第一章　緒論

第一節　農藥環境毒理學的幾個基本概念

一、自然環境與生物圈概念

1.自然環境

自然環境（environment）指周圍所在的條件，對不同的對象和學科來說，環境的內容也不同。生物學所定義的環境是生物生活周圍的氣候、生態系統、群體和其他種群的總稱。《中華人民共和國環境保護法》對環境的定義為：影響人類生存和發展的各種天然的和經過人工改造的自然因素的總體，包括大氣、水、海洋、土地、礦藏、森林、草原、濕地、野生生物、自然遺跡、人文遺跡、自然保護區、風景名勝區、城市和鄉村等。人類生活的自然環境，主要包括巖石圈、土圈、水圈、大氣圈、生物圈，其中與人類生活關系最為密切的是生物圈。

2.生物圈

地球上所有的生物與其環境的總和稱為生物圈（biosphere），是指地球上凡是出現并感受到生命活動影響的地區，是地表有機體包括微生物及其自下而上環境的總稱，是地球特有的圈層。它也是人類誕生和生存的空間。生物圈是地球上最大的生態系統。它的范圍是：大氣圈的底部、水圈大部和巖石圈表面。

二、環境問題

（一）人類發展與環境

在人類剛出現時，原始人類依靠生物圈獲取食物來源，在狩獵和采集食物階段，人類和其他動物基本一樣，在整個生態系統中占有一席位置。但人類會使用工具，會節約食物，因此，人類占有優越的地位，會用有限的食物維持日益壯大的種群。

在畜牧業和農業階段，人類已經改造了生物圈，創造圍繞人類自己的人工生態系統，從而破壞了自然生態系統，隨著人類不斷發展，數量增加，不斷地擴大人工生態系統的范圍，由于地球的范圍是固定的，自然生態系統不斷地縮小，許多野生生物不斷地滅絕。

從人類開始開采礦石，使用化石燃料以來，人類的活動范圍開始侵入巖石圈。人類開墾荒地，平整梯田，尤其是自工業革命以來，大規模地開采礦石，破壞了自然界的生態平衡。

自20世紀后半葉以來，由于人類工農業蓬勃發展，大量開采水資源，過量使用化石燃料，向水體和大氣中排放大量的廢水廢氣，造成大氣圈和水圈的質量惡化。

（二）化學農藥的環境問題

20世紀上半葉發展起來的化學農藥，在農業現代化進程中發揮了極其重要的作用，特別是在高效防治農作物的病蟲草害和其他有害生物，保障糧食豐收，維系世界和平與穩定上功不可沒。但由于過量使用，加上化學農藥自身毒性問題，造成了越來越嚴重的環境問題，最為突出的是農藥“3R”問題，即抗性（resistance）、殘留（residue）和害蟲再猖獗（resurgence）。化學農藥是人類合成的，屬外來生物活性物質，它能引起機體形態、機能、生長發育和壽命的改變，或引起機體平衡穩態失常及生物功能的降低，或引起機體對外界應激狀態代償能力的損傷、致易感性增高，或生理、生化代謝異常。越來越嚴重的環境問題，引起人類的關注，從而使得環境保護事業開始出現。

首先是1962年美國科普作家Rachel Carson（蕾切爾·卡遜）創作的科普讀物《寂靜的春天》（Silent Spring）一書出版。在這本書中，卡遜以生動而嚴肅的筆觸，描寫因過度使用化學藥品和肥料而導致環境污染、生態破壞，最終給人類帶來不堪重負的災難，闡述了農藥對環境的污染，用生態學的原理分析了這些化學殺蟲劑對人類賴以生存的生態系統帶來的危害，指出人類用自己制造的毒藥來提高農業產量，無異于飲鴆止渴，人類應該走“另外的路”。該書將近代污染對生態的影響透徹地展示在讀者面前，給予人類強有力的警示。號召人們迅速改變對自然世界的看法和觀點，呼吁人們認真思考人類社會的發展問題。另外，她記錄了工業文明所帶來的諸多負面影響，直接推動了日后現代環保主義的發展，從而引起全世界的關注，使得環境保護事業開始出現，新的環境保護和環境毒理學科相繼誕生。

在行動上，20世紀70年代開始，世界各國相繼停用高殘留的滴滴涕（DDT）、六六六等有機氯農藥。

1972年6月5日在瑞典首都斯德哥爾摩召開聯合國人類環境會議，會議通過了《人類環境宣言》，并提出將每年的6月5日定為“世界環境日”。同年10月，第27屆聯合國大會通過決議接受了該建議。世界環境日的確立，反映了世界各國人民對環境問題的認識和態度，表達了人類對美好環境的向往和追求。

2001年5月22日，127個國家和地區的代表在瑞典首都斯德哥爾摩簽署了《關于持久性有機污染物的斯德哥爾摩公約》。持久性有機污染物的英文為persistent organic pollutants，所以該公約也被稱為POPs公約，2004年11月11日，該公約正式對中國生效。

持久性有機污染物（POPs）是指人類合成的能持久存在于環境中，通過生物食物鏈累積，并對人類健康及環境造成有害影響的化學物質。這些物質在環境中不易降解，存留時間較長，可以通過大氣、水的輸送而影響到區域和全球環境，并可通過食物鏈富集，最終嚴重影響人類健康。這些物質可能造成人體內分泌系統紊亂，生殖和免疫系統受到破壞，并誘發癌癥和神經性疾病。與常規污染物不同，持久性有機污染物對人類健康和自然環境危害更大。這些有機污染物能夠沿著食物鏈傳播，在動物體內的脂肪中富集。它們還會引起過敏、先天缺陷和癌癥，以及誘發免疫系統和生殖器官的疾病。它們都屬于環境激素，即使濃度極小，也會影響人類的內分泌系統。這些污染物已經在土壤和水中長期存在，不僅難于生物降解，而且流動性很強，能夠傳播到世界各地，包括南極和北極。研究表明，持久性有機污染物對人類影響會持續幾代，對人類生存繁衍和可持續發展構成重大威脅。首先消除的12種POPs中，8種是有機氯殺蟲劑。根據公約規定，締約方須在公約對締約方生效當日起計的兩年內制定國家實施方案并盡快組織實施。

2004年2月24日，《關于在國際貿易中對某些危險化學品和農藥采用事先知情同意等程序的鹿特丹公約》（簡稱《鹿特丹公約》）正式生效。從2005年6月20日起，我國將全面執行《鹿特丹公約》，因其核心內容是實行事先知情同意程序（prior informed consent procedure），因而該公約也稱為《PIC公約》，農藥出口企業在出口《鹿特丹公約》限定的農藥品種時，應預先告知進口國，并服從進口國的進口決定。

這些公約的實施，使許多國家對農藥殘留限量要求成倍提高，并相繼禁用高毒高殘留農藥。昆蟲生長調節劑等非直接殺傷型農藥得到了迅速發展。

為了最大限度發揮化學農藥的作用，減少對環境的影響，根據農藥應用的現狀，國務院頒布了《農藥管理條例》，它的作用主要是在行政管理方面加強農藥管理，保證農藥質量，保障農產品質量安全和人畜安全，保護農業、林業生產和生態環境。作為我國農業領域一部重要的行政法規，條例的出臺為進一步加強農藥管理，保障農產品質量安全，推動建設資源節約、環境友好的現代農業，提供堅實有力的法律依據。

經過半個多世紀的應用和研究，除了發揮了農藥應有的作用外，人們對于農藥對環境的影響有了更清晰的認識，經不斷揚棄，今天的農藥已走向成熟，研究程序日趨完善，產品要求更為科學。

三、毒物相關概念與毒理學相關學科

（一）毒物相關概念

1.毒物

毒物（poison，toxicant）指在一定條件下，較小劑量就能夠對生物體產生損害作用或使生物體出現異常反應的外源化學物。毒物可以是固體、液體和氣體，與機體接觸或進入機體后，能與機體相互作用，發生物理化學或生物化學反應，引起機體功能下降或造成器質性的損害，嚴重的甚至危及生命。

毒物與非毒物之間并無截然分明的界限，從廣義上講，世界上沒有絕對有毒和絕對無毒的物質。就是人們賴以生存的氧和水，如果超過正常需要量進入體內，如純氧輸入過多或輸液過量過快時，即會發生氧中毒或水中毒。食鹽是人類不可缺少的物質，如果一次攝入60g左右也會導致體內電解質紊亂而生病，如一次攝入200g以上，即可因電解質嚴重紊亂而死亡。反之，一般認為毒性很強的毒物，如砒霜、汞化物、蛇毒、烏頭、雷公藤等也是臨床上常用的藥物。所以有人曾說“世界上沒有無毒的物質，只有無毒的使用方法”，可見給毒物下一個絕對準確的概念是困難的。

絕大多數毒物就其性質來說是化學物，天然的或合成的，無機的或有機的，單體或化合物。但也可能是動植物、細菌、真菌等產生的生物毒素。

毒物具有以下基本特征：①對機體有不同水平的有害性，但具備有害性特征的物質并不都是毒物，如單純性粉塵。②經過毒理學研究之后確定為毒物的。③必須能夠進入機體，與機體發生有害的相互作用。具備上述三點才能稱之為毒物。

2.農藥

農藥（pesticide）是用于預防、控制危害農業、林業的病、蟲、草、鼠和其他有害生物以及有目的地調節植物、昆蟲生長的化學合成或者來源于生物、其他天然物質的一種物質或者幾種物質的混合物及其制劑。農藥可根據原料、成分、用途、作用方式等進行分類。

（1）按原料的來源及成分分類

① 無機農藥　主要指由天然礦物原料加工、配制而成的農藥，故又稱為礦物性農藥。其有效成分都是無機的化學物質，常見的有石灰、硫黃、砷酸鈣、磷化鋁、硫酸銅等。

② 有機農藥　主要指由碳、氫元素構成的一類農藥，多數可用有機合成方法制得。目前所用的農藥大多數屬于這一類，通常又可據其來源及性質分為植物性農藥（煙草、除蟲菊、印楝等）、礦物油農藥（石油乳劑等）、微生物農藥（蘇云金桿菌、農用抗菌素等）及人工化學合成的有機農藥。

（2）按用途分類　按農藥主要的防治對象分類，常用的有以下幾類：

① 殺蟲劑　對昆蟲機體有直接毒殺作用，以及通過其他途徑可控制其種群形成或可減輕、消除害蟲為害程度的藥劑。

② 殺螨劑　可以防除植食性有害螨類的藥劑。

③ 殺菌劑　對病原菌能起到殺死、抑制或中和其有毒代謝物，因而可使植物及其產品免受病菌為害或可消除病癥的藥劑。

④ 殺線蟲劑　用于防治農作物線蟲病害的藥劑。

⑤ 除草劑　可以用來防除雜草的藥劑。

⑥ 殺鼠劑　用于毒殺多種場合中各種有害鼠類的藥劑。

⑦ 植物生長調節劑　對植物生長發育有控制、促進或調節作用的藥劑。

（3）按作用方式分類　這種分類方法常指對防治對象起作用的方式，常用的分類方法如下：

① 殺蟲劑

A.胃毒劑　只有被昆蟲取食后經腸道吸收進體內，到達靶標才可起到毒殺作用的藥劑。

B.觸殺劑　接觸到蟲體（常指昆蟲表皮）后便可起到毒殺作用的藥劑。

C.熏蒸劑　以氣體狀態通過昆蟲呼吸器官進入體內而引起昆蟲中毒死亡的藥劑。

D.內吸劑　使用后可以被植物體（包括根、莖、葉及種、苗等）吸收，并可傳導運輸到其他部位組織，使害蟲吸食或接觸后中毒死亡的藥劑，如吸食而引起中毒的，也是一種胃毒作用。

E.拒食劑　可影響昆蟲的味覺器官，使其厭食、拒食，最后因饑餓、失水而逐漸死亡，或因攝取營養不足而不能正常發育的藥劑。

F.驅避劑　施用后可依靠其物理、化學作用（如顏色、氣味等）使害蟲忌避或發生轉移、潛逃現象，從而達到保護寄主植物或特殊場所目的的藥劑。

G.引誘劑　使用后依靠其物理、化學作用（如光、顏色、氣味、微波信號等）可將害蟲誘聚而利于殲滅的藥劑。

② 殺菌劑

A.保護性殺菌劑　在病害流行前（即當病原菌接觸寄主或侵入寄主之前）施用于植物體可能受害的部位，以保護植物不受侵染的藥劑。

B.治療性殺菌劑　在植物感病以后，可用一些非內吸殺菌劑，如硫黃直接殺死病菌；或用具內滲作用的殺菌劑，可滲入到植物組織內部，殺死病菌；或用內吸殺菌劑直接使藥劑進入植物體內，隨著植物體液運輸傳導而起治療作用。

C.鏟除性殺菌劑　對病原菌有直接強烈殺傷作用的藥劑。這類藥劑常為生長期植物所不能忍受，故一般只用于播前土壤處理、植物休眠期或種苗處理。

③ 除草劑

A.輸導型除草劑　施用后通過內吸作用傳至雜草的敏感部位或整個植株，使之中毒死亡的藥劑。

B.觸殺型除草劑　不能在植物體內傳導移動，只能殺死所接觸到的植物組織的藥劑。在除草劑中，習慣上又常分為選擇性和滅生性兩大類。嚴格地講，這不能作為作用方式的劃分。

C.選擇性除草劑　即在一定的濃度和劑量范圍內殺死或抑制部分植物而對另外一些植物安全的藥劑。

D.滅生性除草劑　在常用劑量下可以殺死所有接觸到藥劑的綠色植物體的藥劑。

3.毒性

毒性（toxicity）指外源化學物質與機體接觸或進入體內的易感部位后，能引起損害作用的相對能力，或簡稱為損傷生物體的能力。也可簡單表述為，外源化學物在一定條件下損傷生物體的能力。一種外源化學物對機體的損害能力越大，則其毒性就越高。外源化學物毒性的高低僅具有相對意義。在一定意義上，只要達到一定的劑量，任何物質對機體都具有毒性；如果低于一定數量，任何物質都不具有毒性，關鍵是此種物質與機體的接觸量、接觸途徑、接觸方式及物質本身的理化性質，但在大多數情況下與機體接觸的劑量是決定因素。

由藥物毒性引起的機體損害習慣稱中毒。大量毒藥迅速進入人體，很快引起中毒甚至死亡，稱為急性中毒；少量毒藥逐漸進入人體，經過較長時間積蓄而引起的中毒，稱為慢性中毒。此外，藥物的致癌、致突變、致畸等作用，則稱為特殊毒性。

毒性與劑量、接觸途徑、接觸期限有密切關系。

評價外源化學物的毒性，不能僅以急性毒性高低來表示，有一些外源化學物的急性毒性是屬于低毒或微毒，但卻有致癌性，如NaNO2，有些外源化學物的急性毒性與慢性毒性完全不同，如苯的急性毒性表現為中樞神經系統的抑制，但其慢性毒性卻表現為對造血系統的嚴重抑制。我們平常見到的“劇毒”“低毒”等實際上就是指毒物的毒性。按世界衛生組織（World Health Organization，WHO）急性毒性分級標準，毒物的毒性分級如下：

劇毒：毒性分級5級；成人致死量，每千克體重小于0.05g；60kg成人致死總量，0.1g。

高毒：毒性分級4級；成人致死量，每千克體重0.05～0.5g；60kg成人致死總量，3g。

中等毒：毒性分級3級；成人致死量，每千克體重0.5～5g；60kg成人致死總量，30g。

低毒：毒性分級2級；成人致死量，每千克體重5～15g；60kg成人致死總量，250g。

微毒：毒性分級1級；成人致死量，每千克體重大于15g；60kg成人致死總量，大于1000g。

4.“三致”作用

三致是指致突變（mutagenecity）、致畸（teratogenesis）和致癌（carcinogenesis）作用。隨著科學技術的不斷發展和人民生活水平的不斷提高，人們接觸的各種各樣的環境有害因素特別是化學物質越來越多。其中，有許多是對人體有害的。例如，工業污染造成城市中聚集大量煤煙和煤焦油，長期接觸的人很容易患陰囊癌；孕婦經常接觸有害因素，胎兒易致畸；甲醛可以破壞DNA的堿基，造成基因突變。部分化學農藥也是“三致”的重要因子。這些由環境有害因素引發的“三致”作用，是毒理學研究的熱點之一。

（二）與毒理學相關的學科

1.毒理學

毒理學（toxicology）是一門研究化學物質（包括藥物、環境污染物和工業化學物質等）有害作用的應用學科；是一門研究化學物質對生物體的毒性反應、嚴重程度、發生頻率和毒性作用機制的科學，也是對毒性作用進行定性和定量評價的科學；是預測其對人體和生態環境的危害，為確定安全限值和采取防治措施提供科學依據的一門學科。

主要應用生理學、藥理學、生物學、生物化學和病理學等基礎學科的理論和技術，通過動物實驗、臨床觀察和流行病學調查方法，研究外來物質的吸收、分布、代謝和排泄、毒性作用及其機制，以及中毒后如何治療。毒理學不僅為保護人類和其他生物免遭化學物質的毒害，保障人民身體健康提供了幫助，而且也直接為研制有良好選擇作用的毒物，通過比較毒性和選擇毒法，研制出更具選擇性的藥物和農藥等，并進行化學物質的安全性評價或危險性評價，制訂衛生標準，提供科學依據。

2.環境毒理學

環境毒理學（environmental toxicology）是研究外源性的毒物包括化學物及物理和生物因素對生物有機體的有害作用及其作用機理，進而預測其對人體和生態環境危害的嚴重程度，為確定安全限值和采取防治措施提供科學依據的科學，也是對毒性作用進行定性和定量評價的一門學科。由于毒理學的研究目的是為保護生物體的健康或安全提供科學依據，因此從學科性質上劃分，毒理學屬于預防醫學，貫穿了預防為主的思想。環境毒理學主要研究環境化學污染物和其他有害物質對生物有機體的影響。

3.農藥環境毒理學

農藥環境毒理學（environmental toxicology）是環境毒理學的一個重要分支，主要研究化學農藥在環境中的分布、轉移、代謝、轉化和積累，造成生態系統的平衡破壞、引起植物藥害發生，并通過食物鏈在生物體內富集，對有益生物和人類造成影響。農藥環境毒理學是20世紀70年代中期發展起來的一門新興學科，它的研究范圍包括農藥在生態環境中的降解、代謝、轉移，農藥對生態系統成員個體和群體的短期和長期毒性以及毒性的評價方法。對投入市場的農藥品種，需進行嚴密而科學的檢測。農藥對生態環境和動植物、人體的影響，是關系到人類健康和生態環境安全的大問題，所以越來越引起人們的高度關注。

因此，開展農藥環境毒理學研究，普及農藥環境毒理學的知識是促進我國農業現代化，實現人們對美好生活向往，減少農藥化合物對環境壓力，保持生態平衡，促進人類健康發展，指導科學合理使用化學農藥，實現人類社會可持續發展的必由之路。

隨著現代科學技術的迅速發展，學科間的交叉，特別是分子生物學、細胞和分子遺傳學、基因組學、轉錄組和代謝組學等向農藥毒理學的滲透，促進了農藥環境毒理學理論和檢測手段不斷完善，使其成為農藥科學和環境科學中發展速度最快的一門新興學科。建立快速準確的農藥環境、食品殘留檢測系統，農藥對生物有機體的毒性和毒理以及環境風險評估系統，特別是農藥環境污染造成的生態系統破壞，對有機體損傷以及農作物藥害的預警、預測和修復以及治理，這些均是當前農藥環境毒理學領域的研究熱點。

4.生態毒理學

生態毒理學（ecotoxicology）研究化學和物理因子對生命有機體，特別是對特定的生態系統中生物種群和群落的毒性效應，同時也研究這些因素在環境中的相互作用與歸宿。

5.保護生物學

保護生物學（conservation biology）是研究人類對生物多樣性的影響及防止物種滅絕的有效途徑的科學。

6.生物多樣性

生物多樣性（biodiversity）研究生態環境的遺傳多樣性、物種多樣性、生態系統多樣性和景觀多樣性。

7.環境生物學

環境生物學（environmental biology）是研究生物系統與人為逆境相互關系的科學。