生物标志物在监测环境污染中的应用

环境与可持续发展
2007年第1期ENVI RON MENT AND SUSTAI NABLE DEVELOP MENT No 1,2007
生物标志物在监测环境污染中的应用
田志环 焦传珍
(德州学院生物系,山东德州,253023)
摘要介绍了生物标志物的定义、分类及目前研究比较广泛的可用于监测环境污染的各种生物标志物;并指出了生物标志物发展的优势及存在的不足。

关键词生物标志物;环境污染;监测
中图分类号:X171 5 文献标识码:A 文章编号:1673-288X(2007)01-0009-03
对环境污染的监测,用化学分析的方法,往往很难评估其潜在毒性,在毒理学领域,传统的测试方法也主要集中于污染物对指示生物的急性毒性、致死或半致死效应的分析等,虽然这些数据对预测污染物的致死浓度是不可缺少的。

但是,污染物的急性效应(如动物的大量死亡),其发生的预率远远不及亚致死效应(如生殖力下降,生理功能改变、对压力或其他环境因素更敏感)。

为了评估污染物的潜在毒性,探索反应低浓度物对生物早期影响的参数,就需要发展生物亚致死效应的生物标志物来更准确地评估和预测污染物对生物的危害情况。

所以生物标志物是目前毒理学领域研究的热点,被称为环境医学发展到分子水平的重要里程碑,它的研究在分子流行病学、分子毒理学、劳动卫生学、环境医学等诸多领域均具有极其重要的价值。

本文拟对生物标志物在监测环境污染中的应用作一简要介绍。

1 生物标志物及分类
1 1 标志物的概念
生物标志物是指能够反映致病因素或毒物从暴露到效应过程各个环节性质的特异性生物分子,如DNA、蛋白质、酶、脂质、糖类等。

1 2 生物标志物的分类!1~2∀
生物标志物大致可分为两大类,一类是根据表型和
业链的建立。

针对当前发展循环经济的几个重点环节,我国发展循环经济的经济技术法律制度和政策措施体系建设应当着重包括以下几类:
(1)资源开采加工环节。

制定资源的保护性开发利用规范,建立资源开发利用准入制度,以税收、补贴等方式鼓励提高资源综合开发、回收利用率;
(2)资源消耗环节。

制定资源合理消耗规范,加强对钢铁、有色、电力、煤炭、石化、化工、建材、纺织、轻工等重点行业的资源消耗控制和对产品的包装材料进行控制,建立资源循环性利用制度;
(3)废弃物产生环节。

制定废弃物管理条例,实施强制清洁生产审核制度,增强企事业单位对环境污染承担的法律责任和经济责任;
(4)再生资源产生环节。

制定资源型废弃物的强制回收和循环利用规范,明确回收和循环利用废弃产品以及负担处置费用的义务归属。

可以配套建立生产者责任延伸、废弃物分类收集和强制循环利用制度;
(5)社会消费环节。

制定提倡绿色消费的制度和政策,鼓励处于社会再生产末端的消费者承担力所能及的绿色消费义务。

使消费者注重选择有助于公众健康的绿色产品,节约资源和能源,对垃圾进行合理可行的预处置。

如,引导和鼓励消费者购买使用能效标识产品、节能节水认证产品和环境标志产品等绿色产品,抵制过度包装等浪费资源的行为。

在科学完备的法律政策体系保障和引导下,作为对传统模式进行根本变革的可持续性的循环经济发展模式,对构建社会主义和谐社会具有重大的意义。

参考文献
1 郭高中.谁在阻止节约型社会的建立!J∀,嘹望东方周刊,2005,
(35).
2 廖红.循环经济理论:对可持续发展的环境管理的新思考!M∀,
北京:经济科学出版社,2003.
3 王曦.美国环境法概论!M∀,武汉:武汉大学出版社,1992.
作者简介:何卫东(1967-),男,湖北武汉人,法学博士,副研究员,主要从事环境法律政策研究。

#10#环境与可持续发展 2007年第1期
基因型的特点分为表型生物标志物和基因型生物标志物,前者包括蛋白质、多肽、脂质、糖类和其他在血清和体液中可检测到的特异分子,后者包括基因类型及突变型、D NA加合物、DNA多态性等;另一类是根据致病因子作用机体的过程,可划分为暴露生物标志物、作用生物标志物、效应生物标志物。

暴露标志物指示生物对污染物的暴露,即污染物引发生物体的反应,此类标志物不能指示污染物的毒性效应,但有助于研究生物对化学分析方法很难监测到的环境中的不稳定化合物的暴露;效应标志物指示污染物对生物体健康状况的损害效应,如指示DNA损伤的加合物,在环境毒理学中,这类生物标志物具有更重要的作用,它可以解释污染物毒性效应的分子反应机理;作用生物标志物指示生物个体对污染物的敏感性。

2 生物标志物的特点
(1)特异性。

分子水平的生物标志物能够直接以生物体内靶细胞或靶分子为反应终点,特异性强,如有机磷农药对乙酰胆碱酯酶活性有特异性抑制作用。

(2)可操作性。

标志物的水平与外接触水平要有剂量-反应关系,在无害效应接触水平下仍能维持这种关系,易于操作,反应灵敏。

(3)预警性。

生物标志物的产生是对污染物暴露的早期反应,因此这类标志物成了污染物暴露和毒性效应早期警报的指示物。

(4)广泛性。

从微观分子到宏观生态系统,生物标志物在各个不同层次的生物组织上体现着污染物和生物效应之间的因果关系。

(5)稳定性。

生物标志物要有足够的稳定性,便于样品的运送、保存、分析。

3 可用于监测环境污染的生物标志物
3 1 组织结构和亚显微结构
组织和亚显微结构的变化作为环境相关的化合物的生物标志物,能有效评价化合物毒性。

红细胞。

红细胞微核及核异常测定是一种简便、迅速、灵敏的遗传毒理学测定方法。

Hooftma n最早将微核测定法应用于鱼类,证明化学诱变剂加基磺酸乙酯(EMS)能诱发泥荫鱼(Umbra pygmaca)外周血红细胞微核的形成。

近年来,水生生物的微核实验得到了广泛深入研究,国内外学者以泥鳅、黄鳝、蝌蚪、黑斑蛙等为实验材料,监测具有诱变活性污水、氟化物、农药、除草剂等!3∀对水生生物遗传物质的损害及毒理效应。

为环境污染的监测提供了一种行之有效的生物学方法。

肝胰腺细胞、粘液细胞。

主要用于监测陆生腹足类的生存环境。

当陆生腹足类暴露于杀软体动物剂颌重金属(Cd、Hg、Zn)之后,肝胰腺中重吸收细胞和嗜碱性细胞表现出最明显的剂量-反应关系,被认为是环境污染的监测细胞!4∀,而在蜗牛的皮肤和肠中,粘液细胞则对杀软体动物剂有较灵敏的反应。

线粒体、内质网和溶酶体。

在亚细胞水平上,亚显微结构的研究显示,细胞器对污染物有不同的易感性并做出不同的反应。

线粒体对多种刺激都较敏感,并能迅速做出反应,如肿胀、收缩,嵴膜解体或形成线粒体内结晶!5∀;内质网在中毒之后也能迅速做出反应,包括肿胀、脱粒、囊泡化等;溶酶体在细胞中起着分解细胞器和高分子物质的作用,稳定的溶酶体中,完整的溶酶体膜可以防止水解酶与底物发生反应。

当受到刺激时,膜的渗透性增高,稳定性降低。

对于很多生物来说,溶酶体的生理变化对于鉴别外来物的负效应十分有效。

例如采用中性红分析法将蚯蚓暴露于无机或有机污染物后,溶酶体膜渗透性增大,溶酶体吸收的中性红会逐渐渗出溶酶体膜进入体液中;而健康的溶酶体则具有较长的中性红保留时间!6∀。

3 2 蛋白质
蛋白质是生物体的重要构成成分,当暴露于污染环境之中,蛋白质的结构、性能必然发生相应的变化。

应激蛋白。

应激蛋白作为生物标志物的研究多集中在脊椎动物,对于无脊椎动物只是在过去几年才得到重视,并且是集中在对水生环境的研究上。

应激蛋白包括一系列具有不同分子质量的蛋白质家族,长期以来被称为∃热休克蛋白%,暴露于多种化合物之后,都能发现应激蛋白的诱导。

此类蛋白还对温度升高、损伤、病毒感染及组织损害有反应。

它作为生物标志物的主要优势在于它们能将所有的负效应综合并体现在蛋白的完整性上,即∃蛋白毒性%!7∀。

另一方面,应激蛋白水平的普遍提高能指示应激物的存在,并不能提供应激物化学性质方面的信息。

尽管如此,应激蛋白家族成员中的多种以应激物特异性的方式被调控,至少使区分应激物的类型成为可能。

金属硫蛋白。

金属硫蛋白(MT)是一种低分子量的蛋白质,富含半胱氨酸,与特定金属离子如锌、铜及镉等有高度亲和力。

研究表明,脊椎动物的MT合成可被金属、有机化合物或其它应激因素诱导。

例如对鱼类来说,正常情况下,体内MT含量很低,当受到重金属污染时,体内解毒系统就会诱导合成这类蛋白质,进入鱼体内的重金属就会结合到这些新合成的MT上。

由于MT的结构和功能存在着种间特异性,目前使用较多的是已经进行了充分研究的蜗牛物种的MT作为生物标志物来评价镉的污染。

3 3 酶
酶活性的改变是反应生物体生理变化的一项灵敏指标。

暴露于污染的环境中,生物体在致死甚至半致死
田志环等:生物标志物在监测环境污染中的应用#11#
效应之前,生理生化反应就已经发生了明显的变化,有些酶的活性被抑制,有些则被诱导。

乙酰胆碱酯酶。

目前研究最广泛和成熟的是有机磷农药对乙酰胆碱酯酶有特异性抑制作用,乙酰胆碱酯酶在传导过程中主要分解神经递质乙酰胆碱,一旦乙酰胆碱酯酶受到抑制,神经节突触部位会积累大量乙酰胆碱,突触后膜的一些胆碱受体不断被激活,神经纤维长时间处于兴奋状态,而突触部位正常的神经冲动受阻,中毒的动物出现兴奋、痉挛,最后瘫痪、死亡。

乙酰胆碱酯酶受抑制的动态变化,可以用来监测有机磷农药污染的情况。

超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶。

生物体在长期的进化过程中,形成了一套抗氧化防御系统,用以保证体内正常的生理生化和代谢反应的进行。

目前,研究最广泛的是抗氧化酶是超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)。

其中SOD被认为是发挥关键性作用的抗氧化物,同时又是高度诱导酶。

污染物进入生物体内进行生物转化,可形成多种中间产物,其中许多中间产物可进入氧化还原循环,产生大量的活性氧物质;同时,脂质过氧化可产生丙二醛,进而引发机体的氧化应激。

SOD可有效清除生物体内的超氧阴离子自由基,保护细胞免受损伤;这一过程产生的大量过氧化氢,可由CAT和GSH-PX清除:CAT可促使过氧化氢分解为氧气和水;GSH-PX可以促进过氧化氢和还原型谷胱甘肽(GSH)反应生成水及氧化型谷胱甘肽(GSSG),阻断了产生活性极高的羟自由基的可能,使机体免受氧化伤害。

所以当受到污染胁迫时,抗氧化防御系统的酶活性或含量会发生改变,其改变可间接反应环境中污染物的变化,进而可作为环境污染胁迫的分子生态毒理学指标,对环境污染的监测起到早期预警的作用。

谷胱甘肽硫转移酶。

谷胱甘肽硫转移酶(GS Ts)是生物体内重要的解毒酶,GS Ts可催化GSH的巯基与一些亲电子化合物结合,保护DNA及一些蛋白质免受损伤;同时GS Ts还可以与一些难溶于水的物质如血红素、胆酸、染料、激素和气体一些疏水性强外来或内源的代谢产物结合,使之极性增强,易溶于水,成为水溶性化合物排出体外!8∀。

和生物体内的抗氧化酶相似,GSTs的活性可因为化学污染物、脂质代谢和某些病理情况下被诱导而发生变化,作为监测环境污染的一项灵敏指标。

4 结束语
生物标志物是从分子水平研究在污染物作用下生物体内各种指标的变化,作为联系污染物与生物效应之间的纽带,它既可以揭示环境样品和生物体内污染物的浓度,还可以反应污染物的毒性,成为污染物的暴露与效应最灵敏的监测指标,对于环境污染的探查和快速筛选、环境健康的风险评价及污染物长期毒性效应的早期预报具有重要意义。

尽管生物标志物监测环境污染具有化学分析方法所不可比拟的优点,但其本身也有缺陷和不足。

首先,生物标志物具有种间差异性,例如脊椎动物肝脏细胞色素p450与污染物之间的剂量效应关系良好,而对无脊椎动物,研究结果就不慎理想,因此,作为污染监测和毒性评价的手段,一定要选择合适的生物标志物,并进行多指标生物毒性检测,才能对环境样品毒性进行合理评价;其次,目前使用的生物标志物多为个体效应生物标志物,这些生物标志物与更高层次上(种群、群落、甚至生态系统)的生物健康状况尚缺乏直接的联系。

因此,探求个体生理生化上的受损与种群数量或整个生态系统的健康状况之间的联系,或者选择可代表区域环境物种健康状况的非个体水平的生物标志物用于生态风险评价,也是需要加强的领域!9∀。

参考文献
1 方福德.生物标志物!J∀.中华预防医学杂志,2001,35(1):
36.
2 余建新,吴采樱.生物标志物用于污染物德快速监测及毒性评价
!J∀.分析化学,2002,30(1):107~113.
3 谢志浩,黄剑峰,陈国/除草剂乙草胺对泥鳅血红细胞微核及核异
常的诱导!J∀.2003,19(1):77~82.
4 TRIEBSKORN R,KO HLER H R.The impact of heavy metals on the grey
garden slug Deroceras reticulatum(Muller):M e tai s torage,celluar effects and s emi-quantitati ve evaluation of metal toxicity!J∀.Envi ron Poii ut, 1996,93:327~329.
5 TRIEBSKORN R.Ul trastructural changes in the diges ti ve tract of Deroceras
reticul atum(Muller)induced by acarbamate molluscici de and by metalde hyde!J∀.Malac ologia,1989,31:141~156.
6 WEEKS J M,SVEND SEN C.Neutral-red retention by l ys os omes from
earthworm(Lumbricus rubellus)coelomocytes:a simple biomarker of ex poeure to soil copper!J∀.Envi ron Toxicol Chem,1996,15:1801~ 1805.
7 SANDER S B M.Stress proteins in aquatic organisms:an environmental
perspective!J∀.Crit Revtoricol,1993,23:49~75.
8 杨海灵,聂力嘉等,谷胱甘肽硫转移酶结构与功能研究进展!J∀.
成都大学学报(自然科学版).2006,25(1):19~23.
9 钱芸,刘广良等,土壤生态毒理风险评价中的陆生无脊椎动物标
志物!J∀.土壤与环境.2002,11(1):70~74.
作者简介:田志环(1971-),女,硕士,讲师,主要从事动物生态与环境科学方面的研究。