有害结局路径(AOP)框架在水体复合污染监测研究中的应用

水体复合污染包含低浓度、种类复杂的毒害化学污染物,威胁人类健康和生态安全。监测并识别水体关键毒害污染因子是进行水质管理的前提,也是复合污染研究的难点。目前国内外在水复合污染毒性监测研究上主要基于动物活体试验或者生物体外测试。由于受限于毒理学测试方法,常见的应用通常仅关注于某方面的毒性效应或者少数的分子指标,因而受到质疑和挑战。有害结局路径(Adverse outcome pathway,AOP)的概念将化学污染物的结构、致毒的分子启动事件和生物毒性的有害结局建立关联,为污染物的毒性测试、预测和评估提供了新的模式。本文旨在论述有害结局路径在复合污染毒性评估和关键毒害物质鉴别中的指导性价值和意义。在有害结局路径的指导框架下,借助于生物体外高通量测试技术、化学分析的靶向和非靶向分析技术和生物信息学技术,可以系统地分析化学混合物在分子、细胞水平上健康相关指标的响应水平,评估水体中复杂结构污染物,与不同生态和健康有害结局之间的关联,为水环境评价和优先污染物的筛选管理提供有效支撑。本文通过综述AOP框架在复合水体中毒害物质风险研究的现状和优势,对AOP在水环境环境管理上的应用前景提出展望。     

有害结局路径(AOP)框架在水体复合污染监测研究中的应用

由于包含复杂的毒害化学污染物质,水体复合污染一直威胁着人类健康和水生生态安全。对复合污染水体进行监测、评估和治理是水环境管理的重点之一。监测并识别水体关键毒害污染因子是进行水质管理的前提,也是复合污染研究的难点。目前国内外在水复合污染毒性监测研究上主要基于动物活体试验或者生物体外测试。由于受限于毒理学测试方法,常见的应用通常仅关注于某方面的毒性效应或者少数的分子指标,因而受到质疑和挑战。有害结局路径(Adverse outcome pathway, AOP)的概念将化学污染物的结构、致毒的分子启动事件和生物毒性的有害结局建立关联,为污染物的毒性测试、预测和评估提供了新的模式。本文旨在论述有害结局路径在复合污染毒性评估和关键毒害物质鉴别中的指导性价值和意义。在有害结局路径的指导框架下,借助于生物体外高通量测试技术、化学分析的靶向和非靶向分析技术、和生物信息学技术,可以系统地分析化学混合物在分子、细胞水平上健康相关指标的响应水平,评估水体中复杂结构污染物,与不同生态和健康有害结局之间的关联,为水环境评价和优先污染物的筛选管理提供有效支撑。本文通过综述AOP框架在复合水体中毒害物质风险研究的现状和优势,对AOP在水环境环境管理上的应用前景提出展望。     

助溶剂甲苯和二甲基亚砜对斑马鱼胚胎发育的复合毒性效应

研究了甲苯和二甲基亚砜(DMSO)对斑马鱼胚胎生长、发育的毒性效应.实验结果表明:低剂量的甲苯(0.05%)单一暴露对斑马鱼胚胎发育有一定毒性,DMSO(0.45%)对斑马鱼胚胎无明显毒性;但甲苯与DMSO具有较强的复合毒性效应,随着DMSO含量的增加,与甲苯单一暴露组相比,斑马鱼胚胎死亡率显著增加、胚胎孵化率下降、胚胎发育迟缓并生成大量畸形;但甲苯以及甲苯和DMSO复合物对人胚肾HEK-293细胞株和人胃癌SGC-7901细胞株的活力均没有明显效应.DMSO可通过提高甲苯在水中的分散性,增加甲苯的神经毒性,但对离体实验模型无显著效应,故在选择不同生物模型评估有机污染物毒性效应时,需考虑不同类型助溶剂所产生的复合效应,以减少实验误差.     

基于斑马鱼全生命周期毒性测试的研究进展

作为一种模式生物,斑马鱼具有很多优点,包括体积小、成本低、适应性广、繁殖周期短、胚胎透明且产卵量高等,因而被广泛应用于生态毒理学等领域。斑马鱼的生命阶段主要包括胚胎、仔鱼和成鱼3个阶段。近年来,斑马鱼全生命周期的毒理学研究所占比重不断上升并呈稳定增长的趋势。本文对斑马鱼3个生命阶段及整个生命周期的毒性试验展开综述,介绍了斑马鱼全生命周期实验在毒理学中的研究进展,总结了各生命阶段国内外的标准规范和资源库信息、毒理学终点及转基因斑马鱼的研究进展,归纳了多阶段毒性评价和整个生命周期毒性评价的应用。最后,对全生命周期和基于斑马鱼毒性测试的应用做出展望,对未来开展的相关研究提出建议。     

定量有害结局路径(qAOP)评估环境化学物质毒性的研究进展Ⅱ:类二噁英物质及AhR-qAOP

环境中不断检出具有二噁英结构并存在潜在生物毒性的新型污染物类二噁英物质(dioxin-like compounds,DLCs),识别并评估其生态与人体毒性对化学品风险防控具有重要意义.传统的化学品毒性测试方法已不能满足评估大批环境化学物质风险的需求,基于芳香烃受体(aryl hydrocarbon receptor,AhR)的有害结局路径(adverse outcome pathway,AOP)为准确评估潜在DLCs的生态与健康风险提供了新的策略.为指导预测新型DLCs的毒性,需在定性AhR-AOP基础上发展定量AOP.本文综述了AhR-AOP的研究现状,并总结了"AhR激活-胚胎毒性"定量AOP的最新进展,包括定量模型的开发、相关体外测试技术、对新型DLCs和不同物种的危害评估的适用性等.最后探讨了AhR-qAOP发展过程中的问题与潜在解决方案,对其应用于DLCs生态危害与风险评价的前景进行了展望.     

大数据挖掘和机器学习在毒理学中的应用

随着高通量筛选技术的快速发展,化学品的毒性相关信息与日俱增。现今快速发展的数据挖掘技术和机器学习等计算机方法为化学品的毒性预测和风险防控提供了新途径。有害结局路径(adverse outcome pathway, AOP)将化合物的结构、分子启动事件和生物的有害结局建立关联,为污染物的毒性测试、预测和评估提供了新的模式,最终实现风险评估并应用于管理决策。定量结构-活性关系(QSAR)建模、分子模拟以及多组学技术在AOP的各个方面发挥了重要作用。基于此,本综述主要介绍数据挖掘与机器学习在毒理学中的应用方法,涉及QSAR建模、分子模拟及组学等方面,并结合实例分析系统阐述了当前研究的重点与方向,以更好地适应当前大数据时代的研究背景。     

污染场地河道底泥浸出液对斑马鱼胚胎的毒性效应

为了评价某污染场地河道底泥对水生生物的毒性效应及其潜在生态风险,以斑马鱼(Brachydanio rerio)为受试生物,进行了河道底泥浸出液对斑马鱼胚胎的发育毒性实验。结果表明,5种底泥浸出液(A1、A2、A3、A4、A5)对斑马鱼胚胎的发育均有毒性效应,浸出液对斑马鱼胚胎的死亡率存在一定的剂量-效应关系,随着浸出液体积分数的增加,死亡率显著上升。浸出液对胚胎孵化抑制作用明显,随着浸出液体积分数的增加,孵化率显著下降。且能引起斑马鱼胚胎多种中毒症状,如水肿,鱼体弯曲,发育不全等异常现象,表明该段河道底泥存在潜在的生态风险。因此,在后期的污染场地河道整治中,需对河道底泥进行挖掘清理和无害化处理。     

五氯酚和八氯代二苯并二嗯英复合暴露对斑马鱼胚胎发育的毒性效应

为了评价环境中五氯酚(PCP)和八氯代二苯并二嚼英(OCDD)对水环境以及鱼类的影响,以斑马鱼为模式生物,研究了PCP和OCDD对其胚胎发育的单一及复合毒性效应.结果表明,PCP单独暴露(浓度25μg·L-1～5mg·L-1)对斑马鱼胚胎发育具有较强的毒性效应,可导致胚胎孵化率显著下降,死亡率、畸形率显著上升,而OCDD单独暴露(200、500μg·L-1)对斑马鱼胚胎发育没有明显的毒性效应;OCDD与环境浓度的PCP复合暴露(OCDD PCP1:250μg·L-1 25μg·L-1;OCDD PCP2:250μg·L-1 50μg·L-1)对斑马鱼胚胎的存活与发育等没有显著影响,对斑马鱼胚胎内CYP1A基因表达以及超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)的酶活力也没有显著影响,在实验浓度下二者共存没有明显的复合毒性效应.     

基于斑马鱼和发光细菌评估制革废水毒性及其削减效率

随着制革工业在我国的迅速发展,其导致的环境污染问题也逐渐受到人们的广泛关注。为评价制革废水的生物毒性以及处理工艺对毒性的削减效率,选择费氏弧菌、明亮发光杆菌、斑马鱼幼鱼及其胚胎作为受试生物,分析了制革废水的急性毒性和发育毒性,比较了不同受试生物对制革废水毒性的敏感性,并结合理化指标对废水的毒性削减进行了评估。结果表明:不同受试生物的敏感性大小为斑马鱼胚胎明亮发光杆菌斑马鱼幼鱼费氏弧菌明亮发光杆菌斑马鱼胚胎斑马鱼幼鱼费氏弧菌;发光菌及斑马鱼幼鱼急性毒性实验结果表明,制革废水经过整个工艺处理后,废水的急性毒性已降至检测线以下,即0TUa;斑马鱼胚胎毒性实验结果表明,经过处理的制革废水仍存在急性毒性,基础毒性当量为0.5 TUa,同时还对胚胎的发育存在一定影响,对胚胎孵化及畸形的毒性当量分别为0.7 TUa和0.13 TUa。综上可知,处理后的制革废水对环境的影响已得到初步的有效控制,但仍需进一步处理以达到更大程度削减毒性的目的。     

化学品生态毒性测试鱼类模式生物的应用与展望

水生生物毒性测试广泛应用于评估化学品的水生态环境安全,而鱼类生态毒性数据为水生生态风险评估与风险管理提供基础。本文总结了现有的鱼类水生毒性测试标准及常用的物种。阐述了常用水生鱼类模式生物,如斑马鱼Danio rerio、青鳉鱼Oryzias latipes、黑头软口鲦Pimephales promelas等作为模式鱼类的特征及在生态毒性测试中的应用。环保部7号令推荐稀有鮈鲫Gobiocypris rarus作为中国本土生物在水生毒性测试中使用。目前公开发表的利用稀有鮈鲫的水生毒性研究多集中在急性毒性方面,对其他类型的研究如法规毒理相关的长期慢性毒性有待开展。     

地表水中抗生素复合残留对水生生物的毒性及其生态风险评价

针对上海地区地表水中混合并持久残留的抗生素对水生态的危害,测试了3种主要被使用的抗生素(磺胺甲恶唑,SMZ;土霉素,OTC;氟苯尼考,FF)对4个不同营养级的水生生物代表种(蛋白核小球藻、费氏弧菌、大型蚤和斑马鱼胚胎)的单一毒性和联合毒性,并进一步对生态风险进行评估来探究抗生素对水生态系统的综合作用。研究表明:水生生物对单一抗生素暴露的毒性敏感顺序为:蛋白核小球藻斑马鱼胚胎费氏弧菌大型蚤。用联合指数(CI)来评价抗生素二元混合物之间的相互作用时发现对于不同水生模式生物,抗生素之间的相互作用方式以拮抗作用(CI1)为主。通过与浓度加和(CA)和独立作用(IA)2个传统模型的预测效果比较,发现CI模型能准确预测到抗生素联合毒性偏离相加作用。由于养殖废水中这3种抗生素的含量均远高于其他水体(如黄浦江、长江口、工厂废水),其对不同营养级的水生生物均表现出较高的风险性,需要对养殖废水采取相应的风险削减措施;相比之下,其他水体中抗生素对费氏弧菌、斑马鱼胚胎、大型蚤均表现出低风险,但是对蛋白核小球藻仍具有一定的风险性,需要警惕抗生素对水体初级生产者的风险性。     

组合指数在环境混合物联合毒性研究中的初步应用

化学品在实际环境中总是以组分繁杂多变的混合物形式存在,其混合物的毒性评估与预测一直是环境毒理学研究重点。在环境毒理学领域,浓度加和(concentration addition,CA)及独立作用(independent action,IA)是评估与预测化学混合物联合毒性的经典模型,一般认为CA适用于作用模式相似的混合物体系而IA适用于作用模式相异的混合物体系,但如何使用CA与IA一直存在争议。组合指数(combination index,CI)是在半数效应方程基础上发展起来的不依赖于作用模式的用于混合物联合毒性评估的混合物毒性指数,具有坚实的理论基础,不仅能定性地评估毒理学相互作用,也能定量地评估相互作用的大小,已在药物组合研究中得以广泛应用,近年来已引起环境毒理学研究者兴趣。本文就组合指数及药物组合应用、进入环境毒理学领域、与CA及IA的关系、存在的问题等几个方面进行评述,以期推进CI在化学混合物毒性评估与预测领域中的应用。     

紫外吸收剂在湖泊中的分布及其对底栖动物的毒性效应

紫外吸收剂大量用于工业材料和个人护理品中,近年来在水体中不断被检出,同时由于其高度亲脂性,易在底泥和水生生物体内富集,产生潜在的毒性效应,已成为一类新型污染物。本文综述了紫外吸收剂在湖泊环境中的分布和生物富集效应,重点分析了二苯甲酮类等典型紫外吸收剂对底栖动物的药物代谢系统、抗氧化系统及其生长发育的影响及其毒性作用机制,并对未来该领域的研究进行了展望。     

评估斑马鱼胚胎毒性试验在农药危害筛选中的应用

考虑到人类社会中大量使用化学物质，想要准确有效地评估这些化学物质对人类和生态受体的潜在风险，研发有效的手段和方法是至关重要的。鱼胚胎急性毒性试验是其中一种工具，已表现出与幼鱼急性毒性标准试验的预测结果高度吻合，而幼鱼试验对资源消耗更多。然而，也有证据表明，对于某些类型的化学物质，包括神经毒素，鱼类胚胎的敏感性低于幼鱼。本文利用已发表的斑马鱼胚胎毒性数据，与3种常用检测用鱼幼鱼(虹鳟鱼、蓝鳃太阳鱼、羊鲷)的半致死浓度50%(LC₅₀)数据进行比较，研究了鱼类胚胎对农药危害评估的效用。在将农药视为单因素的情况下，斑马鱼胚胎和幼鱼毒性数据相关性较差，差异显著(r²=0.28；p2=0.64；p 精选自Glaberman, S., Padilla, S. and Barron, M. G. (2017), Evaluating the zebrafish embryo toxicity test for pesticide hazard screening. Environmental Toxicology and Chemistry, 36: 1221–1226. doi: 10.1002/etc.3641
详情请见http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/etc.3641/full
     

Systemic risks of genetically modified crops: the need for new approaches to risk assessment

Background

European chemicals legislation (registration, evaluation, authorisation and restriction of chemical substances (REACH)) requires a broad assessment of chemicals with respect to, inter alia, their health-relevant properties. Due to the extreme number of substances to be assessed and the limited current toxicological knowledge on their respective properties, REACH implicitly requires a paradigm change: away from knowledge generated mainly from costly animal experiments towards the use of mechanistic findings. Moreover, effect mechanisms at the biochemical or cellular level are essential when conclusions shall be drawn about "new" endpoints and mixtures of xenobiotics. This study (funded by the German Federal Environment Agency) describes examples of biochemical processes in the mammalian organism and how xenobiotics interfere with them. Interference with physiological processes expected to lead to adverse health effects is characterised as "toxicity pathway". The study describes toxicological endpoints not usually covered in routine animal testing and the respective toxicity pathways.

Results and conclusions

Screening for chemicals which exert effects via common toxicity pathways and subsequently conducting targeted short-term tests may generate new information about the toxicity of chemicals without performing extensive substance-by-substance animal experiments. Information on common toxicity pathways may also provide input for the assessment of mixture effects. The U.S. Environmental Protection Agency is working intensely on this concept. It involves the use of enormous amounts of data on relevant biochemical and cellular processes, which are generated by "high-throughput screening" methods, and then are combined with substance-specific kinetic data, experimental apical test outcomes and modelling. Current limitations in the regulatory use of this integrated approach on risk assessment will be outlined.     

Acute toxicity of industrial endocrine-disrupting chemicals,natural and synthetic sex hormones to the freshwater planarian,Dugesia japonica

Many chemicals commonly occurring in surface water are found to be hormonally active. Fourteen compounds including four sex hormones, three synthetic hormones, one non-steroidal anti-androgen, and six industrial endocrine-disrupting chemicals were selected to examine their acute toxicities on the freshwater planarian, Dugesia japonica. Among all test chemicals, diethylstilbestrol had the highest toxicity. Relatively, the toxicities of the synthetic hormones were higher than the natural ones. Among the six industrial endocrine-disrupting chemicals tested, bisphenol A was the most toxic, with a 48-h LC₅₀ of 8.3 mg L^?1. Overall, the natural or synthetic hormones, other than estrone and estriol, were more acutely toxic to planarians than the industrial endocrine disruptors tested. The acute toxicities of the test chemicals to Dugesia japonica were in the same order of magnitude as those to Daphnia magna based on available published data. Despite this study used non-environmentally relevant levels, such kinds of chemicals do not exist singly in the aquatic environment, but typically act in synergistic and/or additive ways in the complex environmental mixtures, and the total estrogen equivalents are much higher than a single chemical. This study stands as a starting point for other acute and chronic assays, namely using mixtures.