第一章　绪论

第一节　农药环境毒理学的几个基本概念

一、自然环境与生物圈概念

1.自然环境

自然环境（environment）指周围所在的条件，对不同的对象和学科来说，环境的内容也不同。生物学所定义的环境是生物生活周围的气候、生态系统、群体和其他种群的总称。《中华人民共和国环境保护法》对环境的定义为：影响人类生存和发展的各种天然的和经过人工改造的自然因素的总体，包括大气、水、海洋、土地、矿藏、森林、草原、湿地、野生生物、自然遗迹、人文遗迹、自然保护区、风景名胜区、城市和乡村等。人类生活的自然环境，主要包括岩石圈、土圈、水圈、大气圈、生物圈，其中与人类生活关系最为密切的是生物圈。

2.生物圈

地球上所有的生物与其环境的总和称为生物圈（biosphere），是指地球上凡是出现并感受到生命活动影响的地区，是地表有机体包括微生物及其自下而上环境的总称，是地球特有的圈层。它也是人类诞生和生存的空间。生物圈是地球上最大的生态系统。它的范围是：大气圈的底部、水圈大部和岩石圈表面。

二、环境问题

（一）人类发展与环境

在人类刚出现时，原始人类依靠生物圈获取食物来源，在狩猎和采集食物阶段，人类和其他动物基本一样，在整个生态系统中占有一席位置。但人类会使用工具，会节约食物，因此，人类占有优越的地位，会用有限的食物维持日益壮大的种群。

在畜牧业和农业阶段，人类已经改造了生物圈，创造围绕人类自己的人工生态系统，从而破坏了自然生态系统，随着人类不断发展，数量增加，不断地扩大人工生态系统的范围，由于地球的范围是固定的，自然生态系统不断地缩小，许多野生生物不断地灭绝。

从人类开始开采矿石，使用化石燃料以来，人类的活动范围开始侵入岩石圈。人类开垦荒地，平整梯田，尤其是自工业革命以来，大规模地开采矿石，破坏了自然界的生态平衡。

自20世纪后半叶以来，由于人类工农业蓬勃发展，大量开采水资源，过量使用化石燃料，向水体和大气中排放大量的废水废气，造成大气圈和水圈的质量恶化。

（二）化学农药的环境问题

20世纪上半叶发展起来的化学农药，在农业现代化进程中发挥了极其重要的作用，特别是在高效防治农作物的病虫草害和其他有害生物，保障粮食丰收，维系世界和平与稳定上功不可没。但由于过量使用，加上化学农药自身毒性问题，造成了越来越严重的环境问题，最为突出的是农药“3R”问题，即抗性（resistance）、残留（residue）和害虫再猖獗（resurgence）。化学农药是人类合成的，属外来生物活性物质，它能引起机体形态、机能、生长发育和寿命的改变，或引起机体平衡稳态失常及生物功能的降低，或引起机体对外界应激状态代偿能力的损伤、致易感性增高，或生理、生化代谢异常。越来越严重的环境问题，引起人类的关注，从而使得环境保护事业开始出现。

首先是1962年美国科普作家Rachel Carson（蕾切尔·卡逊）创作的科普读物《寂静的春天》（Silent Spring）一书出版。在这本书中，卡逊以生动而严肃的笔触，描写因过度使用化学药品和肥料而导致环境污染、生态破坏，最终给人类带来不堪重负的灾难，阐述了农药对环境的污染，用生态学的原理分析了这些化学杀虫剂对人类赖以生存的生态系统带来的危害，指出人类用自己制造的毒药来提高农业产量，无异于饮鸩止渴，人类应该走“另外的路”。该书将近代污染对生态的影响透彻地展示在读者面前，给予人类强有力的警示。号召人们迅速改变对自然世界的看法和观点，呼吁人们认真思考人类社会的发展问题。另外，她记录了工业文明所带来的诸多负面影响，直接推动了日后现代环保主义的发展，从而引起全世界的关注，使得环境保护事业开始出现，新的环境保护和环境毒理学科相继诞生。

在行动上，20世纪70年代开始，世界各国相继停用高残留的滴滴涕（DDT）、六六六等有机氯农药。

1972年6月5日在瑞典首都斯德哥尔摩召开联合国人类环境会议，会议通过了《人类环境宣言》，并提出将每年的6月5日定为“世界环境日”。同年10月，第27届联合国大会通过决议接受了该建议。世界环境日的确立，反映了世界各国人民对环境问题的认识和态度，表达了人类对美好环境的向往和追求。

2001年5月22日，127个国家和地区的代表在瑞典首都斯德哥尔摩签署了《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》。持久性有机污染物的英文为persistent organic pollutants，所以该公约也被称为POPs公约，2004年11月11日，该公约正式对中国生效。

持久性有机污染物（POPs）是指人类合成的能持久存在于环境中，通过生物食物链累积，并对人类健康及环境造成有害影响的化学物质。这些物质在环境中不易降解，存留时间较长，可以通过大气、水的输送而影响到区域和全球环境，并可通过食物链富集，最终严重影响人类健康。这些物质可能造成人体内分泌系统紊乱，生殖和免疫系统受到破坏，并诱发癌症和神经性疾病。与常规污染物不同，持久性有机污染物对人类健康和自然环境危害更大。这些有机污染物能够沿着食物链传播，在动物体内的脂肪中富集。它们还会引起过敏、先天缺陷和癌症，以及诱发免疫系统和生殖器官的疾病。它们都属于环境激素，即使浓度极小，也会影响人类的内分泌系统。这些污染物已经在土壤和水中长期存在，不仅难于生物降解，而且流动性很强，能够传播到世界各地，包括南极和北极。研究表明，持久性有机污染物对人类影响会持续几代，对人类生存繁衍和可持续发展构成重大威胁。首先消除的12种POPs中，8种是有机氯杀虫剂。根据公约规定，缔约方须在公约对缔约方生效当日起计的两年内制定国家实施方案并尽快组织实施。

2004年2月24日，《关于在国际贸易中对某些危险化学品和农药采用事先知情同意等程序的鹿特丹公约》（简称《鹿特丹公约》）正式生效。从2005年6月20日起，我国将全面执行《鹿特丹公约》，因其核心内容是实行事先知情同意程序（prior informed consent procedure），因而该公约也称为《PIC公约》，农药出口企业在出口《鹿特丹公约》限定的农药品种时，应预先告知进口国，并服从进口国的进口决定。

这些公约的实施，使许多国家对农药残留限量要求成倍提高，并相继禁用高毒高残留农药。昆虫生长调节剂等非直接杀伤型农药得到了迅速发展。

为了最大限度发挥化学农药的作用，减少对环境的影响，根据农药应用的现状，国务院颁布了《农药管理条例》，它的作用主要是在行政管理方面加强农药管理，保证农药质量，保障农产品质量安全和人畜安全，保护农业、林业生产和生态环境。作为我国农业领域一部重要的行政法规，条例的出台为进一步加强农药管理，保障农产品质量安全，推动建设资源节约、环境友好的现代农业，提供坚实有力的法律依据。

经过半个多世纪的应用和研究，除了发挥了农药应有的作用外，人们对于农药对环境的影响有了更清晰的认识，经不断扬弃，今天的农药已走向成熟，研究程序日趋完善，产品要求更为科学。

三、毒物相关概念与毒理学相关学科

（一）毒物相关概念

1.毒物

毒物（poison，toxicant）指在一定条件下，较小剂量就能够对生物体产生损害作用或使生物体出现异常反应的外源化学物。毒物可以是固体、液体和气体，与机体接触或进入机体后，能与机体相互作用，发生物理化学或生物化学反应，引起机体功能下降或造成器质性的损害，严重的甚至危及生命。

毒物与非毒物之间并无截然分明的界限，从广义上讲，世界上没有绝对有毒和绝对无毒的物质。就是人们赖以生存的氧和水，如果超过正常需要量进入体内，如纯氧输入过多或输液过量过快时，即会发生氧中毒或水中毒。食盐是人类不可缺少的物质，如果一次摄入60g左右也会导致体内电解质紊乱而生病，如一次摄入200g以上，即可因电解质严重紊乱而死亡。反之，一般认为毒性很强的毒物，如砒霜、汞化物、蛇毒、乌头、雷公藤等也是临床上常用的药物。所以有人曾说“世界上没有无毒的物质，只有无毒的使用方法”，可见给毒物下一个绝对准确的概念是困难的。

绝大多数毒物就其性质来说是化学物，天然的或合成的，无机的或有机的，单体或化合物。但也可能是动植物、细菌、真菌等产生的生物毒素。

毒物具有以下基本特征：①对机体有不同水平的有害性，但具备有害性特征的物质并不都是毒物，如单纯性粉尘。②经过毒理学研究之后确定为毒物的。③必须能够进入机体，与机体发生有害的相互作用。具备上述三点才能称之为毒物。

2.农药

农药（pesticide）是用于预防、控制危害农业、林业的病、虫、草、鼠和其他有害生物以及有目的地调节植物、昆虫生长的化学合成或者来源于生物、其他天然物质的一种物质或者几种物质的混合物及其制剂。农药可根据原料、成分、用途、作用方式等进行分类。

（1）按原料的来源及成分分类

① 无机农药　主要指由天然矿物原料加工、配制而成的农药，故又称为矿物性农药。其有效成分都是无机的化学物质，常见的有石灰、硫黄、砷酸钙、磷化铝、硫酸铜等。

② 有机农药　主要指由碳、氢元素构成的一类农药，多数可用有机合成方法制得。目前所用的农药大多数属于这一类，通常又可据其来源及性质分为植物性农药（烟草、除虫菊、印楝等）、矿物油农药（石油乳剂等）、微生物农药（苏云金杆菌、农用抗菌素等）及人工化学合成的有机农药。

（2）按用途分类　按农药主要的防治对象分类，常用的有以下几类：

① 杀虫剂　对昆虫机体有直接毒杀作用，以及通过其他途径可控制其种群形成或可减轻、消除害虫为害程度的药剂。

② 杀螨剂　可以防除植食性有害螨类的药剂。

③ 杀菌剂　对病原菌能起到杀死、抑制或中和其有毒代谢物，因而可使植物及其产品免受病菌为害或可消除病症的药剂。

④ 杀线虫剂　用于防治农作物线虫病害的药剂。

⑤ 除草剂　可以用来防除杂草的药剂。

⑥ 杀鼠剂　用于毒杀多种场合中各种有害鼠类的药剂。

⑦ 植物生长调节剂　对植物生长发育有控制、促进或调节作用的药剂。

（3）按作用方式分类　这种分类方法常指对防治对象起作用的方式，常用的分类方法如下：

① 杀虫剂

A.胃毒剂　只有被昆虫取食后经肠道吸收进体内，到达靶标才可起到毒杀作用的药剂。

B.触杀剂　接触到虫体（常指昆虫表皮）后便可起到毒杀作用的药剂。

C.熏蒸剂　以气体状态通过昆虫呼吸器官进入体内而引起昆虫中毒死亡的药剂。

D.内吸剂　使用后可以被植物体（包括根、茎、叶及种、苗等）吸收，并可传导运输到其他部位组织，使害虫吸食或接触后中毒死亡的药剂，如吸食而引起中毒的，也是一种胃毒作用。

E.拒食剂　可影响昆虫的味觉器官，使其厌食、拒食，最后因饥饿、失水而逐渐死亡，或因摄取营养不足而不能正常发育的药剂。

F.驱避剂　施用后可依靠其物理、化学作用（如颜色、气味等）使害虫忌避或发生转移、潜逃现象，从而达到保护寄主植物或特殊场所目的的药剂。

G.引诱剂　使用后依靠其物理、化学作用（如光、颜色、气味、微波信号等）可将害虫诱聚而利于歼灭的药剂。

② 杀菌剂

A.保护性杀菌剂　在病害流行前（即当病原菌接触寄主或侵入寄主之前）施用于植物体可能受害的部位，以保护植物不受侵染的药剂。

B.治疗性杀菌剂　在植物感病以后，可用一些非内吸杀菌剂，如硫黄直接杀死病菌；或用具内渗作用的杀菌剂，可渗入到植物组织内部，杀死病菌；或用内吸杀菌剂直接使药剂进入植物体内，随着植物体液运输传导而起治疗作用。

C.铲除性杀菌剂　对病原菌有直接强烈杀伤作用的药剂。这类药剂常为生长期植物所不能忍受，故一般只用于播前土壤处理、植物休眠期或种苗处理。

③ 除草剂

A.输导型除草剂　施用后通过内吸作用传至杂草的敏感部位或整个植株，使之中毒死亡的药剂。

B.触杀型除草剂　不能在植物体内传导移动，只能杀死所接触到的植物组织的药剂。在除草剂中，习惯上又常分为选择性和灭生性两大类。严格地讲，这不能作为作用方式的划分。

C.选择性除草剂　即在一定的浓度和剂量范围内杀死或抑制部分植物而对另外一些植物安全的药剂。

D.灭生性除草剂　在常用剂量下可以杀死所有接触到药剂的绿色植物体的药剂。

3.毒性

毒性（toxicity）指外源化学物质与机体接触或进入体内的易感部位后，能引起损害作用的相对能力，或简称为损伤生物体的能力。也可简单表述为，外源化学物在一定条件下损伤生物体的能力。一种外源化学物对机体的损害能力越大，则其毒性就越高。外源化学物毒性的高低仅具有相对意义。在一定意义上，只要达到一定的剂量，任何物质对机体都具有毒性；如果低于一定数量，任何物质都不具有毒性，关键是此种物质与机体的接触量、接触途径、接触方式及物质本身的理化性质，但在大多数情况下与机体接触的剂量是决定因素。

由药物毒性引起的机体损害习惯称中毒。大量毒药迅速进入人体，很快引起中毒甚至死亡，称为急性中毒；少量毒药逐渐进入人体，经过较长时间积蓄而引起的中毒，称为慢性中毒。此外，药物的致癌、致突变、致畸等作用，则称为特殊毒性。

毒性与剂量、接触途径、接触期限有密切关系。

评价外源化学物的毒性，不能仅以急性毒性高低来表示，有一些外源化学物的急性毒性是属于低毒或微毒，但却有致癌性，如NaNO2，有些外源化学物的急性毒性与慢性毒性完全不同，如苯的急性毒性表现为中枢神经系统的抑制，但其慢性毒性却表现为对造血系统的严重抑制。我们平常见到的“剧毒”“低毒”等实际上就是指毒物的毒性。按世界卫生组织（World Health Organization，WHO）急性毒性分级标准，毒物的毒性分级如下：

剧毒：毒性分级5级；成人致死量，每千克体重小于0.05g；60kg成人致死总量，0.1g。

高毒：毒性分级4级；成人致死量，每千克体重0.05～0.5g；60kg成人致死总量，3g。

中等毒：毒性分级3级；成人致死量，每千克体重0.5～5g；60kg成人致死总量，30g。

低毒：毒性分级2级；成人致死量，每千克体重5～15g；60kg成人致死总量，250g。

微毒：毒性分级1级；成人致死量，每千克体重大于15g；60kg成人致死总量，大于1000g。

4.“三致”作用

三致是指致突变（mutagenecity）、致畸（teratogenesis）和致癌（carcinogenesis）作用。随着科学技术的不断发展和人民生活水平的不断提高，人们接触的各种各样的环境有害因素特别是化学物质越来越多。其中，有许多是对人体有害的。例如，工业污染造成城市中聚集大量煤烟和煤焦油，长期接触的人很容易患阴囊癌；孕妇经常接触有害因素，胎儿易致畸；甲醛可以破坏DNA的碱基，造成基因突变。部分化学农药也是“三致”的重要因子。这些由环境有害因素引发的“三致”作用，是毒理学研究的热点之一。

（二）与毒理学相关的学科

1.毒理学

毒理学（toxicology）是一门研究化学物质（包括药物、环境污染物和工业化学物质等）有害作用的应用学科；是一门研究化学物质对生物体的毒性反应、严重程度、发生频率和毒性作用机制的科学，也是对毒性作用进行定性和定量评价的科学；是预测其对人体和生态环境的危害，为确定安全限值和采取防治措施提供科学依据的一门学科。

主要应用生理学、药理学、生物学、生物化学和病理学等基础学科的理论和技术，通过动物实验、临床观察和流行病学调查方法，研究外来物质的吸收、分布、代谢和排泄、毒性作用及其机制，以及中毒后如何治疗。毒理学不仅为保护人类和其他生物免遭化学物质的毒害，保障人民身体健康提供了帮助，而且也直接为研制有良好选择作用的毒物，通过比较毒性和选择毒法，研制出更具选择性的药物和农药等，并进行化学物质的安全性评价或危险性评价，制订卫生标准，提供科学依据。

2.环境毒理学

环境毒理学（environmental toxicology）是研究外源性的毒物包括化学物及物理和生物因素对生物有机体的有害作用及其作用机理，进而预测其对人体和生态环境危害的严重程度，为确定安全限值和采取防治措施提供科学依据的科学，也是对毒性作用进行定性和定量评价的一门学科。由于毒理学的研究目的是为保护生物体的健康或安全提供科学依据，因此从学科性质上划分，毒理学属于预防医学，贯穿了预防为主的思想。环境毒理学主要研究环境化学污染物和其他有害物质对生物有机体的影响。

3.农药环境毒理学

农药环境毒理学（environmental toxicology）是环境毒理学的一个重要分支，主要研究化学农药在环境中的分布、转移、代谢、转化和积累，造成生态系统的平衡破坏、引起植物药害发生，并通过食物链在生物体内富集，对有益生物和人类造成影响。农药环境毒理学是20世纪70年代中期发展起来的一门新兴学科，它的研究范围包括农药在生态环境中的降解、代谢、转移，农药对生态系统成员个体和群体的短期和长期毒性以及毒性的评价方法。对投入市场的农药品种，需进行严密而科学的检测。农药对生态环境和动植物、人体的影响，是关系到人类健康和生态环境安全的大问题，所以越来越引起人们的高度关注。

因此，开展农药环境毒理学研究，普及农药环境毒理学的知识是促进我国农业现代化，实现人们对美好生活向往，减少农药化合物对环境压力，保持生态平衡，促进人类健康发展，指导科学合理使用化学农药，实现人类社会可持续发展的必由之路。

随着现代科学技术的迅速发展，学科间的交叉，特别是分子生物学、细胞和分子遗传学、基因组学、转录组和代谢组学等向农药毒理学的渗透，促进了农药环境毒理学理论和检测手段不断完善，使其成为农药科学和环境科学中发展速度最快的一门新兴学科。建立快速准确的农药环境、食品残留检测系统，农药对生物有机体的毒性和毒理以及环境风险评估系统，特别是农药环境污染造成的生态系统破坏，对有机体损伤以及农作物药害的预警、预测和修复以及治理，这些均是当前农药环境毒理学领域的研究热点。

4.生态毒理学

生态毒理学（ecotoxicology）研究化学和物理因子对生命有机体，特别是对特定的生态系统中生物种群和群落的毒性效应，同时也研究这些因素在环境中的相互作用与归宿。

5.保护生物学

保护生物学（conservation biology）是研究人类对生物多样性的影响及防止物种灭绝的有效途径的科学。

6.生物多样性

生物多样性（biodiversity）研究生态环境的遗传多样性、物种多样性、生态系统多样性和景观多样性。

7.环境生物学

环境生物学（environmental biology）是研究生物系统与人为逆境相互关系的科学。