生態(tài)毒理學8的學習課件

生態(tài)毒理學8的學習課件第1頁/共36頁群落或更高層次響應研究方法的樣例

(1)隔室/圍欄(enclosure)

微宇宙/微觀世界(microcosms)

指合成的或營造的生態(tài)系統(tǒng)。 水生生態(tài)模型系統(tǒng)中容積通常小于1m3，處于人工控制或半控制環(huán)境中，是人為制造的研究實驗系統(tǒng)。 中宇宙/中觀世界(mesocosms)

指真實生態(tài)系統(tǒng)中有代表性的片斷隔室。 水生生態(tài)模型系統(tǒng)中容積通常在1~1000m3，處于人工控制和半控制環(huán)境中，研究生態(tài)系統(tǒng)的某種特性。

微宇宙和中宇宙是實驗系統(tǒng)，用以再現(xiàn)一特定生態(tài)系統(tǒng)的部份或全部。第2頁/共36頁室內(nèi)暴露系統(tǒng)的優(yōu)點和不足暴露系統(tǒng)優(yōu)點不足靜態(tài)測試技術簡單相對便宜適于急性測試，尤其是篩選較低的時間和空間需求因涉及小體積，故廢棄放置問題很小難以確定有毒物實際(有效)濃度，因為：揮發(fā)性，生物或光降解，電鍍(如金屬)，混雜變量影響(如代謝產(chǎn)物和水質變化)對長期、亞慢性和慢性測試適宜性較低僅適于來自靜水環(huán)境的生物更新測試類似靜態(tài)試驗能確認毒物水平比靜態(tài)實驗更接近標稱濃度類似靜態(tài)試驗可引發(fā)不合需要的對測試生物的擾動工作強度較大再循環(huán)測試可降低諸如檢測介質中低氧張力的壓迫相對昂貴需要更復雜的裝置搬運方法所用設備影響的不確定性徑流(flow-through)測試更統(tǒng)一、實驗條件穩(wěn)定結果更可重復適于急性和慢性適于長期測試測試高耗氧化學物最佳能利用來自激流環(huán)境的生物需要復雜的傳送系統(tǒng)需要高昂費用，因昂貴的裝置和維持運轉，以及使用大量材料使用大體積裝置涉及廢棄物處置問題第3頁/共36頁中宇宙(隔室)研究的優(yōu)勢與局限

可以調(diào)查生態(tài)系統(tǒng)水平效應和物種間相互作用

可以同時研究化學物對多物種具有不同靈敏度的效應

盡管可以監(jiān)測，但實驗條件難以控制。未預料的事件，例如異物引入某一重復實驗將摧毀全部實驗

環(huán)境條件和暴露比室內(nèi)研究更有現(xiàn)實性

即使在時間為零時，系統(tǒng)在重復實驗中仍可出現(xiàn)變化，而且重復實驗隨時間出現(xiàn)分歧

生態(tài)系統(tǒng)成份可以控制(隔離，去除，或增加)，以便檢測有關污染物效應的假設

與圍欄效應的改變隨時間出現(xiàn)

在合適的統(tǒng)計設計中建立重復和未處理控制

圍欄體系建立和維護費用昂貴

系統(tǒng)內(nèi)的條件可以在加入目標化學物前后進行監(jiān)測

必須考慮尺度因子和邊界效應

系統(tǒng)可維持一定時間

鑒于實際原因(體形大小)，很少能包括大型生物群落，尤其是捕食者

測試系統(tǒng)包括一個能運行的生態(tài)系統(tǒng)局限優(yōu)勢第4頁/共36頁利用中宇宙/微宇宙進行生態(tài)毒理研究樣例生殖行為2－30天抗膽堿酯酶殺蟲劑小型動物群落牧場草地圍欄毒性和累積1－2周化學分散，和非分散石油底棲無脊椎動物和魚類近岸海水化學包括殺蟲劑，初級生產(chǎn)量，大型植物，浮游動物密度和物種組成，各營養(yǎng)層次群落結構通常至少一季度，夏季每兩周給劑量各種殺蟲劑，單獨或組合，部份要求用于登記現(xiàn)存的群落加繁殖用魚類人工池塘水化學包括殺蟲劑，浮游動物，大型無脊椎動物，水中懸垂生物，大型植物，魚25周烈性殺蟲劑硫丹自然聚集體農(nóng)場池塘水中葉綠素a，磷濃度，溶解性反應性磷濃度，沉積物氧化還原電位，藻類生物量，浮游動物放牧速率3年營養(yǎng)物天然聚集體圍欄藻類種群密度隨時間變化，多樣性指數(shù)，計算公平性和豐度2小時Zn實驗室飼養(yǎng)的自然浮游植物聚集體靜態(tài)實驗室方法毒性和累積24小時11種水溶性中性親脂化合物蚊沉積物/水，與僅有水對比終點檢測持續(xù)時間物質有機物/群落系統(tǒng)類型第5頁/共36頁

微宇宙相對于中宇宙的優(yōu)勢

a)

微宇宙環(huán)境比中宇宙能更快地運轉；

b)

更方便重復，耗費更低；

c)

比室內(nèi)實驗能涉及更廣泛的生態(tài)問題；

d)

為宇宙實驗允許使用放射性示蹤，而在野外圍欄是不現(xiàn)實的或非法的。

使用微宇宙有關的局限性

a)

微宇宙不能正常容納大型生物，例如魚和動物，至少是成體形式；

b)

有限的機體系統(tǒng)容易被化學暴露扭曲變形；

c)

如果采用破壞性采樣，小型微宇宙意味著在一時間過程中只能采集有限數(shù)目樣品；

d)

對絕大多數(shù)微宇宙設計，不會出現(xiàn)重新集群現(xiàn)象。微宇宙(隔室)研究的優(yōu)勢與局限第6頁/共36頁

e)

通常較短的實驗時間意味著檢測不到恢復。

(2)整體系統(tǒng)的處理情況

某些樣例(參見表格)第7頁/共36頁燒杯水生微宇宙試驗設計條件1試驗生物的類型和數(shù)量2種單細胞綠藻或硅藻1種絲狀綠藻1種固氮型藍綠藻(細菌)1種牧食性大型無脊椎動物1種底棲碎食性無脊椎動物一些細菌和原生動物2試驗設計試驗容器類型和大小1L廣口瓶基質50mL自然生態(tài)系統(tǒng)浸出液、50mL砂性沉積物的洗出液和900mLTaub82號基質試驗濃度組數(shù)4個試驗重復組數(shù)5個試驗期12~18周(毒物加入前穩(wěn)定6周，試驗期6~12周)3物理化學參數(shù)溫度20oC光照周期12h光照/12h黑暗4測試終點氧濃度、藻密度、微生物活性、呼吸活力、生物量、原生動物種群第8頁/共36頁評價農(nóng)藥對非靶生物影響的室外水生微宇宙設計條件1試驗生物魚類浮游植物浮游動物水生昆蟲底棲大型無脊椎動物細菌2試驗生物量魚類的生物量<2g/m33試驗設計試驗容器類型和大小面積至少為5m2，深度至少1.25m的槽，材料為玻璃纖維或不銹鋼受試物質加入在6~8周后加入受試物質儲備液采樣在2周后采樣，在受試物質加入后采樣持續(xù)2~3月；采樣頻率根據(jù)受試物質性質和研究目的而定4物理化學參數(shù)溫度通過地底或浸入池塘控制溫度沉積物從未受污染的自然池塘獲取沉積物，每個槽中加入5cm厚沉積物水從健康和具有生態(tài)功能的池塘中獲取；在整個試驗期內(nèi)，每個槽中水體積變化小于10%，加入小于10%，需補充同樣水源的新鮮水；若多于10%，則需排出天氣整個試驗期內(nèi)記錄天氣變化或從氣象站獲得試驗場的氣象資料，如氣溫、太陽輻射、風速、風向、溫度、蒸發(fā)量等第9頁/共36頁陸地土壤核心微宇宙試驗設計條件1試驗生物多樣化，根據(jù)土壤核心采集場所不同而不同2試驗設計微宇宙大小和類型60cm深、17cm直徑的高密度塑料管，一端覆蓋玻璃布，內(nèi)部為土壤核心土壤20cm深的表層土壤重復組數(shù)6~8個濃度組數(shù)3個淋洗加入受試物前，每周1次，加入受試物后每2周1~2次試驗期12周以上3物理化學參數(shù)溫度根據(jù)試驗季節(jié)進行同步溫度控制光照根據(jù)試驗區(qū)域的季節(jié)控制光照澆水根據(jù)試驗區(qū)域的歷史資料，用試驗用水或過濾收集雨水澆水4測定地點多種多樣第10頁/共36頁涉及整體系統(tǒng)處理的生態(tài)毒理研究樣例在距離來源不同距離和時間上監(jiān)測植物群落多樣性、群落系數(shù)、相似百分數(shù)、對早期連續(xù)群落的效應15年慢性輻射橡松樹森林土壤化學，真菌，樹木、地衣狀態(tài)的各種生理指示物，地衣形貌，羽狀地衣和地衣群落結構2－5年硫酸和或硝酸沉降處理，有或無土壤肥料改善楓糖和松樹森林植被徑流化學，部份土壤化學5年酸化逆轉性森林集水區(qū)添加的Cd的地球化學，水化學，浮游動物，大型無脊椎動物群落結構，在平行的實驗室實驗測得的Cd的食物鏈效應幾年加入放射標記Cd，有關的圍欄和室內(nèi)研究湖泊主要化學參數(shù)，形態(tài)變化，所有營養(yǎng)水平的群落指數(shù)幾年加硫酸至目標pH，后停止，觀察恢復湖泊水化學，初級生產(chǎn)，不同營養(yǎng)層次的群落結構一年或更少磷和氮，單獨或組合湖泊無脊椎動物漂移硫酸溪水終點持續(xù)時間處理，物質系統(tǒng)類型第11頁/共36頁生態(tài)毒理評價中生態(tài)適當性、實驗控制和可重復性的關系低高生態(tài)適應性實驗控制和重復低高單物種檢測微觀實驗microcosms中等實驗mesocosms常規(guī)生物監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)處理/操作“天然”實驗第12頁/共36頁群落水平評價使用的因果關系基準相關性的強度strengthofassociation相關性的一致性consistencyofassociation特異性specificity暫時性temporality合理性plausibility一致性coherence類推性analogy生態(tài)梯度ecologicalgradient實驗法experimentation第13頁/共36頁生物方法中簡易性與生態(tài)現(xiàn)實性的關系生態(tài)現(xiàn)實性簡易性穩(wěn)態(tài)單向流單一物種擇生生物自然群落微宇宙圍欄控制系統(tǒng)野外研究理想的生物方法第14頁/共36頁方法學中技術的進步對生態(tài)毒理學的影響

(1)分析化學

檢測下限(detectionlimitation)； 樣品分析的質量保證(QA)和質量控制(QC)。

(2)電子顯微鏡

能量發(fā)散X射線技術(EDS－XRD)。

(3)計算機方法的選擇

(1)生物尺度選擇

利用表格和圖示； 方法選擇指南：使用者應考慮技術可行性，針對特定問題各種技術的優(yōu)勢和劣勢。第15頁/共36頁 (2)方法選擇

(3)受試有機體或系統(tǒng)的選擇

(4)可用的資源個案實例研究(略)第16頁/共36頁染色體組工具的集合描述不同類型的用于分析的染色體組工具，用于評價總基因庫及其性能方面的擾動監(jiān)測點位有機和無機化學分析用于監(jiān)測和評價的樣品置備染色體組工具通過隨機放大聚合DNA(RAPD標記物)分析代表性微生物群落的指示DNA顯著性(IDS)時間序列分析評價和預測擾動基于化學分析的壓迫評價擾動與基線譜帶共享指數(shù)時間尺度上的ARDRA分析選擇指示形細菌種基本生化過程生物地球化學循環(huán)分析：CO2生成量CO2固定量CH4生成量氮N的水平(NH4+,NO2,NO3)磷酸鹽與基線數(shù)據(jù)或隨時間的變化相關聯(lián)的代謝控制因素生理參數(shù)指數(shù)IPP微生物群落微陣列分析或PCR/多元或實時PCR基于推理知識的追蹤指示性/新的/庇護/未培育的物種第17頁/共36頁染色體組工具輔助監(jiān)測和評價基線數(shù)據(jù)大氣土壤水體基線恢復環(huán)境影響工業(yè)生物修復生物增加短期效應恢復具有無或很低生態(tài)懲罰的變化基線減輕作用的測試長期效應染色體組工具輔助評價工業(yè)活動的環(huán)境影響，包括污染原因和減輕及凈化過程第18頁/共36頁通用概念網(wǎng)絡生物地球化學循環(huán)：C:N:P比率生物降解控制因素微營養(yǎng)物缺失代謝潛力基本資源領域(分子水平目標)有關受體：細菌群落真核微生物共生/非共生關系大氣土壤水體壓迫的定量評價：受影響區(qū)域負荷量負荷模式無機負荷有機負荷基于推理知識的追蹤：特定位置易變的DNA元素歸結于恢復基線的DNA顯著性通用概念網(wǎng)絡在映射繪圖基礎上，對選擇坐標(變量)進行動態(tài)監(jiān)測在DNA水平上評價擾動第19頁/共36頁生物有效性過程結合污染物釋放污染物固相結合污染物A結合分裂后續(xù)的遷移B結合污染物遷移C經(jīng)生理膜吸收D進入活體系統(tǒng)E吸收污染物進入機體生物響應部位A，B和C可發(fā)生在有機體內(nèi)部，如內(nèi)臟的細胞腔；

A、B、C、D屬于生物有效性過程；

E由于土壤和沉積物不再發(fā)揮作用而排除在外。D第20頁/共36頁順序選擇生物有效性工具標準固相結合污染物特定形式的探針(XRD,SEM,XAS,L2MS,SIMS,NMR)固相和基于膜的有機物提取技術(Tenax,C-18,SPME,DGT)野外調(diào)查：整體生物富集(植物、無脊椎動物、魚類、鳥類、動物)應用于野外2，有些方法難用于天然顆粒。天然環(huán)境中儀器檢測限引發(fā)問題2－3，野外土壤和沉積物可利用但需搬運。野外可能使用SPME、SPMD和DGT。3，原位測試應用于固相3，直接用于固相3，直接用于固相或泥漿2，集成各種介質的暴露，包括固相單一與集總過程3，唯一適于鑒定結合機理1，操作測試需集成多個過程2，整體生物富集方法集成幾個生物過程影響，對生物吸收僅有指示性進入活體細胞直接相關1，需要特定形式與生物吸收關系的推理2，可生物模擬，仍需要推理生物吸收關系2，可用于直接測定生物吸收，僅作為有影響的生物和理化過程的集成響應推廣普及能力2，是生物有效性過程最終推廣普及的基礎2，生物有效性推廣的可靠性未證實，工作進行中。1，僅當點位或情況廣泛集合的數(shù)據(jù)有效時，推廣普及才有可能管理規(guī)章適應性1，復雜因而限制在管理中應用1，管理者很少使用土壤/沉積物的信息，最終會有用3，濃度可用于控制暴露，但指導有限，尤其是針對生態(tài)系統(tǒng)研究手段用途3，了解控制生物有效性的因素3，對生物吸收重要過程的檢測潛力(如獲取釋放速率)2，對經(jīng)驗測定最常用，但對研究應用屬于常規(guī)三種選定的生物有效性工具根據(jù)7項標準按每類的得分(1~3，3為最佳)進行排序SIMS:二級離子質譜L2MS:微探針兩步激光質譜DGT:薄膜擴散梯度第21頁/共36頁不同尺度范圍的評價方法實驗室研究水平/尺度野外現(xiàn)場研究沒有適用的生態(tài)系統(tǒng)整體系統(tǒng)處理(1)致死和亞致死效應(2)種群和群落改變(3)地球化學改變(4)所有相互作用微宇宙和中宇宙各種人工生態(tài)系統(tǒng)(1)群落內(nèi)部群落調(diào)查，長期或短期監(jiān)測(1)群落內(nèi)部豐度(2)相對豐度(3)生殖力種群個體器官細胞分子調(diào)查，長期或短期監(jiān)測(1)補充(2)生存(3)年齡結構(4)密度采樣(1)生物富集(2)行為采樣(1)生理狀況采樣(1)組織學研究(2)血液學研究采樣(1)生化指示物金屬硫因，酶等各種控制實驗體系(1)生殖力，生命周期(2)年齡結構(3)密度各種控制室內(nèi)處理(1)急性毒性(2)亞急性效應(3)行為，生物富集各種控制室內(nèi)處理(1)生理狀態(tài)(2)功能參數(shù)各種控制室內(nèi)實驗(1)組織學研究(2)血液學各種控制室內(nèi)研究(1)生化指示物金屬硫因，酶等第22頁/共36頁有毒物的生物和生態(tài)效應評價方法方法類型

優(yōu)勢

局限性

最佳使用

整體系統(tǒng)處理

定義原因和效應包括所有群落水平和系統(tǒng)內(nèi)部生物地球化學過程；能跟蹤長時間，包括需要的影響和恢復

實驗大型且昂貴，因費用和實用性，很少能重復

鑒定直接和間接的群落相互作用和生物地球化學過程。對野外調(diào)查比較有用野外調(diào)查包括使用指示物

真實世界的信息，潛在地包括所有群落相互作用，生物地球化學過程和自然變異

原因和效應只能推斷，由于許多因素一同變化，因此結果解釋混淆。如果調(diào)查包括受影響和未受影響的樣點，將難以發(fā)現(xiàn)參照樣點和控制樣點

鑒定潛在的問題和實際的問題，以建立和評價有關污染物在群落或種群水平上效應的假設，與實驗數(shù)據(jù)比較

長期監(jiān)測，化學和/或生物同與野外調(diào)查有關的相比，帶有混淆因素的問題較少。可以捕獲環(huán)境中真實世界的響應原因和效應只能推斷。需要很長的時間過程從自然變化區(qū)分實時趨勢

為對比實驗數(shù)據(jù)和野外調(diào)查，確認實驗結果的有效性，考察由調(diào)查確定的空間構型是否及時反映預期趨勢

中宇宙/微宇宙實驗

原因和效應明確定義。某些群落水平相互作用可以包括，取決于實驗系統(tǒng)的復雜性和尺度。管理尺度允許重復和復制實驗

重復實驗間較大變異趨于成為慣例，很可能由于真實的重復難以達到。實驗單位過小而不能包括較大的生物體，如捕食性魚類和動物，因此一些重要的群落過程通常被排除

對研究群落水平響應和較小體形群落相互關系有用。對制定污染物食物鏈傳輸?shù)某醪皆u價有用

第23頁/共36頁方法類型優(yōu)勢

局限性

最佳使用

野外生物方法，整體生物

檢測條件模擬現(xiàn)實世界比室內(nèi)生物方法更有效許多因素同時變化，因此，特定原因和效應關系只能推斷。從簡單野外的種群響應外推至群落水平存在很大的不確定性用于確認野外條件下污染物有毒效應的發(fā)生。用于比較室內(nèi)生物方法，檢查所有因素是否解釋(如光照/黑暗，溫度等對毒性影響)室內(nèi)生物方法，整體生物原因和效應容易定義。開展實驗相對便宜和快速，適合質量控制和保證檢測條件無法代表現(xiàn)實世界。從室內(nèi)響應外推至預期的種群或群落水平響應有不確定性。典型地，室內(nèi)與野外檢測異質性很差，即使是同一物種控制實驗用于檢驗有毒物質在特定集合條件下的效應，用以篩選具有急性或慢性毒性的“新”化學物野外生物方法，生化指示物開展實驗快速，且相對不貴。適合進行室內(nèi)控制條件下有機體暴露的同一檢測比較響應受其它超出所關注污染物的影響(即沒有全部確定)，因此導致潛在地混淆解釋如果參數(shù)也同時測定，則可提供一種生化和更高層次響應間的聯(lián)結。如果生化指示物已顯示對特定物質或特定組物質可靠，則野外測定作為污染物暴露的集成表現(xiàn)者有用

室內(nèi)檢測，生化指示物開展實驗快速，且相對不貴。對生化響應原因和效應定義明確，但由于短期響應性質，很少可能將其與功能效應相聯(lián)系

不易確定外推至整體生物或群落功能毒性機理可通過控制實驗確定?？纱_定特定物質響應

有毒物生物和生態(tài)效應評價方法(續(xù))第24頁/共36頁種群大小對污染的可能響應iiiiiiivv污染種群大小時間(年)曲線i：下降，直至零；曲線ii：下降，趨緩至持續(xù)；曲線iii：開始增加，抵抗力進化；曲線iv：短暫，由抑制水平恢復；曲線v：恢復，由遷移或重新殖民。第25頁/共36頁K00時間(年)種群大小由Logistic方程式得到的“S”型生長曲線環(huán)境承載容量dN/dt=r0N(1－N/K)r0:在低種群密度條件下種群生長速率種群密度的依存性指數(shù)增長逐漸降低平衡階段第26頁/共36頁種群生長評價方法

種群生長速率r

定義為單位時間種群增長除以種群中的個體數(shù)。 若種群大小為N(t)，r=1/NdN/dt，單位時間每(人)口。 如果r為常數(shù)，則有N(t)=N(0)ert

顯示指數(shù)形式的種群增長。=er 為凈生產(chǎn)率，是每年種群倍乘的一個因子。r=loge第27頁/共36頁

(1)

假設有機體在年齡t1時第一次繁殖，在年齡t2時第二次繁殖，在年齡t3時的三次繁殖；

(2)

假設每一雌體在第一次繁殖產(chǎn)生的后代數(shù)目為n1，第二次為n2，第三次為n3；

(3)

假設雌體從出生至年齡ti時的存活率為li； 則種群生長率r可由下式計算(Euler－Lotka方程式)第28頁/共36頁通常的生命史年齡t1t2t3n1n2n3出生繁殖年齡繁殖年齡繁殖年齡后代數(shù)目后代數(shù)目后代數(shù)目k1k2k3k4k51393275691821SR1R2R3R448年齡(月)種群密度時期(月)產(chǎn)卵成體剛孵化幼魚以鮭魚為例第29頁/共36頁抵抗污染的進化過程的簡單樣例CAADABAAAAAAAAEACCCCCDDDDDCECEABDEAAEEEEr=0r=－1r=+1特性2EACBDFCCCDDDDEEEABAA特性1特性1由圖A至B，遠離初始的等位基因(C至E)數(shù)目增加；而靠近初始的等位基因(A)的數(shù)目則下降。圖C顯示用于“復制”增加的速率r，即適應性。圖D顯示遺傳選項的集合，它帶有由基因重組所獲得的遺傳類型(用圓圈代表)。選項集合的邊界是平衡曲線(用粗線條表示)。圖E顯示最佳的策略(即進化的結果)。圖F顯示遺傳選項，它們在種群中可保持直至進化過程的結尾。特性2特性2第30頁/共36頁死亡－生產(chǎn)的平衡關系形式防衛(wèi)A－3－20+1C機體生長速率增長速率/適應性=－1－3－20+1B機體生長速率防衛(wèi)死亡率機體生長速率遺傳選項集合平衡曲線適應性輪廓線0適應性通過原點(代表穩(wěn)定種群)圖形疊加：當?shù)任换蜻_到最高適應性時，用來鑒定進化結果外在死亡率最大生產(chǎn)速率注意：(1)平衡關系會抑制解毒機制的作用；(2)用于防衛(wèi)的資源配置可同時降低生產(chǎn)率和死亡率。死亡率死亡率增長速率/適應性=－1顯示最佳策略的位置(代表所研究環(huán)境的最終進化結果)能量攝入量的分配基本代謝速率解毒能量消耗合成代謝消耗生產(chǎn)＝生長范圍排泄第31頁/共36頁長期死亡與生產(chǎn)受迫的進化結果生產(chǎn)力降低死亡率上升機體生長速率死亡率圖中的直線代表零適應性輪廓線機體生長速率死亡率機體生長速率死亡率AB(1) 最佳防衛(wèi)基因選擇在污染環(huán)境中；而無防衛(wèi) 基因選擇在無污染環(huán)境中。(2) 一般地，污染不會改變遺傳選項集合的形狀。平衡曲線在污染環(huán)境