我怎麼給蚯蚓染毒？打個比方，就像在飯桌上給人灌酒。
作為環境毒理學家真的非常煩惱：做不出毒性，焦慮發不了文章；做出毒性後，又很替地球擔心。
2020年9月20日，“科普中國-我是科學家”第26期“煩惱的環境er”演講現場，天津理工大學環境科學與安全工程學院副教授、中國科普作家協會會員王雯帶來演講：《蹂躪完一代代實驗動物，我意識到這是一門找茬的科學》。
王雯演講視頻：
以下為王雯演講實錄：
2020.9.20 天津
大家好，我是王雯，來自天津理工大學環境科學與安全工程學院，研究方向是環境毒理學。
剛才主持人介紹我的研究方向，我注意到現場環境稍微安靜了一下——大家還是比較客氣的。因為，如果是在私人場合比如家庭聚會時，大家聽完我的研究方向，可能下一眼就會望向我的家屬，眼神意味深長。
因為受到影視和文學作品的影響，很多人對我們專業的誤解很深。所以，一開始，我想先給大家解釋一下：什麼不是環境毒理學？或者說，我們不是幹什麼的？
左邊這張圖，是我們實驗室的危險化學品藥品櫃，大家可以看到上面有兩個鑰匙孔，對應的兩把鑰匙，一把在我手裡，另一把在我同事手裡。也就是說，裡面的藥品需要我們兩個人同時開鎖才能拿到，基本上和傳說中普京提的手提箱是一個安全級別。
有些化學品之所以被稱之為“危化品”，一方面，因為它可能具有毒性，比方說做實驗時如果防護措施沒有做到位，可能會起些皮疹或者呼吸系統受刺激而流淚，此外，更主要的原因是，它具有易燃易爆易製毒的特性。
不過，即便我真的拿到這些藥品，要出現一些預想中的毒性作用，也並不容易。
給大家舉個例子。上圖是不同種類的可樂含糖量，像蔗糖這種非常優秀的甜味劑，也需要加這麼多才能達到大家期待的那種甜味效果。
同樣，如果我們想要化學品表出毒性，也需要很大劑量。所以，我覺得投毒這件事，難點不在於能不能把化學藥品從藥品櫃裡取出來，而在於怎樣勸人把它喝下去——這可能是個心理學問題。
即便突破了倫理學、法律、心理學等等各種屏障，真的走到最後一步，你還是會發現，投毒這件事真的做不了，因為毒理學日常實驗有一些很典型的特點——
首先，生物實驗誤差非常大，並不是每一次使用相同劑量都會達到同樣的預想效果。
其次，我們做實驗用的都是實驗動物，某種化學品對某種實驗動物的毒性效應不能直接外推於人。因為物種之間的劑量效應關係差異非常大，也就是說，我不能拿動物實驗的劑量直接用來給人類做實驗。
第三，生物本身的個體差異很大。大家在飯桌上可能會注意到，同樣體重、同樣體型的兩位男士，有可能一個已經喝醉了，另一個還什麼事兒都沒有。
所以做慣了毒理學實驗的人會知道，那種“給人投點毒讓他暈倒或出現點什麼狀況”的想法，屬於影視作品裡的科幻成分。在現實生活中，沒有任何一個毒理學家能精準達到他的預期效果。
但是，更最重要的，也是我今天特別想要澄清的一點是：環境毒理學和傳統毒理學也不一樣。
傳統毒理學研究的是：“人”這種生物在接觸到某些化學品後會產生什麼樣的毒性效應。而我們環境毒理學研究的是：除了人之外，這個現實環境中所有其他的生物在接觸到某些汙染物後會產生的效應，並且，因為這些生物間有千絲萬縷的關係，那毒性效應會不會從一種生物遷移到另外一種生物，從一個種群遷移到另外一個種群？——這些才是我們環境毒理學研究的內容。
環境毒理學研究的範疇要比傳統毒理學複雜得多。實際上，我們也在現實中觀察到：一些化合物在人體內，並不會引起非常大的反應，但到了環境中，卻會產生意想不到的結果。
例如，DDT在上世紀四五十年代剛剛被髮明出來時，曾被很大規模使用。左邊這張照片是醫護人員在給一個小孩子驅蟲，噴的就是DDT。現在我們看到這樣一幅圖，可能會產生生理上的厭惡感，但在當時，現實情況就是如此。
當然，之所以能這樣噴用，也說明DDT對人的毒性確實不是很大。一方面，DDT突破肌膚屏障、進入到生物體內的能力很差，基本上不會因為粘在皮膚上就進到生物體內，另一方面，人類本身也屬於對DDT相對不敏感的物種。
對DDT最敏感的是什麼？
害蟲，那些在農業上需要用殺蟲劑殺掉的生物。
在當時，人類眼中的世界只有我們和害蟲，所以，安全評估時，只要對害蟲有毒性而對人類沒有發現明顯問題，就可以了——只是，在大規模使用DDT大概十幾年、二十年後，開始出現一些之前完全沒有想到的情況。
首先，後來我們發現：對DDT比較敏感的不僅僅是“害蟲”，環境中其他生物對DDT的毒性也很敏感；
第二，DDT有一個特點：一旦進入到生物體內，就沒有退出機制。也就是說，它在生物體內可以一直存留到生物體死亡，然後被釋放回環境中。這種現象其實對人類影響比較小，因為人對它的毒性不敏感，人死後一把火燒掉，DDT裡的氯元素變成二噁英，也只是再汙染一次環境。
但是，環境中，絕大多數生物的死亡方式和人類不同。隨著捕食關係，DDT就會從一個生物體進入到下一個生物體，這樣一層層累積上去，恰好這條食物鏈上端的魚類對DDT非常敏感，在底層影響比較小的毒性，到了上層就明顯表現出來。
因為DDT的類激素幹擾而造成的猛禽蛋殼變軟
除了魚類，還有一種在食物鏈中更靠近頂端的生物，那就是很多國家國徽上會出現的的猛禽——它們也是對DDT毒性效應非常敏感的物種。DDT會在猛禽體內產生一種類激素效應，造成蛋殼中鈣質沒法累積，蛋殼非常軟。相當長一段時間內，人們發現猛禽幼雛的孵化率變得非常低，鳥類越來越少了。
這時，有一位非常有先見之明的人，也是我們“找茬”專業的鼻祖——蕾切爾·卡森，她注意到，有一種聲音消失不見了：春天沒有鳥叫了。為此她寫了《寂靜的春天》，講述了從DDT開始大規模使用到春天沒有鳥鳴的故事。
沒有鳥鳴，對於我們人類，可能只是審美意義上的一種缺失；但對那些動物和生態系統的影響，就非常深遠了。
《寂靜的春天》這本書現在看來可以被視為環境毒理學的開山之作，同時也是環境運動真正進入公眾視野的一本標誌性書籍——但在它剛剛被發表出來時，公眾對它並不認可。為什麼？因為它摧毀了一個明星產品，摧毀了一個對人類毒性低、對害蟲毒性高，非常好用的農藥。它建議“完全停止使用DDT”，但當時，傳統農業生產過程各個環節的人都認為這是一種“何不食肉糜”的想法，同時，很多工業領域特別是有機合成領域的人也開始攻擊。
因為提出的是一個“不方便”的現象，所以，“環境毒理學”這個專業從誕生之初就是不受公眾歡迎的專業，因為我們都不喜歡聽“不方便”的真相。
隨著時間推移，人們逐漸發現：不僅在魚和猛禽體內能檢測到DDT，即使在從來沒有使用過DDT的南極，企鵝體內也檢出了DDT；甚至，由於可以通過母乳攝入DDT，嬰兒體內也檢出了DDT。
恰逢環境運動，加上隨後十幾年氯氟烴對於臭氧空洞的影響，這些事件，逐漸讓環境毒理學專業被公眾承認。後來，又出現了幾次全球尺度內影響非常深遠的事件，人們決定：生產出來的新化學品在使用之前，首先要經過安全評估。這種未雨綢繆式的評估，一方面包括傳統毒理學的評估，比如它對人體夠不夠安全，另一方面就是我們環境毒理學，去評估它對整個生態系統有沒有潛在的問題。
我們做這個方向，都希望像蕾切爾·卡森當年一樣，找到一個非常好看的靶子，如果能發一篇Science或Nature當然就更好了，畢竟這是科研系統的KPI。
我剛入行時，人們關注的“大IP”是在現代工業合成中才開始出現的納米材料。當合成的尺度降低到納米級別、顆粒非常小時，就會出現一些奇異的效應，而這些效應可能會給我們提供一些具體幫助。
我曾經做過納米二氧化鈦的毒理學評估。簡單說，納米二氧化鈦就是鈦白粉做成的納米級材料。納米二氧化鈦有一個非常顯著的功效：在紫外光的照射下，會產生一個電子空穴，一些有機物可以嵌合在裡頭，發生一些氧化反應。
比如經典的室內空氣汙染物甲醛，接觸到納米二氧化鈦時，如果有紫外線照射，納米二氧化鈦就會把它拉過來，然後給甲醛強行配對氧分子，這樣甲醛在離開時就變成了二氧化碳和水——這其實就是室內空氣汙染物的一種處理方式。現在納米級的二氧化鈦已經成為市場上很常見的產品，添加在一些塗料裡，專門處理室內空氣汙染物的人，把它粉刷到牆上，再用紫外燈去照射，在這個過程中，牆體內的甲醛就會催化降解。
我對納米二氧化碳的找茬工作以失敗告終了。因為，在研究中發現，因為它顆粒非常小，確實會使人或動物的呼吸系統產生一些炎性反應，但是，當你把它添加在塗料中，固定在牆上後，就不存在這個問題了。
在納米材料大規模涌現到生產系統中後，全球各個環境毒理學研究小組還評估了納米二氧化硅、碳管、富勒烯，還有納米金、納米銀等等納米材料，並多多少少得出了一些結論。
中間的通道可以作為藥物的傳遞通道，灰色碳管中間那根黃色的細條分子可以是需要被導入的藥物
這張圖是一根單壁碳納米管，它插入的這一層中間有像奶油一樣的白色芯，上面像藍莓似的表面是細胞膜的磷脂雙分子層。
單壁碳納米管可以直接插入到細胞膜表面，一方面會引起細胞膜的損傷，也就是我們觀察到的毒性效應，另一方面，它中間的通道可以作為藥物的傳遞通道 ，使那些無法通過細胞屏障的藥物（比如抗癌藥等等），可以藉由這個通道進入細胞。
所以，納米材料的奇異效應和生物毒性，其實是一體兩面的。一方面，我們希望利用它的奇異效應，給我們的工業和生活帶來便利；另一方面，我們又希望能規避它的毒性效應。而我們環境毒理學家要做的事情，無非就是把它究竟如何產生毒性研究清楚，然後交給環境工程或材料領域的專家，讓他們考慮如何解決毒性問題。
這張圖是我們做納米材料毒性研究時觀察到的一個特別普遍的現象。納米材料被合成出來時分散在納米級，到環境中後很快就聚集成團，尺度擴大到了微米級別，一些納米特性就喪失了，但相應地，納米的毒性也喪失了。所以大家可以留意一下，現在很多領域都在大規模使用納米材料，因為我們的研究給它帶上了安全帽，讓它在環境中沒有那麼明顯的毒性效應了。
我的學術生涯在納米材料這裡碰了第一個釘子。之後，我就換思路，開始研究另一類物品。
化妝品中經常會添加一些有香氣的物質，給人類使用增加愉悅感。這些有香氣的物質，有一些是純天然的香精，比如提取的植物精油或動物麝香，但它們非常昂貴，尤其是現階段，我們對於地球資源的開發已經進入一個極限狀態。另一方面，很多人工合成的化學品其實也能產生香氣，可以替代天然香精。
這張圖表示的是硝基麝香，它是一種非常典型的人工香料。早先人們把它添加在化妝品中，以更廉價的價格給人們帶來愉悅感。在硝基麝香投入使用前，也經過了安全評估，發現它對絕大多數人都沒有毒性。但實際使用中，個別人接觸後皮膚會出現過敏反應。所以，有機合成的研究者就又合成了另外一種化學品——沒有氮原子的多環麝香，作為硝基麝香的替代品。
我主要研究的就是多環麝香，要分析它有沒有環境毒性。我首先要想，它到底會對哪些種生物產生毒性效應？
這是我們的科研團隊。其中有大家很熟悉的實驗動物，像小白鼠和蚯蚓；也有水生生態學研究裡的生產者，比如藻類，以及初級消費者，比如水裡遊的枝角類的浮遊動物大型蚤，還有高級捕食者，比如斑馬魚；另外，我們經常用的微生物是一種發光菌，它在暗環境下可以釋放出熒光，非常好看。它們都是環境毒理學裡經常用到的實驗夥伴。除了畜牧業或獸醫，學我們這個專業也可以接觸到很多動物。
不過這不代表我們很擅長養動物。事實上我們的挫敗感之一就來自於養動物。
這張圖是我一個同學的慘痛經歷。她做了6年斑馬魚的博士論文，畢業前，有一天她進到實驗室，就看到了上面的場景：前一天晚上鎖門時還齊齊整整在魚缸裡的300條斑馬魚，第二天早上就變成了這個樣子。這其實是我們實驗室經常發生的問題，也算是科研中的各種不可預料之一吧。
回到多環麝香的話題，我到底應該用什麼生物來評估它的毒性？
我的想法是：首先，多環麝香不溶於水，水生生物基本上沒機會接觸到它，它們應該是安全的；小白鼠可以代表人類去做一些化妝品的敏感性實驗，現實中也確實是這樣；而多環麝香本身是一種土壤顆粒特別容易吸附的有機物，那我應該考慮一下土壤介質中的生物，所以我選定了土壤中的代表生物——蚯蚓。
接下來要做的，就是給蚯蚓染毒。怎麼做？
就像在飯桌上給人灌酒。一般人，你剛開始接觸他，不知道他的毒性劑量範圍是多少，就先給他一小杯酒，如果他喝了，喝完你就可以觀察他的毒性效應了：你看他臉白了，是乙醇開始造成毛細血管收縮了；他話變多了，是乙醇產生的欣快感讓他打開了話匣子。接著喝，臉紅了，那就是乙醇降解成乙醛了，乙醛開始造成毛細血管擴張；然後開始話說不清楚、走路走不齊了，乙醛的共濟失調效應開始出現了。這時我就知道，行了。
我們毒理學裡有一個概念，叫“半數有效濃度”，再喝可能就到半致死劑量了。我們做毒理學實驗也是類似“灌酒”這樣摸索的過程。做預實驗時，我們要摸索蚯蚓對於吐納麝香的毒性劑量到底在哪個範圍內，理論上只要你做實驗時肯往土裡加東西，最終一定能觀察到它的毒性效應。
我也確實觀察到了。在土壤裡加了大量多環麝香後，一開始，蚯蚓的體環會打開，因為蚯蚓爬的動力主要來自體環收縮和舒張，所以，當它接觸到一定劑量的毒後，蚯蚓的體環就整個鬆散，爬動能力變差。如果再繼續添加，就會有一些細胞質開始流出來，再繼續研究，蚯蚓最後就會死掉。
在摸索的過程中，我們確實看到了人工麝香對環境中典型生態動物的影響——問題是，如果要觀察到這種毒性效應，需要在土壤中投入很高的劑量。而人工香料又有一個特點，學術上，稱它為有“自限性”的化合物。什麼叫“自限性”？就是加多了會讓人產生厭惡感，這樣就不會使用很多。香料的香氣嚴重依賴於劑量，加的量非常少，會有令人愉悅的香氣，加多了就變成了臭氣。所以，無論在哪種化妝品中，人工麝香的投加量其實都非常有限。
人工麝香的另外一種汙染途徑，是在生產過程中通過跑冒滴漏排放到環境，但相對來說，量也有限。我們做的結果顯示，還是需要土壤中有非常大的量才會產生這樣的毒性效應。所以我當時就很有挫敗感，這樣怎麼去發文章？怎麼掙KPI呢？
沒關係，我們做毒理學研究，還有一種套路：當一種東西的毒性不夠時，我們就拿聯合毒性來湊。因為多環麝香在土壤中產生毒性效應，而土壤中又經常會有重金屬汙染，所以我們就考慮了鎘——這種在土壤汙染中同樣普遍、毒性也非常大的重金屬，看看它們會不會聯合起來搞事情。
正常情況下，蚯蚓體內有控制鎘毒性的機制，一旦監測到體內有鎘，就會合成一些特定蛋白將鎘固定起來，這樣鎘就沒法發揮毒性。但我觀察研究發現，當多環麝香存在時，蚯蚓體內的這種機制就會被抑制，這時蚯蚓就無法正常應對鎘的毒性，鎘汙染在蚯蚓體內的表現更明顯了。這也是我們這項研究裡一個相對不錯的發現，後來我發表了一篇小論文，掙了一點KPI。
現在，不管是人工香料還是天然香料，消費者也不是非常介意化妝品中添加香料了，不管是天然香料還是人工的——這也可以側面說明，環境毒理學家已經完成了對這些物質的評估，然後可以放手讓它們在工業系統中正常使用。
當然，對於環境毒理學家來說，這並不是一個非常開心的結果，畢竟我們的夢想是像蕾切爾·卡森那樣一戰成名嘛。
我經常會想起，小時候看的一篇安徒生童話，叫《創造》，大概意思是：有一個年輕人，想當詩人，想創造，結果發現，一切東西已經被寫成了詩、被創造過了——
我們環境毒理學家，也常會有這種感覺：當你做研究、做創造性工作時，經常會發現，很多事情別人已經做過了，很少有人會像蕾切爾·卡森那樣發現“有一種聲音沒有出現”。能發現春天的鳥沒叫，首先她一定有很深的洞察力，另外一定是在她的專業領域研究非常刻苦、非常精深。我們只有不斷努力。
有時也要靠一點運氣。
最近這幾年，我們環境毒理學家感覺真的來了一波運氣，出現了一個“其實一直在房間裡，但大家之前都沒有看到過”的大象——微塑料汙染。
塑料汙染，或者說白色汙染，是一個很普遍的環境主題了。新中國的第一波環境運動，就是從白色汙染的治理開始。之後人們發現，比起陸地上的白色汙染，更令人擔心的是海洋中的塑料島——我們陸地上的汙染，最終可能通過地表徑流進入海洋，而在複雜洋流的推動下，它們最終會聚集在海洋中一個特定的位置。現在大西洋和太平洋上都出現了這種完全由塑料垃圾漂浮堆積形成的塑料島。但這還不是最重要的。
真正引起環境毒理學家警惕的是：在水力剪切力的作用下，這些塑料會被打成碎片。
微塑料汙染最早是被做環境監測的研究者曝出來的。他們發現，大西洋某些位置漂浮著很多粒徑很小的塑料顆粒，可能是因為我們會使用一些塑料顆粒，另一種可能的原因就是海洋中的塑料顆粒被打碎了。
環境毒理學家就來勁了，這個我看過，跟納米材料差不多，納米材料不就是因為小尺度下產生了奇異特性嗎？微塑料是不是也會有這樣的效果？
所以，最近三四年，微塑料的環境毒性研究是我們專業的一個研究熱點。
我們首先關注到的是：一些魚或者水鳥的消化道剖開以後，裡面填滿了塑料——你們可能都看到過的這種網上圖片，觸目驚心。
2017年，Nature雜誌上還發表了一篇廣受關注的文章，分析為什麼水鳥放著那麼多好吃的不吃，非得吃塑料？為什麼打開它的肚子裡都是塑料顆粒？
研究發現，因為塑料瓶本身材質是有機質，表面很容易吸附一些有機物，特別是海洋中一些有海鮮味道的小分子。而水鳥在捕食時，主要靠嗅覺定位，所以它很自然地以為這是美味。這就解釋了為什麼這些生物那麼喜歡吃塑料。
那些有稜角的、一塊塊比較大的暗黑色物質就是顯微鏡下拍攝的微塑料顆粒
在微塑料領域，我做的研究是這樣：在藻類（水體生產者）的生長體系裡加上塑料顆粒，加進去後，那些原本自由分散在水體中的浮遊植物會和細菌形成一種非常特殊的關係，共同粘著在這些顆粒表面，使得它最後成了一團。
成團對微塑料顆粒是件好事，因為它變成大塊就更容易沉下去，但會讓那些藻類生物光合作用的效率明顯降低——而水藻是水生生態系統的基石，整個水上生態系統獲得的能量都是這些水藻通過光合作用蒐集到的能量。
另外，我還研究了一個以藻類為食的初級消費者：微型浮遊動物水蚤。它是濾食性動物，靠過濾水把食物攔截在它的消化道內。如果藻類被聚集到大顆粒中，它就沒法吃到了。所以我們也觀察到，微塑料顆粒存在時，大型蚤的攝食效率明顯降低，最終會影響到種群的繁殖效率。
可以說，對微塑料環境毒性的研究最近這幾年才剛開始，未來預計還會有很多這方面的研究出現。但，做的研究越多，環境毒理學家就越焦慮，因為在大洋中始終存在著一些塑料製品，它們在水力剪切力的作用下，還在持續產出微塑料顆粒。
一方面，從管理的角度，可以從塑料製品本身出發。現在回收再處理的技術已經比較成熟，我們希望儘量把這些塑料留在生產系統內，不再向環境排放；另一方面，我們只能寄希望於環境工程或者其他領域比如材料科學能夠有一些更好的方法，來處置這些環境中的汙染物。
但可以想見，像這樣非常小顆粒的物質，處理難度很大。所以環境毒理學家（包括其他做環境工作的人）真的非常煩惱，甚至是焦慮：如果做不出毒性，焦慮發不了文章；做出毒性，又很替地球焦慮。好在可焦慮的事情實在是多，比如氣候變化這個問題也還在這擺著呢。所以……我們也習慣了這種持續的煩惱狀態了。
我經常想，究竟是一個毒性大的物質在環境中的危害大，還是一個毒性小的物質在環境中的危害更大？
我認為，當一種物質毒性很大的時候，它接觸到某個個體，很快就會出現毒性效應，這樣一方面很容易引起人們警惕，想辦法避免接觸；另一方面，生態系統本身代償能力也很強，一些個體的死亡不會對生態結構整體產生明顯影響，所以人類也有時間去注意並去解決這些問題。
反過來說，真正會影響到生態系統結構和功能的，往往是那些微小卻非常普遍的存在，那些不被注意的力量。比如DDT，最終造成危害，其實並不是因為它毒性大，反而是因為毒性小，被我們人類忽視了。
作為一名環境毒理學研究人員，我希望我的事業不要太順風順水——因為，如果哪一天，我真的發現了一個像DDT這樣帥到驚動老百姓的物質，恐怕我們的生活也會受到很大影響。
謝謝大家。
演講嘉賓王雯《蹂躪完一代代實驗動物，我意識到這是一門找茬的科學》 | 攝影：Vphoto
作者：王雯
監製：吳歐
策劃：麥芽楊
編輯：麥芽楊 凝音
排版：凝音
校對：夏曉茜
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