生态毒理学中生物标志物研究进展

038　生态毒理学中生物标志物研究进展

万　斌

(中国预防医学科学院环境卫生与卫生工程研究所,北京　100050)

摘要:　生物标志物是生物体受到严重损害之前,在分子、细胞、个体或种群水平上因受环境污染物影响而产生异常变化的信号指标。对它的检测可为严重毒性伤害提供早期警报,因此受到国内外学者普遍关注。本文对生态毒理学领域中生物标志物的特性及其在行为、生理、生化方面的研究进展加以综述。关键词:　生物标志物;生态毒理学;生物标志物检测

中图分类号:　X 17115 文献标识码:　A 文章编号:　100121226(2000)022********

审校者:修瑞琴

收稿日期:1999205207;修回日期:1999209227

美国国家科学院生物标志物委员会于1987年对生物标志物(b i om arker )进行了系统论述[1]。目前,生物标志物已被许多学科发展运用,越来越受到人们关注。生态毒理学领域中,生物标志物也占有重要位置,其概念和检测研究均有所扩展,本文对这方面的研究情况进行了综述。

1　生态毒理学中的生物标志物

在美国国家环保局发表的有关生物标志

物的报告中,将生物标志物概括为:穿过机体屏障并进入人类组织或体液的环境污染物或其产生的生物效应。对它们的检测结果可作为生物体暴露、效应及易感性的指示物[2]。90年代初,D ep ledge 和Fo ssi 等[3,4]曾先后提出生态毒理范畴的生物标志物,认为生物标志物是生物体组织或体液样品中或在个体水平上所能检测到的生化、细胞、生理或行为变化,这种变化可阐明生物体暴露和产生生物效应的信息。Gok soyr 等[5]认为这些生物标志物系统是生物体暴露于亚致死剂量下的有毒化合物而发生异常变化的信号指标,这种指标不仅可为环境质量退化提供早期警报,而且可以特异性地检测到环境中致癌、致畸、致突变化合物的生物可利用性。

环境污染物首先必须进入生物体,到达靶位点后,才可能产生生物学变化。广义上说,从暴露到效应产生,其间的级联生物效应都可用适当的生物标志物进行检测,这些生物反应从分子相互作用到细胞损伤及至整个生物体的毒性显现都反映了生物系统与环境因子的相互作用,这些作用可发生在分子、细胞及个体水平上,使生物体产生功能、生理、生化变化。如果这些生物反应先于严重的结构损害,标志物就有助于确定生物体所处的污染状态及其潜在危害,为严重毒性伤害提供早期警报。2　生物标志物的特性

确定一个与各毒性终点相关的实用标志物需多学科的合作研究。污染导致的最初反应是从分子相互作用开始的,因此,基于分子机制的标志物研究也是十分必要的[6]。使用与毒性相关的标志物可加速环境污染危险评价进程,增大其可靠性。

一种标志物应能敏感有效地反映出生物体发生严重损伤之前的生物变化。在用动物模型研究低浓度污染物效应时,选择敏感的标志物尤为重要。有人曾用处于胚胎或幼体时期的生物体来检测生物的生理变化,如

En senbach 等[7]

发现斑马鱼在胚胎仔鱼阶

段,生长、发育和存活率对有机污染十分敏感,很低浓度的3,42二氯苯胺(40m g L )

高丙体六六六(2Λg L)的混合暴露即可明显减缓仔鱼的生长发育,80Λg L的林丹可降低仔鱼的存活率。

标志物要在生态系统现状研究中广泛运用,还应对一类污染而非针对某一种污染产生反应[5]。特异性标志物可反映特定污染物的不良效应,有助于建立暴露2效应关系。在混合暴露时,高特异性标志物可用以确定污染物的化学性质[8]。但非特异性标志物也可提供环境暴露的有关信息[9]。在实际应用中,所发生的标志物反应还应有一段稳定时间,而不是瞬间反应,从而可稳定地加以检测,同时要快速、技术易于掌握[9,10]。但一种标志物常难以同时具备这些特性。意大利V igana 等[11]提出同时用几种标志物进行检测,以减少结果的模糊性和误导性。在标志物选取时还应选择在标志物检测时对受试生物损害较小的标志物指标,称为非破坏性标志物[4,8,9]。

3　生物标志物检测

生物标志物是与环境污染的生物检测密不可分的,它是一种有效、前景广阔的环境危险评价工具。目前研究热点有行为、生理、生化等标志物。

311　行为标志物

行为标志物的检测可反映发生在较低生物水平(细胞或分子水平)所产生的综合效应。包括四种主要杀虫剂在内的许多毒物都可导致神经毒性,亚致死剂量下生物神经系统的生化变化将直接影响生物体的正常行为[9,12]。若行为的变化影响了生物的繁殖、行动、捕食、回避等行为,则将对生物的生长、发育乃至存活产生不利影响,从而间接导致种群水平的变化。如:美国的B ridges[13]研究发现315m g L西维因可降低蝌蚪90%的行动能力,且其冲刺游动速度和距离也显著降低,捕食能力、逃避天敌的能力受到影响。从而其生长率及适应环境的能力大大降低。有人报道用鱼的栖息地选择行为或游动行为来检测腐殖质变化对鱼的影响[14]。大型氵蚤(D ap hn ia

m ag na)由于具有敏感等优越性,也已用于行为测试。Hoof等[15]概述了大型氵蚤行为测试,包括趋光性分析和运动分析。此外还有用牡蛎壳运动反应,发光菌、藻尖荧光等进行标志物研究的报道。

近来,行为标志物检测已采用计算机辅

助生物测试系统。有人用这套系统研究了重

金属对一种海滩蟹(Ca rcirus m aenas)的行为影响,检测其活动时间、平移速度、运动距离等指标,但重金属暴露的行为变化指标的敏感性和特异性仍有待验证[3]。行为标志物检测的一大优点是对生物不产生损害。

312　生理标志物

生理标志物包括一些特异的生理反应终

点,如免疫学反应,也包括普通的生理现象,

如生长、繁殖、发育等。确认污染诱导的生理

变化首先要了解测试生物的正常生理状态。

近年技术发展已使人们可同时监测多个生物

体的生理指标。D ep ledge[3]曾报道同时监测

多个甲壳类动物的心脏活动,对其正常生理

活动和变化进行较全面、深入研究。这些监测

系统也可用于检测捕食率、尿量、粪量、生长

率等。对水生生物进行的连续检测有血循环、

分泌、渗透压调节、生长、繁殖等。有的生理指

标既是生理参数又是行为参数。如鱼的换气

行为是与耗氧率密切相关的,鱼鳃组织是首

先接触污染物的组织,故会产生明显生理变

化,影响鱼的呼吸,同时伴随相应行为变

化[12,15]。这些生理指标都涉及多个组织或系

统,对它们的损害将导致生存活力下降。31211　生长余能检测

生长余能(scope fo r grow th,SFG)是对生物能量状态的综合测试,它基于的理论是:生物体在保证正常状态所消耗的能量之外,剩余能将用于生长、发育和繁殖。生物体暴露于环境污染物时,其防御机制消耗能量,这样将减少用于生长、发育、繁殖的能量。从整个生态系统来看,这将对个体生物乃至整个种群产生不利影响[9]。Sm aal等[16]通过研究双