA, OECD
生命周期
高度、鲜重、干重、花朵 无
数和种子数
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
作业练习
列举生态毒理学与传统毒理学的差别；
图示环境/生态毒理学的基本要素；
如何理解环境毒理学中“剂量”概念？描述这一主题所有分支
中与毒性有关的不同方式；
什么是LC50？描述毒理学家如何测定，包括所用的某些统计模
型。这种评价毒性方法的优势和不足表现在哪里？
慢性和亚急性毒性生物法经常表现出比急性毒性测试更为灵敏。
使用不同方法的实例，描述通常使用的终点类型；
描述两种不同方法达到获得最低可观察效应浓度和无观察效应
浓度的方法。对比先前的种群响应分布模型，通用线性模型方
法的优势是什么？
对比更为机械的模型，基于种群的剂量－响应模型的临界毒性
概念是什么？给出毒物兴奋效应的两种解释。
生态毒理学的两个关键问题？两个重要过程是什么，为此需要
了解那些内容？
解释受体、最大可接受毒性浓度的概念。
沉积物质量评价三合一方法中的要素是什么？