分子生物標(biāo)志物在水環(huán)境中的應(yīng)用

分子生物標(biāo)志物在水環(huán)境中的應(yīng)用研究摘要：分子生物標(biāo)志物由于能對污染物低劑量長期暴露的早期損傷做出預(yù)警而成為近年來國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。本文概述了水環(huán)境中分子生物標(biāo)志物的研究意義，目前篩選出的有最有價值的分子生態(tài)學(xué)指標(biāo)，近年發(fā)展的先進(jìn)快速的檢測方法和分子生物標(biāo)志物在水環(huán)境應(yīng)用方面的研究進(jìn)展等，最后指出了水環(huán)境中分子生物標(biāo)志物研究的不足，并展望了其今后的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：分子生物標(biāo)志物，分子生態(tài)毒理學(xué)，水環(huán)境1．水環(huán)境中分子生物標(biāo)志物的研究意義當(dāng)前，隨著對水環(huán)境中持久性有毒有機(jī)污染物和內(nèi)分泌干擾類物質(zhì)生態(tài)學(xué)效應(yīng)的揭示，接近于真實(shí)環(huán)境的污染物低劑量長期暴露問題倍受關(guān)注。傳統(tǒng)的在個體或系統(tǒng)水平上的急、慢性實(shí)驗(yàn)指標(biāo)對污染物的評價和篩選起到了重要作用，但是，依然存在種種問題；現(xiàn)有的化學(xué)分析方法雖然能對環(huán)境或生物體內(nèi)污染物含量進(jìn)行定量描述，但僅憑含量無法反應(yīng)污染物對生物的效應(yīng)。因此，水生態(tài)毒理學(xué)研究迫切需要找出能反映污染物作用本質(zhì)，并且可以對污染物早期影響進(jìn)行檢測的指標(biāo)。分子生態(tài)毒理學(xué)指標(biāo)由于能對污染物低劑量長期暴露的早期損傷做出預(yù)警而成為近年來國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[1-4]。研究水環(huán)境中分子生物標(biāo)志物的意義在于：可以確定污染物與生物體之間已發(fā)生的相互作用，并作為聯(lián)系污染物與生物效應(yīng)之間的紐帶，通過研究污染物與不同層次生物組織的反應(yīng)，既可以預(yù)測環(huán)境樣品和生物體內(nèi)污染物的濃度，還可以揭示污染物的致毒本質(zhì)，并提供污染物的暴露與效應(yīng)最靈敏的檢測手段；同時分子生物標(biāo)志物還可以用于環(huán)境污染的探查和快速篩選，環(huán)境健康的風(fēng)險評價，并作為污染物長期毒性效應(yīng)的早期預(yù)報系統(tǒng)。2．水環(huán)境中分子生物標(biāo)志的篩選和檢測方法根據(jù)生物標(biāo)志物的一些評判標(biāo)準(zhǔn)，對目前在水環(huán)境研究中幾乎所有的分子生態(tài)毒理學(xué)指標(biāo)進(jìn)行評估，結(jié)果表明第一階段生物轉(zhuǎn)化酶如肝臟的EROD和CYP1A，生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物如膽汁中PAHs的代謝產(chǎn)物，生殖指標(biāo)如VTG和基因毒性指標(biāo)如肝臟DNA加合物是目前最有價值的分子生態(tài)毒理學(xué)指標(biāo)。通過對其他一些有潛力指標(biāo)的進(jìn)一步研究，可以確認(rèn)其是否可以作為有效的生物標(biāo)志物。由于許多污染物可以引起水生生物的氧化應(yīng)激，那么抗氧化防御系統(tǒng)的許多指標(biāo)就有可能成為較好的生物標(biāo)志物。我們通過開展多種典型有機(jī)污染物和重金屬對水生生物的低劑量慢性暴露，對多種抗氧化和氧化損傷指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)研究[5－7]。近年來，對指標(biāo)的檢測方法和手段有了較大進(jìn)步，這主要表現(xiàn)在檢測限降低和重現(xiàn)性增高。在酶聯(lián)免疫、免疫印跡和mRNA技術(shù)等檢測方法的應(yīng)用上均有較大突破。例如，目前已發(fā)展出免疫印記的方法來檢測蛋白過氧化，酶聯(lián)免疫法檢測VTG等。由于篩選分子生物標(biāo)志物是以實(shí)際應(yīng)用為目的，發(fā)展靈敏快速的檢測方法勢在必行，因此，生物芯片和生物傳感器等先進(jìn)技術(shù)在分子生物標(biāo)志物的檢測中也開始得到運(yùn)用，自動化、程序化和智能化的檢測分析方法是發(fā)展的重點(diǎn)。3．水環(huán)境中分子生物標(biāo)志物的應(yīng)用研究分子生物標(biāo)志物由于具有特異性、預(yù)警性和廣泛性等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于水環(huán)境研究中，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。3.1水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測和管理應(yīng)用生物標(biāo)志物可以預(yù)知污染物對水環(huán)境的危害，揭示環(huán)境的污染狀況。生物標(biāo)志物是傳統(tǒng)生物監(jiān)測的有益補(bǔ)充，配合使用能形成完整的生物監(jiān)測體系，從而對水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行有效評估和管理。如目前已有多種指標(biāo)被用于檢測工廠廢水和進(jìn)行港灣污染狀況的野外調(diào)查；酶在湖泊的物質(zhì)循環(huán)過程中具有關(guān)鍵作用，因此酶的活性被作為某種重要營養(yǎng)元素(如磷)的存在狀態(tài)和水平的標(biāo)志物而廣泛應(yīng)用[8]。一些指標(biāo)已經(jīng)被作為重大監(jiān)測項(xiàng)目的指定檢測指標(biāo)，甚至已被作為水環(huán)境污染監(jiān)測和生態(tài)風(fēng)險評估的常規(guī)指標(biāo)。如生物標(biāo)志物已成為美國國家環(huán)保局制定的環(huán)境監(jiān)測和評價中的一部分。3.2水生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)風(fēng)險評價和環(huán)境健康評價風(fēng)險評價的很多過程都與生物標(biāo)志物有關(guān)，尤其是化學(xué)物質(zhì)的危害評價。生物標(biāo)志物在一般情況下均可以提供化學(xué)物質(zhì)對靶位的生物有效劑量，并給出定量的評價結(jié)果。通過實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果的比較和環(huán)境化學(xué)毒物的有關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果可以預(yù)測該化學(xué)物質(zhì)的環(huán)境行為。動物體對環(huán)境中有害化學(xué)物質(zhì)的生物化學(xué)響應(yīng)可以作為測定暴露及該生態(tài)系統(tǒng)中化學(xué)品毒性效應(yīng)的指示劑，從而評價某些化學(xué)品的暴露水平和毒性效應(yīng)。如徐立宏等用鯽魚(Carassiusauratus)ATP和GST酶活性的變化以及DNA加合物相對標(biāo)記水平評價了兩種家用洗滌劑的生態(tài)毒性和潛在致癌性[9]。生物標(biāo)志物還可以作為評價生態(tài)恢復(fù)效果的測試手段。同一地點(diǎn)隨時間而發(fā)生變化的生物標(biāo)志物，可說明環(huán)境的變化趨勢，也可以敏感與快速地評判是否需要干預(yù)生態(tài)系統(tǒng)的變化，或恢復(fù)措施是否成功。許多生物標(biāo)志物是長期不利影響的短期指標(biāo)，可使不可逆的有害效應(yīng)發(fā)生之前進(jìn)行干預(yù)。在環(huán)境健康危險度評價中,水環(huán)境中生物標(biāo)記物主要表現(xiàn)在對內(nèi)分泌干擾物和持久性有機(jī)污染物的風(fēng)險評價中。如生物標(biāo)記物能為致癌物對靶組織的生物有效劑量提供定量的評價結(jié)果，為預(yù)防醫(yī)學(xué)提供早期發(fā)現(xiàn),從而能在癌癥預(yù)防和風(fēng)險評價中及時地發(fā)揮效力，同時有助于確認(rèn)致癌物及致癌作用機(jī)理,以便提出更有效的預(yù)防措施。3.3早期診斷利用生物標(biāo)志物有助于準(zhǔn)確判斷生物對于毒物的實(shí)際接觸水平，早期發(fā)現(xiàn)某些特異性損害，為分子流行病學(xué)研究提供了有用的觀察指標(biāo)，使生物早期診斷成為可能。傳統(tǒng)的危險度評價方法是通過毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)、環(huán)境監(jiān)測、體內(nèi)劑量監(jiān)測方法來揭示各種接觸與疾病之間的聯(lián)系強(qiáng)度，難以精確地估計(jì)長期接觸低劑量致癌物的水平。而分子生物標(biāo)志物的建立和應(yīng)用，為開展流行病學(xué)研究提供了新的機(jī)遇和手段。早期生物效應(yīng)標(biāo)志物的識別有利于早期發(fā)現(xiàn)有毒物對水生生物的損害,以便早期采取措施阻止或延緩損害進(jìn)一步發(fā)展；有些生物標(biāo)志物在正常的生物體中并不存在,只在疾病發(fā)生時才出現(xiàn)。易感性生物標(biāo)志物反映了機(jī)體接觸有害物質(zhì)后發(fā)生毒性反應(yīng)的危險性增加，可用于識別和篩選對某種特定有害物質(zhì)易感的個體,從而保護(hù)這些個體。我們將鯽魚暴露在某些重金屬和有機(jī)污染物中，觀察到在漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)以下，魚肝臟中某些酶活性產(chǎn)生明顯的誘導(dǎo)或抑制，應(yīng)激蛋白HSP70也被顯著誘導(dǎo)，因而可考慮作為反映污染物對生物早期傷害的毒理指標(biāo)，從而為早期診斷提供科學(xué)依據(jù)[10]。4闡釋污染物的致毒機(jī)理由于分子生物標(biāo)志物本身往往是污染物毒性效應(yīng)的一種表征，通過檢測生物標(biāo)志物的水平便可以推測污染物可能的致毒機(jī)理。目前，對污染物在生物體的轉(zhuǎn)化及解毒、引起氧化應(yīng)激、誘導(dǎo)應(yīng)激蛋白以及形成DNA加合物的過程和機(jī)理等都有較為深入的研究，并通過對機(jī)理的研究篩選出一些生物標(biāo)志物。例如，通過對EROD酶活性的檢測，往往可以推測污染物是否能引起細(xì)胞色素P450的變化而產(chǎn)生細(xì)胞毒性。我們用幾種非氧化還原特性物質(zhì)進(jìn)行鯽魚的暴露實(shí)驗(yàn)，通過檢測幾種重要的抗氧化系統(tǒng)和氧化損傷指標(biāo)，以及活性氧的水平，結(jié)果表明氧化應(yīng)激可能是這些非氧化還原特性污染物的致毒的一種重要機(jī)制。4水環(huán)境中分子生物標(biāo)志物發(fā)展方向展望目前水環(huán)境生物標(biāo)志物研究還存在一些不足，如機(jī)理研究滯后；室內(nèi)與室外、體內(nèi)與體外結(jié)果不統(tǒng)一；缺乏同組織及其以上水平的聯(lián)系；檢測方法不統(tǒng)一，研究手段相對落后。因此，今后應(yīng)在以下幾個方面加強(qiáng)研究：加強(qiáng)污染物的微觀致毒機(jī)理研究應(yīng)在分子水平上揭示污染物的微觀致毒機(jī)理，闡釋污染物引起指標(biāo)變化的本質(zhì)原因。比如酶指標(biāo)的變化應(yīng)從酶活性、酶蛋白量和基因表達(dá)多個層次進(jìn)行研究，以揭示引起酶學(xué)指標(biāo)變化的真正原因。加強(qiáng)真實(shí)環(huán)境的研究由于室內(nèi)結(jié)果往往無法外推至野外，因此，應(yīng)廣泛開展野外真實(shí)環(huán)境的調(diào)查研究，以真正反映低劑量、長時期、復(fù)合污染和多環(huán)境因素作用的結(jié)果。加強(qiáng)分子水平和組織及以上水平的關(guān)系研究分子生態(tài)毒理學(xué)指標(biāo)同傳統(tǒng)的生理、生態(tài)學(xué)效應(yīng)以及疾病等指標(biāo)聯(lián)系起來，增加分子生物標(biāo)志物的生態(tài)學(xué)價值和意義。規(guī)范和普及常規(guī)指標(biāo)檢測方法，引入新的技術(shù)和手段對常規(guī)指標(biāo)，應(yīng)加強(qiáng)指標(biāo)的規(guī)范化、程序化和自動化研究，同時在生態(tài)毒理學(xué)的研究方法和指標(biāo)的檢測手段上應(yīng)有所突破和創(chuàng)新。如隨著人類基因組計(jì)劃的實(shí)施和推進(jìn)，蛋白質(zhì)組學(xué)(proteomics)逐漸成為后基因時代生命科學(xué)的主要研究領(lǐng)域[11]，并已在毒理學(xué)中顯示了其廣闊的前景，而如何將這一先進(jìn)技術(shù)成功運(yùn)用于生態(tài)毒理學(xué)也正是生態(tài)毒理學(xué)家在后基因時代所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[12]。參考文獻(xiàn)：[1]徐立紅,張甬元,陳宜瑜,1995.分子生態(tài)毒理學(xué)研究進(jìn)展及其在水環(huán)境保護(hù)中的意義.水生生物學(xué)報,19(2),171-185.[2]王海黎,陶澍,生物標(biāo)志物在水環(huán)境研究中的應(yīng)用.中國環(huán)境科學(xué),19（5）,421-426[3]丁竹紅,謝標(biāo),王曉蓉.生物標(biāo)志物及其在環(huán)境中的應(yīng)用農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù).2002,21(5),465-467.[4]OostRVD,BeyerJ,VermeulenNPE.2003.Fishbioaccumulationandbiomarkersinenvironmentalriskassessment:areview.EnvironmentalToxicologyandPharmacology,13,57-149.[5]ZhangJF,WangXR,etal,2003.EffectsofLong-termExposureofLow-levelDieselOilontheAntioxidantDefenseSystemofFish.BulletinofEnvironmentalContamination&Toxicology.324－329.[6]ZhangJF,WangXR,WuJC,etal,2004.Effectsofchronicexposureof2,4-dichlorophenolontheantioxidantsysteminliveroffreshwaterfishCarassiusauratus.Chemosphere,167-174.[7]郭紅巖,陳亮等,2001.低濃度鐿暴露對鯽魚肝臟多種酶活性的影響.南京大學(xué)學(xué)報,37(6):665-670.[8]周易勇,1999.水環(huán)境監(jiān)測的酶學(xué)方法,中國環(huán)境監(jiān)測.15(2):61-64.[9]徐立紅,陳加平,2000.用水毒理學(xué)方法評價家用洗滌劑的潛在危害.中國環(huán)境科學(xué),20(5):396-399.[10]沈驊,張景飛,王曉蓉等,2004.Cu2+、Cu-EDTA對鯽魚腦組織應(yīng)激蛋白HSP70誘導(dǎo)的影響.環(huán)境科學(xué),25(3):105-108.[11]TyresM,MannM,2003.Fromgenomicstoproteomics.Nature,422:193-197.[12]SnapeJR,MaundSJ,PickfordDB,HutchinsonTH,2004.Ecotoxicogenomics:thechallengeofintegratinggenomicsintoaquaticandterrestrialecotoxicology.Aquatictoxicology,67:143-154.ApplicationofmoleculebiomarkerinaquaticenvironmentAbstract：Moleculebiomarkerhasreceivedmuchattentioninrecentyearsbecauseitcanprovideearlywarningfordamageinducedbychemicalsinlowdoseforalongtime.Inthepresentpaper,wereviewedthemeaningsofmoleculebiomarkerinaquaticenvironment,themostvalu