孟紫强：生态毒理学的历史与展望

作者系山西大学环境与资源学院资深教授。

生态毒理学发展及其内涵可分三个阶段论述：

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20世纪60年代-生态毒理学研究的起源

第一次绿色浪潮始于20世纪60年代后五年，大范围的严重的污染问题成为其焦点。生态毒理学问题首当其冲：环境中的DTT及其它杀虫剂通过食物链生物放大而导致肉食鸟类（尤其是鹰）的数量急剧减少；在海豹体内意外地发现有多氯联苯（PCB）的残留物；大气污染和水污染危害人体健康的事件不断发生。毫无疑义，Rachel Carson的著作《寂静的春天》（《The Silent Spring》）的出版对这次绿色浪潮起到了推动作用，引起了全社会对环境中的杀虫剂及其它有毒有机化学物的关注。日本水俣病和骨痛病的研究，引起了对环境重金属污染的重视。

在第一次绿色浪潮之前，生态学几乎是一门没有社会根源的学科，如果问一个街上行人“什么是生态学？”，他完全不知道该如何回答，而今天这是任何在校学生知道的一个词或概念。大多数人甚至今天都不知道“生态毒理学”这个词，但却能猜到这是生态学和毒理学的结合，是一种关于环境毒物与自然界生物体及生态系统相互作用的学科。今天，在许多文科、理科、工科的一些学科前都以冠之以“生态”一词而“时尚”，几乎没有任何一个行业不想与“生态”结缘，甚至在声乐这一行里也有“原生态唱法”出现。“生态”成了追求“现代”的标志词。因此，第一次绿色浪潮不仅是一次浪潮，而是一次绿色革命。它从根本上全面冲击着人类的思想理念，成为现代人的一种标志。

说是一次绿色革命，还因为它在一定意义上改变了科学技术的基本观点。在20世纪50年代和20世纪60年代早期，对科学技术的快速发展充满乐观，以为人类即将永久性地解决能源问题（如核能源将会被完全利用），以为技术和科学将会解决几乎全部人类关心的关键问题，过上今天无法想象的高标准的生活。科学家是如此的天真以至于他们真的相信有发现世界方程式的可能性—一个能描述所有基本的物理和化学作用力的方程式！

然而，污染问题突然爆发了。由于科技的飞速发展而产生的令人不悦的副作用突然降临。因为这是完全没有被我们注意到和料想到的。在20世纪60、70、80年代期间，科学家逐渐认识到自然界要比先前所认为的复杂得多。不是每件事都可以转化为实验室的试验。Wolfram论述了不可复归系统，大多数生物系统都属于这类系统。生态毒理学属于由于技术对复杂的天然系统的不利效应而出现的新科学之一。我们应当承认自然的（或其它的）系统如此复杂以至于要达到对这些系统的所有细节的理解是不可能的。就像我们在核物理中已经了解的那样，所有的观察总是有一个不确定度，这是由于我们对微小的核粒子的观察力有限所致。我们不得不承认，在我们描述生态学规律中，由于自然系统及其过程如此复杂，将会不可避免地有一定程度的不确定度。

然而，上世纪60年代，生态毒理学的研究开始尝试揭示环境污染物处理过程中的尽可能多的细节。这些研究指出了一些环境污染物的性质和环境行为。生态毒理学研究的终极目标就是确定所有我们关心的环境污染物（大约10万种可能对环境不利的化学物）在自然界中的所有转移和转化过程，这几乎难以做到。因此，我们不得不寻找另一种模式或方式方法去研究所有环境污染物及其所有转化过程的细节。这正是20世纪70、80年代生态毒理学讨论的焦点之一。

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20世纪70年代-生态毒理学模型的建立与发展

当我们进入20世纪70年代，一些至关重要的生态毒理学问题摆在了世人面前。首先在工业发达国家，DDT的使用被禁止，汞的一些应用被禁止，PCB的开放应用也被禁止。在美国20世纪70年代后期开始使用无铅汽油，日本紧随其后，但欧洲由于德国、意大利、法国及英国有发达的汽车工业而较为犹豫。然而，在稍后的20世纪80年代西欧国家也开始使用无铅汽油。

20世纪70年代初期，国际上对污染问题的解决办法仍然是“末端治理技术”，即对生产过程末端排放的污染物进行治理。当时已经清楚“末端治理技术”无法完全解决环境污染问题。为此，一方面美国在1985年宣布工业生产实现“零”排放，从生产的源头进行治理；另一方面，不得不依赖大自然的自净过程，以消除环境污染物。在那时，处理环境污染物的生态学模式，它的主要含义是：城市化、工业化及科技发展所带来的化学物及其扩散，对环境过程造成很大影响，设计一个环境污染过程与其影响因素之间相联系的模型。为了获得一个未受干扰或几乎未受干扰的环境，根据这一模型制定减少化学物排放量策略，选择一种能够充分地减少该类化学物排放的可行的环境技术。这一模型也指明，生态系统的自净能力可被考虑作为一种环境治理策略的选择，显然这对污染的治理更加切实可行。相反，如果不采用生态系统自净的方法而单独应用“零排放”和环境技术对所有国家包括美国在内都是代价高昂的。

20世纪70年代早期，环境治理模型的使用才得到广泛承认。70年代后期，生态毒理学的第一个模型出现了。80年代初期在哥本哈根召开了有关生态毒理学模型的第一次国际会议。生态毒理学模型在毒物扩散的环境治理中很快成为一个有力工具。生态毒理学模型的两种可行的方法（或类型）在这个时期同时得到了发展：偏重于生态学的方法和偏重于化学的方法。生态学的方法主要关注的是在生态系统中受毒物影响的一些过程及这种过程所导致的在生态系统中毒物的分布。而化学的方法把重点集中在化学物的性质与其在环境中分布的关系。关键问题是：环境污染物会在哪里累积？它们会迁移吗？它能被生物分解吗？这些问题的回答是揭示环境污染物归宿或命运的关键。化学方法和生态学方法是相辅相成的：它们不但能回答上述关键问题，它们还能使我们了解到环境的哪一部分受到化学物的威胁，我们可以允许或必须禁止那些化学物以何种浓度被排放进入环境。这两种类型的生态毒理学模型将会得到更加广泛的应用和发展，它们之间将有更多的相互交融。化学模型将包含越来越多的生态学部分；生态学的模型将更多强调重要毒物的化学性质。

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20世纪80年代-三个标志性发展

20世纪80年代以来，在生态毒理学上有三个突出的标志性研究，即生态危险度评估（又称生态风险评价）、环境污染物的生态毒理学性质评估及生态系统生态毒理学的研究。

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生态危险度评估的发展

20世纪80年代，三个重要的发展从根本上改变了环境治理，包括生态毒理学问题的治理。扩散污染（diffuse pollution）的重要性被评估；使用清洁技术（clear technology）的需要被强调；除了地方和地区性的环境污染之外，全球性的污染（global pollution）问题受到关注。这些发展如何影响和改变环境治理策略，包括对生态毒理学问题治理的改变，讨论如下。

主要来自农业的扩散污染主题，直到20世纪70年代后期才被提及。与工业相反，之前一直认为农业是对自然友好的。肥料和杀虫剂的强化是用来增加单位面积在单位时间内的产量，从根本上改变了农业的传统形象。通过环境技术可能从废水中除去杀虫剂和其它有毒有机化合物。但是，大量的有毒化学物通过农业活动作为扩散污染物进入环境，污染物和难以降解化合物在环境中蓄积及其联合作用的问题，将无法依靠环境技术加以解决。怎么处理非点污染物？为了维持工业化的农业，非点污染问题的解决要比点污染问题的解决更为复杂和艰难。因此，必需采用多元的综合方法，称为生态技术或生态工程学。这涉及许多方法和技术的同时使用，包括使用天然生态系统和农业区系之间的缓冲地带、新一代杀虫剂的研制、杂草和食草昆虫的生物控制，以及发展全新的生态农业（禁用杀虫剂与化学肥料等）。

    清洁生产技术的替代，即如果一个生产技术包含的废物排放是环境所不可接受的，它就应该被其它的技术—清洁生产技术所替代。对环境危害很小的新一代杀虫剂的发展就是一项清洁技术。以前，生产方法的选择没有考虑伴随生产的污染问题，而是宁可选择最容易控制、成本最低、生产质量和产量最高的方法。“污染者付费”（the polluter must pay）原则的使用，绿色税收（green tax）的应用，要求和鼓励引入新的、更加清洁的生产技术，使之比以前应用的方法更低和/或更可接受的排放。这是一个极其重要的进步，因为我们在生产技术的选择上考虑了环境。对环境的影响将会成为整个工农业生产中的决定性因素。目前我们看到的只是冰山一角，根据这种观念，可以预见整个社会将被改变。

20世纪80年代以来，全球性污染问题已经得到越来越多的关注。最主要的是两个大气污染问题：温室效应和臭氧层的减少。它们与复杂的生态毒理学问题有很大关系。能与臭氧反应的几种已知化学物已被许多国家禁止使用，而且已经达成国际协议，限期内禁止或减少它们在各国的使用。

由于这三种发展趋势（生态工程、清洁技术及全球性污染）的引入和接受，环境治理已经变得非常复杂，环境治理向一个越来越复杂的方向发展是不足为怪的。为了解决环境污染这一复杂问题，应根据环境问题中化学物的特性及所涉及的生态系统来选择治理的方法和技术。毫无疑问，环境技术仍然是一个有力的工具，但是必须与其它多种技术配合进行综合治理，才能更有效地发挥作用。

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环境污染物生态毒理学性质的评估

生态毒理学涉及的生态系统非常复杂，对某一重要生态毒理学问题的所有生态成份和过程的细节都要了解是不可能的。例如，大约有100,000个化学物被当今社会所使用，需要知道每种化学物的物理化学性质：蒸发率、水溶性、脂溶性、酸碱性、氧化还原性质、光化学性质、与空气和水的反应能力等等，至少有25种性质；又假定地球上超过五百万个物种而以25,000个物种所代表，每个在与化学物交互作用中至少需要了解10个参数（性质）：摄取率、排泄率、毒性作用、亚致死效应及各个不同器官的蓄积能力等。测量这样多的参数显然是不可能的。如果我们在21世纪通过测量来评价化学物的环境性质，即使到公元生态毒理学2100年也不能为今天正在使用的100,000个化学物给定所有的环境性质细节。自1982年欧盟要求所有化学合成新产品都必须了解其所有环境性质以来，化学工业只开发非常少的新产品。然而不可改变的事实是，对1982年以前已经产生的100,000个化学物，只有非常有限的认识。解决这种困境的方法有两个，关闭化学工业或通过模型来评估化学物的性质。现实社会选择了后者。

因此，最近20年来人类在评估方法的研究上取得了很大进展。通过建立模型的方法，为一些尚不能测量的化学物的许多性质作合理评估。这些模型可分为两类，一类是化学的方法，另一类是生态毒理学的方法。化学的方法是根据结构和分子式相似的化学物其化学性质也相似的理论而建立的，被称为定量结构-活性关系（quantitative structure-activityrelationship，QSAR）研究和结构-活性关系（structure-activityrelationship，SAR）研究。目前这种方法仍在发展中，而且分子连接性概念的引入使估计参数的不确定度大为减小。生态毒理学的方法则基于这样的原则：即生物有机体和环境的相互作用与该有机体的表面积相关，这就是说生物有机体的体积大小（size）与一些重要参数相关，如吸收率、排泄率、生物浓缩/富集系数（速率）及生态放大因子（速率）等。这意味着，当知道了一个有机体的上述参数（速率）时，就能根据其它生物有机体体积的大小（size）对其进行上述参数的估算。

在评估过程中，要考虑各个参数间的相关性。其中水溶解度（Sw）、K_OW（一般指正辛醇/水分配系数）是核心参数，因为它们对环境中许多过程的定量描述是非常重要的，同时它们也是许多其它参数估算的基础，尤其是生物参数。

一般来说，物理化学参数的估算有10%－25%的不确定度；生物学参数（在水和土壤中的生物蓄积、生物富集系数（BCF）及生物降解作用）有20%－50%的不确定度；而生态毒理学参数的估算则有40%－200%的不确定度。原则上，从化学物的化学成分估算其物理化学参数（如水溶解性和K_OW等重要参数），然后从估算的物理化学参数再去评估生物学参数和生态毒理学参数是可能的。然而，估算者的知识越渊博，对参数了解越详尽，则对未知参数的估算就越准确，估算的不确定度就越低。例如，如果在估算时对化学物的沸点和亨利常数也加以考虑的话，就可以大大提高对该化学物其它理化参数和生物参数估算的准确性。

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生态系统生态毒理学的研究

生态毒理学不仅关注毒物对生物个体和群体水平上的效应，也关注对生态系统甚至更高层次上的效应。最近20年来，科学家不断从生态系统水平研究生态毒理学问题。如果把生态系统视为一个生态“网络”的话，网络的重要性就在于它能把生态系统中各成分之间整合在一起，同时它还要把这些生态系统中的成分与物质循环、能量循环及信息循环整合在一起。生态系统生态毒理学的研究使我们对有毒有害因子的生态毒理效应有了更正确、完整的认识。

热力学被广泛应用于生态系统基本性质的描述和探索中。例如，生态系统缓冲能力的大小、生态系统中结构数量的多少、以及贮存在生态系统中的信息情况、它们对毒物生态毒理学效应的影响等，均可以采用热力学的理论和方法进行研究。

近年来，生物标志物（Biomarkers）的研究和进展，对濒危物种种群暴露（包括亚致死暴露）剂量或浓度的评估有很大改善，提高了环境污染物慢性暴露危害作用评估的准确性。必须强调的是，一个生态系统的性质不等同于它的各个成员性质的简单总和——在生态毒理学上一个广泛的被误导的概念。自然群落是由数以千计的物种集合而成的，它们之间的关系非常复杂，它们处在动态平衡之中，不但物种之间相互作用，而且物种与非生物环境之间也处于相互影响、相互作用之中。

广泛应用于化学物的危险度评价（riskassessment）往往是以复杂的模型为基础。在生态毒理学评价中，应当增加这些危险度的评价，即：①种群大小（size）和密度的变化；②多样性和物种丰度的变化；③对物种频率分布的影响；④对生态系统之生态结构的影响。对化学物生态毒理学评价是以长期观察和研究为基础的。生态系统健康性和完整性的科学内涵还需要深入研究，对生态系统健康性和完整性进行评价的指标体系有待完善，对生态系统的脆弱性能否改变及如何改变的问题尚待回答。生态毒理学迫切需要突破。为此，需要新概念、新方法及新的创造性思想为这种突破提供准备和条件。当代生态毒理学研究工作者面临着巨大挑战和广阔机遇，具有无限美好的前景。

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我国生态毒理学的发展和展望：

与西方工业发达国家相比，我国环境来自工业生产的严重污染较晚。1980年代初期以来环境污染在我国逐渐严重，开始引起社会的广泛关注。我国毒理学工作者从20世纪70年代起，从保障人体健康、开展环境生物监测与环境治理出发，从哺乳动物、鱼类、昆虫到植物、微生物等不同物种，对常见化学物的毒理学问题进行大量研究，促进了环境毒理学的发展，也为生态毒理学的发展提供了理论基础。与此同时，开展了环境污染物对动、植物危害的生态学调查，以期阐明环境污染对生态平衡等方面的影响；开展了环境污染对动、植物形态解剖和生理生化方面的试验研究，以期探讨其作用机理并筛选用于环境监测的敏感植物和用于污染区绿化的抗污染或耐污染植物，这些植物包括野生的和栽植的乔木、灌木、草本和花卉等不同种类。如同生态学和毒理学的发展一样，生态毒理学也遵循着同样的发展轨迹：即从调查描述阶段逐渐进入精确试验阶段；研究的内容也由有害因素对食物链作用的调查分析，发展到进行有害因素对生态系统损害本质的研究。

近20年来，随着工农业发展和生态保护的需要，对生态环境中的有毒有害因素的研究越来越广泛、深入，更多的有害因素被发现、被研究、被合理应对；在对单一有害因素生态效应重视的同时，当前更为重视环境不同有毒有害因素的联合作用的生态效应；在重视某些有害因素短期内高浓度污染环境而造成的急性毒性作用的同时，近年来对毒物低浓度长期暴露的慢性生态效应的研究已引起广泛重视；在重视有害因素对生物个体生态毒理学效应研究的同时，近年来也开始研究毒物对生物种群、群落及生态系统损伤效应的研究；在重视生态毒理学试验用模式生物的筛选和构建的同时，近年来也开始对生态系统健康标准及其生物标志物进行研究；随着环境毒理学生物标志物研究的进展，环境有害因素对生态系统危害的生态毒理学标志物的研究近年来也受到重视。由于生态系统一旦受到损害之后再恢复到原来的形态是非常困难、几乎是不可能的，因此确知能代表生态系统健康水平的生物标志物及警示生态系统早期损害问题的生物标志物，对于生态系统损害的早发现早防治，使生态系统及时得到保护而持续健康发展是非常重要的，对于观察受损害生态系统的恢复能力和恢复水平也具有重要的应用价值。

生态毒理学模型的研究一直是生态毒理学研究的核心内容之一，它对于环境污染物生态毒性的预测，对于生态危险度评价，对于生态系统的健康状况、受危害程度、恢复水平以及可持续发展的潜力等的了解都具有实际价值和理论意义。近年来，构建生态毒理学模型的研究取得了而且正在取得更大的发展，以环境化学理论和方法与以环境生物学理论和技术构建生态毒理学模型的两种途径正走向融合交叉，取长补短、相互补充，从而建立更加完善合理的生态毒理学模型。

在重视非人类生物物种的生态毒理学研究的同时，鉴于人类在生态系统中的特殊地位，近年来也开始重视人类生态毒理学方面的研究。例如，人类的生产、生活活动对生态系统作用的研究，生态环境与人群疾病的研究，某些疾病在动物与人之间相互传播的情况，及疾病与环境有害因素，尤其是与生物因素之间的关系等。

[转发后感：本文是14年前所写，鉴于当时学科发展状况，对现代分子生态毒理学和国内生态毒理学发展论述较少。如果有朋友需要了解这方面的情况，可以阅读最新出版的《环境毒理学》（孟紫强主编，中国环境出版集团，2019），该教材是普通高等教育“十三五”规划教材]。

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