第三章环境化学物的毒性作用及其影响因素

第三章环境化学物的毒性作用及其影响因素

第一节毒性作用 一、基本概念：毒物(toxicant)：指在一定条件下，较小剂量就能引起功能性或器质性损伤的化学物质。毒性 (toxicity)：指一种物质能引起机体损害的性质和能力。中毒 (toxication)：指机体受到某种化学物质的作用而产生功能性或器质性的病变。危险度 (risk)与危害性(hazard)：指在一定暴露条件下化学物导致机体产生某种不良效率的概率。

剂量(dose)：指给予机体的外来化合物数量或机体接触的数量。剂量(dose)：指给予机体的外来化合物数量或机体接触的数量。 1.致死剂量 (lethal dose, LD) 可以造成机体死亡的剂量。绝对致死量(absolute lethal dose,LD100)系指能造成一群体全部死亡的最低剂量。半数致死量(half death dose,LD50)系指能引起一群个体50%死亡所需剂量，也称致死中量。半数耐受限量(Median tolerance limit, TLm,TLm48,TLm96,mg/L)也称存活活度，指在一定时间内一群水生生物中50％的个体耐受的某种环境污染物在水中的浓度最小致死剂量(minimum lethal dose, MLD, LDmin, LD01):引起一群个体中个别个体死亡的最低剂量最大耐受量(maximal tolerance dose, MLD, LD):一群个体中不引起死亡的某化学物的最高剂量

2. 半数效应剂量 (median effective dose, ED50): 外源化学物引起机体某项生物效应发生50％改变所需的剂量 3. 最大无作用剂量(maximal non-effect level)：在一定时间内，一种外来化合物按一定方式或途径与机体接触，未能观察到任何对机体的损害作用的最高剂量 4. 最小有作用剂量(minimal effect level)：在一定时间内，一种外来化合物按一定方式或途径与机体接触，能使某项观察指标开始出现异常变化或使机体开始出现损害作用所需的最低剂量，也可称为中毒阈剂量，或中毒阈值

在理论上，最大无作用剂量和最小作用剂量应该相差极微，但由于对损害作用的观察指标受此种指标观测方法灵敏度的限制，可能检不出细微的变化。只有两种剂量的差别达到一定的程度，才能明显地观察到损害作用程度的不同。所以最大无作用剂量与最小有作用剂量之间仍然有一定的差距。在理论上，最大无作用剂量和最小作用剂量应该相差极微，但由于对损害作用的观察指标受此种指标观测方法灵敏度的限制，可能检不出细微的变化。只有两种剂量的差别达到一定的程度，才能明显地观察到损害作用程度的不同。所以最大无作用剂量与最小有作用剂量之间仍然有一定的差距。表示一种外来化合物的最大无作用剂量和最小有作用剂量时，必须说明试验动物的物种品系、接触方式或途径、接触持续时间和观察指标。例如某种有机磷化合物在大鼠(wistar品系)经给予3个月，全血胆碱酯酶活力降低50%的最大无作用剂量为10mg/kg体重。

效应和反应 • 效应 (effect) 一定剂量的外源化学物与机体接触后所引起的机体的生物学变化 • 反应（％）(response) 机体与一定剂量的外源化学物接触后，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某一群体中所占的比例

剂量－效应和剂量－反应关系 1. 剂量—效应关系：描述外源性化学物的剂量水平与所引起的个体或群体的量效应之间的相互关系； 2. 剂量—反应关系：描述外源性化学物的剂量水平与所引起的效应发生率之间的相互关系。 3. 剂量—效应（反应）关系的基本类型： • 直线型：效应或反应强度与剂量成直线关系，仅在一些体外试验中一定剂量范围内存在。 • 抛物线型：剂量与效应或反应强度关系非线性，将剂量换成对数值后，可转化为直线。 • S-形曲线: 在外源化学物的剂量与反应关系中较为常见

图3-1 剂量-反应曲线图 图3-1a （直线型）图3-1b （抛物线型）

图3-1c （S状线型）图3-1d 剂量-反应曲线

毒性分级 LD50或ED50:环境化学物毒性评价的重要参数。欧共体有害物毒性分级指标

二、毒性作用的类型 1、局部和全身毒作用： • 局部毒作用 (local toxic effect)：在接触部位引起局部性直接损伤 • 全身性毒作用(systemic toxic effect)：化学物被吸收后随血液循环分布于全身而呈现的毒作用，主要危害靶组织和靶器官 2、速发和迟发毒作用： • 速发毒作用 (immediate toxic effect)：在一次性接触化学物后短时间内出现毒害作用, 一氧化碳、硫化氢、氰化物 • 迟发毒作用(delayed toxic effect)：接触化学物后在较长时间内才呈现的毒作用，致癌物

3、可逆和不可逆毒作用： • 可逆 (reversible)：停止接触化学物后，毒性危害可逐步减轻或消失 • 不可逆 (irreversible)：毒害作用继续存在甚至加重与毒物性质和危害组织的再生能力有关。 4、变态反应（过敏性反应, allergic reaction）： • 机体对环境化学物产生的一种有害免疫介导反应 • 化学物作为半抗原与内源性蛋白质结合激发抗体形成。抗体+抗原过敏反应。 5、特异体质反应(特发性反应, idiosyneratic reaction)： • 由遗传决定的特异体质对某种化学物的异常反应。

三、环境化学物的相互作用（联合毒性作用, joint toxic effect）凡两种或两种以上的化学物同时或短期内先后作用于机体所产生的综合毒性作用，称为化学物的联合毒性作用。

(一)联合毒性作用发生阶段 1、接触暴露阶段：在环境或食品中发生物理、化学反应： A+BAB(C) (new toxicity) 2、毒物动力学阶段：一种物质的存在可影响另一种物质的毒质动力学过程。吸收转化分配排泄体内化学反应 3、毒效阶段生理拮抗

相加作用 联合作用协同作用增强作用拮抗作用独立作用（二）联合作用的类型

1、联合作用类型 （1）相加作用（Addition）：多种环境化学物同时作用于机体所产生的生物学作用的强度是各自单独作用的总和，M=M1+M2 化学性质相近或属同系，靶器官相同，作用机理相似物质，如刺激性气体的刺激作用（2）协同作用（Synergism）：两种或两种以上环境化学物作用于机体所产生的生物学作用的强度超过单独作用强度的总和，M>M1+M2 稻瘟净、马拉硫磷

（3）拮抗作用（Antagonism）：某一种化学物可干扰另一种化学物或两种互相干扰，使混合物的毒作用强度低于各自单独作用之和（3）拮抗作用（Antagonism）：某一种化学物可干扰另一种化学物或两种互相干扰，使混合物的毒作用强度低于各自单独作用之和 M<M1+M2 二氯乙烷与乙醇（4）独立作用 (independent joint action): 各自的作用方式、途径、受体和部位不同，彼此无影响。如乙醇与氯乙烯 M=M1+M2（1-M1）（5）增强作用（Potentiation）：无毒性物质加强另外一种物质的毒性，如异丙醇对肝脏无毒，但与四氯化碳同时进入机体，可增加四氯化碳的毒性

2、联合作用类型的评定 （1）毒性指数法 MTI=(logM0-LogM)/LogM0

（2）联合作用系数法 a, b,c....n—混合物中A,B...N化合物所占的重量百分比 K与联合作用类型

两种化合物 分别测定A、B化合物的LD50及95%可信限按等效比混合测定混合物实测LD50 求混合物LD50中A、B化合物的实际剂量绘图 (3)等效应线图法只能评定两个化合物的联合作用方法：

上限 1 甲化合物(mg/kg) LD50 下限 2 3 下限 LD50 上限乙化合物(mg/kg) 联合作用的等效应曲线 1—拮抗作用 2—相加作用 3—协同作用

四、毒性作用的机理 （一）干扰正常受体－配体的相互作用受体是许多组织细胞的生物大分子，与化学物即配体相结合后形成配体—受体复合物，能产生一定的生物学效应。许多环境化学物尤其是某些神经毒物的毒性作用与其干扰正常受体—配体相互作用的能力有关。

（二）细胞膜损伤 维持细胞膜的稳定性对机体内的生物转运、信息传递及内环境的稳定是非常重要的。膜成分的改变：膜磷脂和胆固醇含量下降（CCl4）膜流动性改变：DDT，对巯磷膜通透性的改变：膜蛋白的改变，如Pb，Hg，Cd可与膜蛋白的巯基、磷酸基、咪唑和氨基等作用，改变其结构和稳定性，从而改变膜的通透性。

（三）干扰细胞内钙稳态 钙作为细胞的第二信使在调节细胞内功能方面起着关键性作用。例如，非生理性地增加细胞内钙浓度可激活磷脂分解，引起细胞损伤和死亡。

（四）干扰细胞能量的产生 机体内的能量来源于糖类和脂肪类的生物氧化，所产生的能量以三磷酸腺苷（ATP）的形式储存起来，为各种生命活动提供能量，这种过程称细胞呼吸链。有的环境化学物如硝基酚类，五氯酚钠、氯化联苯和钒类化学物等可导致糖类氧化所产生的能量不能以ATP的形式储存起来。

（五）与生物大分子结合 1.核酸亲电子活性代谢产物可攻击DNA上的亲核中心，与碱基发生共价结合，生成加和物，可引起DNA链的局部扭曲和二级结构异常，导致DNA在复制中碱基顺序的改变，产生基因突变甚至畸变。

2.蛋白质和酶 许多环境化学物可与酶或蛋白质的活性部位结合而显示毒性作用。许多重要的细胞酶分子中的还原型巯基往往是其活性中心，外源化学物的亲电子代谢产物与细胞内其他亲核部分如谷胱甘肽、蛋白质和酶的巯基结合，当谷胱甘肽耗竭时，可导致蛋白质巯基氧化成二硫化物键，使酶活性丧失。

3.脂质 脂质过氧化是导致细胞损伤和死亡的关键步骤。外源化学物可通过生物转化形成有活性的亲电子中间产物，通常为自由基。核酸、蛋白质和脂质均是自由基攻击的主要目标。自由基还导致膜中不饱和脂肪酸过氧化，使膜的完整性丧失甚至破裂，产生一系列病理反应，甚至组织坏死。

（六）选择性细胞坏死 有些外源化学物对某种组织器官的细胞有选择性致死毒性。例如，高剂量锰能引起大脑基底神经节多巴胺细胞的选择性损伤和致死作用；止吐药可引起胚胎早期肢芽细胞死亡，使出生的婴儿缺失腿和臂。

（七）非致死性遗传改变 某些环境化学物可干扰DNA复制和修复，导致DNA损伤和染色体异常，这些毒性作用虽然不一定引起细胞死亡，但可诱发体细胞突变和癌变，对生殖细胞引起的突变可遗传于下代，有的还可产生遗传性疾病，甚至畸胎。

（八）自由基与酯质过氧化 自由基：含有未配对电子的原子或分子。可通过共价键均裂或电子俘获产生。 CH3:HCH3•+H• CCl4+e CCl3•+Cl- 具有极高的反应活性。可攻击核酸、蛋白质、脂质等生物大分子，导致结构和功能的异常，出现癌变、畸变、细胞死亡等。自由基对不饱和脂肪酸的攻击，导致脂质过氧化，损害细胞膜的结构和功能．

第二节毒性作用的影响因素 一、环境化学物的结构和性质 (一) 结构和毒性研究外源性化学物的结构和毒效应之间的关系，可对同类的新化学物的生物活性及其安全限量范围进行预测，同时也可以推测其毒作用机理。

烃类在烷烃中，甲烷和乙烷是惰性气体丙烷至庚烷，碳原子数量增加，其麻醉作用增强庚烷之后，碳原子数量增加，其麻醉作用减弱丁醇、戊醇的毒性大于乙醇、丙醇甲醇在体内可转化为甲醛和甲酸，故其毒性反而比乙醇大同系物的碳原子数量非烃类化合物中引入烃基

分子不饱和度 分子中不饱和键增多可使化学物活性增大，毒性增强。乙炔毒性大于乙烯，乙烯毒性大于乙烷芳香烃毒性大于脂肪烃丙烯醛对眼结膜的刺激作用大于丙醛丁烯醛毒性大于丁醛。

卤素基团 卤族元素有强烈的吸电子效应，在化学物分子结构中增加卤素，可使分子极性增加，更易与酶系统结合，从而毒性增强。如对肝脏的毒性CCl4>CHCl3>CH2Cl2>CH3Cl>CH4

羟基 脂肪族化合物引入羟基后，麻醉作用增强，毒性增高。芳香族化合物引入羟基后，毒性增高。多羟基的芳香族化合物毒性更高。如苯引入羟基后成为苯酚，后者具弱酸性，易与蛋白质中的碱性基团结合，与酶蛋白有较强的亲和力。毒性增大。

羧基和磺酸基引入分子中时， 水溶性和电离度增高，脂溶性降低，难以吸收和转运，毒性降低。如苯甲酸毒性较苯低，人工合成染料中引入磺酸基也可降低其毒性。酸基酸基经酯化后，电离度降低、脂溶性增高，使吸收率增加，毒性增大。酯基

胺基和硝基 胺具碱性，易与核酸、蛋白质的酸性基团起反应，易与酶发生作用。伯胺RNH2>仲胺RNHR‘>叔胺RNR’R’’ 芳香族化合物的H原子被硝基取代后，毒性发生改变。如苯环上引入硝基后，即成为高铁血红蛋白的形成剂。

醛和酮 这两类化学物质性质活泼，易与体内多种成分发生反应。醛的生物学效应一般高于酮类，但其毒性随C原子的增加而递减。

构型同分异构体旋光异构体

同分异构体 一般：对位>邻位>间位如二甲苯、硝基酚、氯酚等但也有例外：如邻硝基苯醛>对硝基苯醛

旋光异构体 由于受体或酶一般只能与一种旋光异构体结合而产生生物效应。故同一化学物的不同旋光异构体的毒性不同。一般L-异构体易与酶、受体结合，具生物活性；而D-异构体则反之。如L-吗啡对机体有作用，而D-吗啡对机体无作用。但也有例外，如D-尼古丁毒性>L-尼古丁

有机磷化合物 烷基碳原子越多，毒性越强，甲基<乙基<异丙基； Y为O时较S毒性大 X为酸根时，强酸根的毒性较弱酸大；X为苯基时，化合物毒性与苯环上取代基的性质有关

(二) 物理性质与毒性 1.脂水分配系数一般脂溶性高的毒物易于被吸收且不易被排泄，在体内停留时间长，毒性较大。如机体对氯化高汞的吸收率为2%，醋酸汞为50%，苯基汞50-80%，甲基汞90%以上。有毒化学物在体液中的溶解度愈大，毒性愈强。如砒霜（As2O3）在水中的溶解度比雄黄（As2S3）大3万倍，因而毒性较后者大；氯气和二氧化硫易溶于水，能迅速对上呼吸道产生刺激作用，而NO2的水溶性较低，不易引起上呼吸道病变，需经一定潜伏期才能引起深部呼吸道病变。

2. 电离度 • 电离度低，非离子型比例越高，越易被吸收而发挥毒效应。 • 电离度高，离子型比例越高，化合物虽易溶于水，但较难被吸收而易随尿排出，毒性的发挥受到影响。

3. 挥发度和蒸气压 • 有些液态毒物在常温下容易挥发形成蒸气，通过呼吸道和皮肤进入机体，如汽油、四氯化碳、二硫化碳 • 液态毒物的LD50相近，即绝对毒性相当，但由于各自的挥发度不同，所以实际毒性（即相对毒性）可相差很大。如苯和苯乙烯

4. 分散度 • 化学物以粉尘、烟和雾等状态污染空气，其毒性与该物质的分散度有关。 • 如ZnO粉尘进入呼吸道后，毒作用并不太明显；但金属Zn熔融时产生的Zn蒸气，在空气中进一步氧化成ZnO烟尘，其颗粒极为微细，表面活性相应增大，可引起急性中毒。

5. 纯度 • 工业化学品中往往混有溶剂、剩余的原料、原料中的杂质、合成的副产品等；商品中往往还含有赋形剂、添加剂等。这些杂质有可能影响、增强、甚至改变原化合物的毒性作用，有的杂质毒性比原化合物的毒性还要大。 • 例如，除草剂2，4，5-T的致畸性主要是由于其中所含有的杂质TCDD所致。

二、机体状况 (一) 种属和个体差异不同物种、品系的动物由于其遗传因素决定了对外来化合物代谢转化方式和转化速率的差异。转化方式不同可能因某些物种动物体内代谢反应类型有缺陷，从而产生不同的代谢产物，表现出不同的毒作用。例如2-乙酰氨基芴在大鼠、小鼠和狗体内可进行N－羟化，并与硫酸结合形成硫酸酯而呈现强致癌作用，而在豚鼠体内则不发生N－羟化，故不致癌。

(二) 性别与年龄 品系相同的动物对外来化合物在毒性反应上表现出性别差异。在一般情况下，成年雌性动物比雄性动物对化学物毒性敏感，对性别差异可能主要与性激素功能和代谢转化有关。品系与性别相同的动物，年龄不同对外来化合物毒性的敏感性常不同，新生动物对毒性的反应比青年或成年动物敏感，出现年龄差异的原因可能是不同年龄动物酶活力、解毒能力、代谢速度、皮肤和粘膜的通透性以及肾脏清除率等方面的差别造成的。

第三章 环境化学物的毒性作用及其影响因素