-
2011
年
第
6
卷
第
1
期
, 9
17
生
态
毒
理
学
报
Asian Journal of Ecotox icolo gy
Vo l. 6,
2011
No
. 1,
9 17
环境毒理学研究进展
董芳
1
,
李芳芳
1
,
祁晓霞
2
,
朱琳
1, *
1.
南开大学环境科学与工程学院
,
污染过程与环境基准教育部重点实验室
,
天津市城市生态环境修复与污染防治重点实验室
,
天
津
300071
2.
兰州大学资源环境学院
,
兰州
730000
摘要
:
综述了近年来环境毒理学的研究进展
,
内容包括
:
环境污染物对机体的影响及其环境行为、环境污染物及其转化物的毒性和评估
方法、实验
室模式生物、生物标志物以及环境毒理学在其他相关学科中的应用等。此外
,
还对环境化学品管理和安全性评价、
H
or
mesis(
兴奋效应
)
现象、遗传毒性致癌物的
危险度评价、室内环境毒理学分析与研究等热点问题进行了讨论。并且指出了环境毒理学面
临的挑战。
关键词
:
环境毒理学
;
环境污染物
;
纳米材料
;
持久性有机物
;
环境类激素
文章编号
: 1673 5897( 2011) 6
009 09
中国分类号
:
X171. 5
文献标识码
: A
Advances in Environmental Toxicology
Researches
Dong Fang
, Li
Fang fang
,
Q i
Xiaoxia
,
Zhu Lin
1
1
2
1,
*
1.
K ey Labor ator y of P
ollutio n Pro cesses and Enviro nmental Cr iter
ia, M inistr y o f Educatio n/ T ianjin Key L abo
rato ry of
Env iro n
mental
Remediatio n and Po llut ion Contr ol, Co llege
of Env iro nment
Science and Eng ineer
ing, Nankai U niversity, T ianjin
300071,
China
2.
Colleg e o f Earth and
Envir onment al Science, Lanzho u U niversit y,
L anzhou 730000, China
Received 24 Decem ber 2009
accepted 30 M arch 2010
Abstract:
Advances in env ironmental tox ico logy
are review ed based on the published papers and
authors'
stud
ies.
Co
ntent
includes
the
impacts
of
environmental
po
llutants
on
organism
and
their
env
ir
onm
ental
behav
io
r,
env
ironmental
pollutants
and
their
transfor
mation
products
tox
icity
and
evaluatio
n
m
ethods,
laboratory
mod
el
or
ganisms,
biom
arkers,
the
application
of
environmental
tox
icolo
gy
in
other
r
elated
disciplines.
In
addition,
sev
eral
hot
issues
such
as
environmental
chemicals
manag
em
ent
and
safety
assessment, ho rmesis phenom enon, risk
assessment of genetic tox icity carcinog ens, the
tox icolo gy analysis
of indoor
environment are discussed. Challenges faced by
enviro nm ental tox icolo gy are po inted o ut .
Keywords: env ir onm ental tox ico
logy; environmental pollutants; nanom aterials;
POPs; EDCs
环境毒理学
( enviro nmental tox
icolog y)
是一门既
也是为数不多的一门既是基础科学又可直接应用的学
科。作为应用学
科
,
环境毒理学一方面直接参与医药
、
农药和日用化工产品的研究与开发
,
在产品创新中起着
不可替代的作用
;<
/p>
另一方面
,
环境毒理学致力于识别、
评价和控制化合物对人类及其生态环境
的潜在危害
,
在
制订标准、法规和法律方面正在发挥着日益重要的作
用
,<
/p>
在可持续发展中有着不可替代的重要
年轻又古老的学科
,
它扎根于古老的毒理学
,
随着环境
问题的突出逐渐发展起来。它主要研究环境污染物
,
特
别是外源性环境污染物
对生物有机体
,
尤其是人体的影
响及其作用机制。作为新兴的边缘学科
,
它和很多领域
有交叉性。它运用毒理学的基本原理
,
又借助环境科
学、生命
科学和预防医学的发展。同时它
收稿日期
: 2009 12 24
录用日期
: 2010 03 30
基金项目
:
国家
重大科技专项
(
水专项
No.
2008ZX08526 003)
作者简介
:
董芳
( 1986 ) ,
女
,
硕士研究生
; *
通讯作者
( Corres pon ding
author) , Em ail: z hulin@ n ank ai. edu. cn
10
生
态
毒
理
学
报
第
6
卷
料毒性效应的文章
( Warheit
et al . ,
2004;
Serv
ice,
2003;
2005; Stone and Donaldson, 2006; H yung
角色和作用。随着人们对环境污染的关注和认识
,
环境毒理学得到了越来越多的关注。为此
,
本文根
据国内外
有关著作及相关文献
(
刘毓谷
,
1997;
周启
星等
,
2004;
朱琳
, 2007;
Beyer, 1996; Ballantyne et
al . , 1999;
Cockerham et al . , 1994; M ichael and
New
man,
2001;
Philp,
2001)
,
综述了环境毒理学
的研究进展
,
指出了其面临的挑战
,
供同行参考。关
于环境毒理学与生态毒理学的联系
,
孟紫强
(
2006)
已做了详细阐述
,
文中不再赘述。
1
环境污染物的分类
环境污染物大致可划分为三大类
: (
1)
化学类
:
重
金属、工业有机物、农用化学、医
用和日用污染物等
;
( 2)
物理类
:
微波辐射、放射性物质
( CT
、
刀、
X
射
线、电器的电磁辐射场等
)
和噪声等
; (
3)
生物类
:
病
菌和病毒等。
2
环境毒理学研究的主要进展
2. 1
环境污染物对机体的影响及其环境行为
进入
20
世纪
90
年代后
,
环
境毒理学研究工作
在诸多环境研究工作中异军突起。各研究工作的主要
< br>特征是运用毒理学的基本理论和方法
,
研究环境污染物
在环境中的浓度、分布、变迁、侵入方式、接触时间
以及其他作用条件对环境系统和人的影响。如水环境
中的汞
,
被生物吸收后可在体内发生甲基化作用
,
无机
汞转化为毒性较高的甲基汞
( Francesconi
et al . ,
1992; Eag les Smith et al .
, 2009)
。三价砷可在生物体
内转化为毒性较低的单甲
基胂酸和二甲基胂酸
(
陈保卫
等
,
2009)
。当这些物质在生物体内
累积超过阈值浓度
时
,
它们将扰乱或破坏生物的正常生理功能。铬以多种
价态广泛存在于自然界中<
/p>
,
对人体的毒性与其价态有
关。三价铬是人体必需的微量元素
;
六价铬容易进入细
胞内后被还原为三价
,
同时产生五价铬中间体及多种氧
自由基
,
故具有很强的毒性
(
郑林等
,
2003)
。单一化学
物质对不同生
物毒性作用不同
,
但长期存在环境中的药
物的复合作用是潜在的、危险的
(
Cleuver s, 2003)
。
近
年来
,
纳米材料
( NM s
)
、持久性有机物
( POPs)
、内分泌干扰物
( EDCs)
等引
起了较多的关
注。纳米材料由于其独特的物理化学性质被广泛应用
,
同时它对环境和人体健康带来潜在的影响和风险也备受<
/p>
关注
( EPA, 2007; Co lvin,
2003)
。从
2003
年至今
,
Science!
、
Nature!
等重要期刊上已刊登多篇关于纳米材
et al . , 2007; Rober ts et al . ,
2007)
。有研究表明
,
银
一部分污染物被去除
,
但另一些只是在形态和性质上发
生了变化
,
生成了新的污染物
,
它们往往
纳米颗粒物可对人体肺细胞造成线粒体毒性和
DNA
损伤
( Asharani
et al . ,
2009)
。目前对于纳米颗粒和
材料的生物毒性认识还不够充分
,
一些结论存有疑问
( Baer
et al . , 2010)
。关于纳米颗粒和材料对环境和人
< br>类健康安全性评价方面的研究和相关信息还非常缺乏。
持久性有机污染物有长期残
留性、生物蓄积性、半挥发
性和高毒性
,
能在大气环境中长距离迁移并能沉降回地
面
,
对人类健康和环境有严重危害
( Jones and De Voog t, 1999)
。如二噁英的污染问题自
20
世纪
60
年代开始逐渐被发现和被证实
,
为数众多
的人工合成有机化学品在流入环境后
,
对鱼类、鸟类、
爬行类和哺乳类
野生动物的内分泌功能产生干扰作用
,
导致野生动物种群雌性化和生殖繁衍衰竭等现象。目前
国际上十分重视的环境类激素<
/p>
(
内分泌干扰物
(
EDCs)
)
可分为
3
类
:
外源性
雌激素、外源性雄激素和拟甲状腺
激素。其中类雌激素的作用更引起人们的关注
,
它可降
低精子数、
减少精液量、引发生殖发育异常
,
促
发一些
与激素有关的肿瘤如睾丸癌、乳腺癌等
,
从而引发动物
雌性化
,
如多氯联苯、多环芳烃和二噁英等。
H
ayes
等
相继报道了阿特拉津
( atr
azine,
一种世界范围内普遍使
用的除草剂
)
在美国环保局
( EPA
)
规定的饮用水最高含量的
1/
30
的浓度
(
即
10
速率和表型
,
但能使其性腺雌性化。这一结果虽颇具争
议
,
但
引
起
了
极
大
的
震
动
。
Nature!,
Science!
以
及
Environmental
Science & T echnolo gy!
等国际著
名的
学术期刊对此都发表了评论
,
<
/p>
指出这项研究将会影响到
美国环保局对阿特拉津的重新评估
(
Withg
o
tt,
2002;
Dalton,
2002;
Betts,
2002)
。
国
际
化
学
品
安
全
论
坛
(
IFCS)
就内分泌干扰物质对环境
和人类的危害也多次
呼吁。
2008
年第
20
届经济合作与发展组织
(
OECD)
召开良好实验室规范
(
GLP)
试验技术指导原则国家协调
员工作组会议
,
专门对内分泌干扰物质试验技术指导原
则进行了制定与修订。
g
?
L
)
下
,
并不影响非洲爪蟾和林蛙存活、生长发育
- 1
2. 2
环境污染物及其转化产物的毒性和评定方法
环境污染问题日趋复杂
,
不仅污染物的数量和种类
在不断增加
,
而且交互作用形式日益多样化
(
周启星
,
1995)
。污染物在环境中的迁移
、转化及降解过程经历
着一系列复杂的物理、化学和生物变化
.
在这些变化中
,
第
1
期
董芳等
:
环境毒理学研究进展
11
会带来更大的安全隐患
(
Larsen
et al . ,
1997)
。为了
< br>解这些物质的毒性及作用机理
,
常用动物试验进行评价
( Chhabr
a
et al . ,
1990)
。包括各种毒性试验
,
以测
定其急性、蓄积性、亚急性、亚慢性、慢性和
#
三致性
?
,
以及多种有毒物质共存时的联合毒性。从剂量
反应
关系中得出机体作用的相对安全限值
(
最大无作用水
平
)
。关于饮用水中氯化消毒副产物三卤甲烷和卤代乙
酸的问题
,
国内外已有大量报道
( Pav elic,
2005)
。
Sifivedhin
和
Gray( 2005)
研究了处理后污水排入水环
境后的消
毒副产物生成势
,
并与饮用水消毒副
产物进行
了比较。杨立群和高泽宣
(
1997)
用
A mes
试验证明
氯化消毒副产物可呈显著阳性反应
,
这种体外诱变试验
从基因突变的角度确证了氯化消毒副产物具有改变细胞
内遗传信息的能力
;
氯化消毒后污水微核试验呈阳性
,
表明水样含有染色体断裂剂
,
对染色体具有致畸变作
用。
Jolibois
B
应用
SOS
显色实验
建立的以四膜虫为生物模型的定量构效关系
( QSARs)
方法
,
一定程度上克服了面对现代工业中成
( Escher ichi a coli PQ37 )
和
Am es
试验
( TA98,
T A100
和
T A102)
进行了医院污水潜在生殖毒性的
评价
,
认为医院污水中存在有机突变物质
,
对水环境
和水源水造成健康风险
(
Jolibo
is
and
Guerbet,
2003;
2005)
。
生物芯片的发展为环境污染物的毒性检测提供了
2
极大的便利。如基因芯片可以将大量的
DNA
信息集
成到
1
cm
左右的芯片上
,
精确地完成污染物对人
类基因表达影响的分析
,
并对污染物进行分类与分级
,
筛选毒物靶标和确定毒性机理。由鼠的
113
种
cDNA
作为微阵列单元组成的基因芯片可以检验鼠
肝脏被暴露到肝毒素
(
包括
perox isom e
pr oliferator
过氧化物酶体增殖、醋氨酚或
其相应代谢物、多环芳烃、
苯并
( a
)
芘
)
时的基因响应
( Cunning
ham
et al . ,
2000)
。这种方法可用于有毒化合物的筛选及选定
化合物代谢机理的研究。
2. 3
实验室模式生物
由于人体作为研究对象的局限性
,
<
/p>
常常采用非人类的
实验室模式生物进行毒理学试验。如采用哺乳类
实验动物
(
小鼠、大鼠、兔、豚鼠、狗及猴等
)
、实验植物
(
紫露
草、蚕豆
(
根尖
)
、拟南芥
)
及实验微生物
(
鼠伤寒沙门
氏菌株
< br>TA98
、
TA100
、大肠杆
菌、枯草杆菌等
)
进行研
究。相比单纯
的化学分析手段
,
生物毒理学试验能
够更生
动、真实地反映环境化学物质的毒理效应。如
Schultz
研究小组
( Bearden and Schultz,
1997)
丹可降低仔鱼存活率。与细胞色素
P450
相关的混合功
能氧化酶
( MFO)
系统已广泛用于
千上万种化学物质的毒性评估工作束手无策的困难。
Issa
等
( Issa et al . , 2007)
发现了食物中含有绿茶组
的小鼠产生
结肠癌的机率比对照组明显降低
,
并且这
种作用的发挥是通过阻断
WNT/ catenin
信号通路中
catenin
和它下游靶蛋白
cy clin
D1
的表达而实现的
,
提示人们可以经常喝绿茶预防结肠癌的发生。
Carvan
等
( 2000; 2001)
运用
转基因斑马鱼的某些效
应元件来显示其接触了特定毒物
,
研制出了带有报
告基因的效应元件的斑马鱼
的细胞谱系。用不同的
药物治疗被诱导发生乳腺癌的大鼠发现不同药物对
乳腺癌细胞增殖和凋亡的短期作用可以预测它们对
乳
腺
癌
的
预
防
和
治
疗
效
果
(
Christov
et
al
.
,
2007)
。通过观察线虫体内的
DNA
修复过程发现
人类肿瘤的发病可能与
DNA
修复功能的紊乱有关
( O
neiln and
Ro se, 2006)
。目前模式生物已被广
泛应用于慢性毒性试验、环境风险评价、环境污染<
/p>
物生物累积效应的研究中
,
以识别和检测环境毒物
的作用机制并评价其潜在毒性的大小。
2. 4
生物标志物
生物标志物是生物体受到严重损害之前
,
< br>在分子、
细胞、个体或种群水平上因受环境污染物影响而产生异
< br>常变化的信号指标。生物标志物可为严重毒性伤害提供
早期警报
< br>,
因此受到国内外学者普遍关注。生物标志物
应比较敏感
,
可以在生态系统现状研究中广泛运用
,
还
能够对一类污染物而非针对某一种污染物产生反应。目
前研究热点有行为
(
繁殖、行动、捕食、回避等
)
、生
理
(
生长、繁殖、发育、免疫学指标等
)
和生化
(
蛋白
水平的变化、酶活性变化
;
DNA
分子变化等
)
等标志
物。如特异的
DNA
和蛋白质加合物用于有效暴露
的生
物标记。
Foucheco
urt
等
(
1999)
发
现
,
以
PAH
污染土壤染毒的小鼠
DNA
加合物含量和
肝脏中
7
羟乙基试卤灵正脱乙基酶
(
7
ethox yr
esorufin O deethylase, EROD)
活性均明显增高
,
< br>而用
单种多环芳烃族化合物处理小鼠后
,
仅
DNA
加合物含
量增加。这说明
DNA
加合物和
EROD
均是检测污染
土壤遗传毒性效应的生物标记物
,
前者更能准确揭示单
种多环芳烃化合物潜在的毒性效应。又如
< br>
Ensenbach
等
( 1995)
发现斑马鱼在胚胎和仔鱼阶段
,
生长、发育
和存活率对有机污染十分敏感
,
很低浓度的
3, 4
二氯
苯胺
( 40
mg
?
L
)
和高丙体六六六
( 2
g
?
g
)
的混
合暴露即可明显减缓仔鱼的生长发育
, 80 g
?
L
的林
- 1
-
1
- 1
12
生
态
毒
理
学
报
第
6
卷
污染物的检测
(
万斌
,
2000
)
。意大利
Vigana
等
(
1998)
提出同时用几种标志物进行检测
,
以
减少结
果的模糊性和误导性。自然环境系统十分复杂
,
生
物体常暴露于混合污染中
< br>,
故实验室条件下联合毒
性及
长效应研究应受关注。同时仍需注意标志物研
境混合物生物测试的国际性协作研究
,
试图对样品
制备方法、致突变测试方法加以标准化、提供标准<
/p>
物质作为参照。
究的生态相关性应尽可能反应实际环境暴露情况。
2. 5
其他相关学科中的应用
多年来的实践证明
,
环境毒理学已在环境化学物的
3
当前环境毒理学研究的热点
3.
1
环境化学品管理和安全性评价
OECD( 2008)
在
2030
年环境展望中阐述
:
危险废
毒性评价、人体健康效应、环
境风险评价、职业病病因
和发病机理研究、环境监测、分子生物学和环境卫生标
准的制定等方面发挥了积极作用。传统化学和物理监测
分析方法通过直接
测定环境介质中污染物含量和强度
,
快速得出环境是否受污染及受污染的水平。这类方法在
掌握环境污染状况上有重要意义<
/p>
,
但在了解对人体健康
可能造成的近期和远期影响时
,
则不能直接给出污染引
起的生物学效应
,
< br>
而生物学效应恰是环境科学关切的重
要问题之一。利用
生物测试方法不但可以了解环境污染
状况
,
还可以对生物实际受影响的程度和毒性作用等性
质进行评
价
( M aund
et
al . , 1997) <
/p>
。运用毒理学的生
物测试方法监测和评价环境质量已在国内外广泛
开展
(
薛峰和薛念涛
, 2000;
Wang et al . , 2009; Go odsell et al .
, 2009)
。国际化
学安全品规划署
(
Inter national Prog ram on Chemical
物管理与运输、发展中国家废物管理和环境及产品中
的化学品含量仍是全球性的
#
红灯
?
问题
(
未得到妥
善管理、状况恶劣或在恶化中、须紧迫关注
的环境问
题
)
。环境中的化学品及其安全性是人类共同面临的
亟需处理的问题。
OECD
专门成立了负责化学品安
全管理的环境、健康与安全项目组
( Enviro nm
ent,
H ealth and Safety Prog
ram)
。该机构制定了一系列
方法指南
,
以指导成员国对化学品的人体和生态系统
及它们的环境动态进行评价
;
此外
,
该机
构还制定了
与安全性评价相关的优良实验室规范
( Good
Labora
tory Practice, GLP) <
/p>
、工业化学品和农药危险度评价
方法以及化学品的毒性及健康影响
的分类方法等。各
国的化学品管理法规中对生态毒性评价的要求见表
1
。我国国家环境保护总局
2004
年颁布的
新化学
物质危害评估导则
!
中规定
,
每项新化学物质的基础水
平申报材料必须
包括
,
在我国境内用中国供试生物完
成的水生生物急性毒性试验
(
首选鱼类
)
和生物降解
试验的数据。申报的新化学物质一
Safety, IPCS)
和美国环保局等机构已开展了复杂环
表
1
各国的化学品管理法规中对生态毒性评价的要求
T able 1
Requirements for
eco tox icity assessment in chemical regulations
of different co untries
国家
法律
新化学品的生态毒性要求
根据构效关系估计化学品的生态毒性
,
必要时进行生态毒性试验
对鱼类和蚤类的急性毒性试验结果
美国
加拿大
欧盟
澳大利亚
韩国
日本
有毒物质控制法
!
环境保护法
!
化学品登记、评估、审批法规
!
(
简称
REACH )
对鱼类和蚤类的急性毒性试验结果以及对藻类
生长的影响的试验结果
工业化学品申报审查办法
!
有害化学物质管理法
!
化学物质审查管理法
!
新化学物质环境管理法
!
对鱼类和蚤
类的急性毒性试验结果以及对藻类生长的影响的试验结果
农药、水处理等要求提供鱼类毒性试验结果
< br>对鱼类和蚤类的急性毒性试验结果以及对藻类生长的影响的试验结果
用中国指定的提供受试生物进行生态毒性试验
中国
注
:
引自郭新彪
( 2007)
。
4
次性或
全年累积性的生产或进口数量超过
l0
kg
的
但是还没有将风险评价纳入申报必
备环节
(
聂晶磊
话
等
,
2005)
。将风险性评价从概念性的研究转化为可
,
还要补充生物蓄积性验。要求
#
必须提供申报物
质在其可能进入的环境介质
(
气、水、沉积物、土壤、生
为管理决策部门使用的手段
,
将是环境毒理学和
生态