海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中生物標(biāo)志物的研究進(jìn)展

王旭浩++寧淑香

[摘 要]污染物的存在給海洋環(huán)境和生態(tài)健康帶來(lái)了巨大的壓力，生物標(biāo)志物是一種用來(lái)進(jìn)行環(huán)境污染物毒性效應(yīng)早期預(yù)警的重要工具，它能對(duì)污染事件進(jìn)行早期預(yù)警，并能在一定程度上評(píng)估生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)近十多年來(lái)生物標(biāo)志物的研究與應(yīng)用進(jìn)行了回顧，總結(jié)了不同水平（分子、細(xì)胞、個(gè)體、系統(tǒng)） 生物標(biāo)志物的應(yīng)用特點(diǎn)，且對(duì)現(xiàn)有的挑戰(zhàn)和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望，為其在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中的合理應(yīng)用提供理論借鑒。

[關(guān)鍵詞]生物標(biāo)志物；海洋環(huán)境；生物監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TF046.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）08-0315-01

近年來(lái)，全球海洋污染狀況日益嚴(yán)重。工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水排入海洋，導(dǎo)致近海、港灣富營(yíng)養(yǎng)化程度日趨嚴(yán)重，赤潮頻繁發(fā)生。重金屬、有機(jī)氯等污染物隨著食物鏈積累，受污染的海洋食品給人們的健康帶來(lái)潛在危害。生物監(jiān)測(cè)是指利用生物對(duì)環(huán)境中污染物質(zhì)的反應(yīng)，來(lái)判斷環(huán)境污染狀況的一種手段，它能在一定程度上對(duì)水環(huán)境質(zhì)量充分反映，占有至關(guān)重要的作用。

生物標(biāo)志物是指由于生物體與環(huán)境因子相互作用而引起的任何可以測(cè)定的變化，包括生化、生理、免疫和遺傳等多方面。將生物標(biāo)志物應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)中，通過(guò)生物標(biāo)志物的使用和測(cè)定，將能獲得有關(guān)化學(xué)暴露、生物響應(yīng)和污染效應(yīng)之間的定性和定量相互關(guān)系的信息，從而對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行預(yù)警與評(píng)價(jià)，并最終獲得對(duì)環(huán)境保護(hù)、資源開發(fā)和可持續(xù)發(fā)展等具有指導(dǎo)意義的科學(xué)依據(jù)。

1 海洋環(huán)境中生物標(biāo)志物種類

1.1基因類標(biāo)志物

嚴(yán)重、長(zhǎng)期的污染可以導(dǎo)致生物體核酸的損傷，部分核酸的損傷可以遺傳給后代，導(dǎo)致物種畸形，甚至物種滅絕，常見的核酸損傷包括DNA鏈的斷裂、加合、核仁的損傷等。Ching等通過(guò)室內(nèi)暴露實(shí)驗(yàn)，證實(shí)苯并芘（3 ppb）對(duì)貽貝的DNA產(chǎn)生損害，使得部分核酸呈現(xiàn)不可逆斷裂[1]。Wise等發(fā)現(xiàn)納米銀造成青鳉魚的染色體非整倍性增加，并對(duì)后代造成遺傳損害[2]。他們推測(cè)，DNA的變異表征在某種尺度上可反應(yīng)海域受持久性有機(jī)污染的嚴(yán)重程度。德國(guó)學(xué)者也發(fā)現(xiàn)，三文魚DNA加合現(xiàn)象可用于萊茵河污染源的預(yù)警[3]，且認(rèn)為分子水平（DNA或RNA）的指示物具有清晰、明確、特異性更強(qiáng)的特點(diǎn)，避免了后續(xù)翻譯與修飾過(guò)程中的干擾。

1.2蛋白類標(biāo)志物

生物標(biāo)志物中，蛋白類分子報(bào)道最多，其中尤以各種酶類為甚，包括脫毒酶、抗氧化酶、激素代謝酶等。抗氧化防御體系是動(dòng)物體內(nèi)重要的活性氧（ROS）清除系統(tǒng)，主要包括抗氧化酶以及小分子抗氧化劑。抗氧化防御系統(tǒng)的一個(gè)重要特征是其活性或含量可隨污染的脅迫而發(fā)生改變，因而其活性和含量的變化可間接反映環(huán)境脅迫的存在，是環(huán)境污染脅迫的重要指標(biāo)之一。近年來(lái)關(guān)于海洋動(dòng)物抗氧化防御系統(tǒng)的研究也是生態(tài)毒理學(xué)研究的熱點(diǎn)，包括乙氧基異吩惡唑-脫乙基酶（EROD）、谷胱甘肽硫-轉(zhuǎn)移酶（GST）、超氧化物歧化酶（SOD）等。法國(guó)海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已將鰈魚體內(nèi)EROD作為檢測(cè)EDCs的生物標(biāo)志物，GST、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（GPx）是抗氧化系統(tǒng)中的重要酶類，起到生物轉(zhuǎn)化和解毒的作用。細(xì)胞色素氧化酶（CYP450）是機(jī)體中催化外來(lái)物進(jìn)行代謝的主要酶系，主要作用是通過(guò)氧化反應(yīng)，清除異質(zhì)類物質(zhì)并將其排出體外。

1.3細(xì)胞類生物標(biāo)志物

1997年，Thomulka和Lange利用海洋弧菌作為模型評(píng)價(jià)，借助其在不同水體環(huán)境下自身的發(fā)光特性，來(lái)評(píng)價(jià)硝基苯和三硝基苯的復(fù)合污染。當(dāng)生物體內(nèi)的污染物累積到一定程度，細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的代謝和毒性反應(yīng)，細(xì)胞內(nèi)的變化可以作為環(huán)境監(jiān)測(cè)中暴露和效應(yīng)的生物標(biāo)志物。溶酶體膜的不穩(wěn)定可被用作環(huán)境脅迫的標(biāo)志物，溶酶體體積的變化是一般環(huán)境脅迫綜合作用的一個(gè)良好指標(biāo)。以貽貝為例，血淋巴介導(dǎo)的吞噬作用是清除體內(nèi)異物的主要方式，在金屬微粒和納米微粒的環(huán)境中，最為活躍的生理運(yùn)動(dòng)由血淋巴來(lái)行使。進(jìn)一步推測(cè)在非溶性污染顆粒中，血細(xì)胞的吞噬能力是一個(gè)良好的表征，它可以幫助人們鑒別環(huán)境中的污染物是處于溶解狀態(tài)還是非溶解狀態(tài)。

1.4海洋植物類標(biāo)志物

隨著生態(tài)毒理學(xué)研究的不斷深入，近年來(lái)在一些非動(dòng)物物種中發(fā)現(xiàn)了新的一些生物標(biāo)志物，它們能夠較好地反映某一海區(qū)重金屬污染的情況。重金屬通過(guò)各種途徑進(jìn)入水體后，一旦被藻類吸收，將引起藻類生長(zhǎng)代謝與生理功能紊亂，抑制光合作用，減少細(xì)胞色素，導(dǎo)致細(xì)胞畸變、組織壞死，改變天然環(huán)境中藻類的種類組成。Hutchins等的研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)測(cè)定萊茵衣藻中銅的含量，能夠反向推導(dǎo)水體中銅的含量；由于植物相對(duì)固定的棲息環(huán)境，適合于用作長(zhǎng)期的原位監(jiān)測(cè)。海洋微藻研究中，Torres等[5]總結(jié)了前人利用藻類作為生物標(biāo)志物的工作和藻細(xì)胞身上特殊的酶學(xué)標(biāo)志物。通過(guò)分析水生藻類的種類和數(shù)量組成，研究其生理、生化反應(yīng)及積累毒物的特點(diǎn)，可以準(zhǔn)確地判斷水體的污染性質(zhì)和污染程度。他們認(rèn)為相比于魚類、貝類、蟹類，海藻具有更強(qiáng)的污染物累積和放大效應(yīng)，更能反映源頭的污染狀況。

2 環(huán)境監(jiān)測(cè)中生物標(biāo)志物的應(yīng)用

生物標(biāo)志物的變化可以反映生物系統(tǒng)在環(huán)境污染物的作用下，發(fā)生在分子、細(xì)胞及個(gè)體水平上，各種生化和生理功能的變化，對(duì)分子、生化和生理水平上不同生物標(biāo)志物進(jìn)行測(cè)定，不僅有助于確定生物體所暴露的環(huán)境的污染狀態(tài)及其潛在危害，還可為環(huán)境退化提供早期預(yù)警，對(duì)評(píng)價(jià)水體污染和水體生態(tài)系統(tǒng)早期預(yù)警顯得非常重要[6]。

不同的生物標(biāo)志物對(duì)化學(xué)污染物具有不同的特異性。例如氨基乙酰丙酸脫水酶（ALAD）的活性能被重金屬鉛特異性的抑制，即鉛暴露與ALAD的活性抑制之間具有直接的因果相關(guān)關(guān)系，因此，ALAD的活性抑制就被認(rèn)為是指示環(huán)境中鉛污染的特異性生物標(biāo)志物。

3 洋污染監(jiān)測(cè)生物標(biāo)志物現(xiàn)存的挑戰(zhàn)

盡管生物標(biāo)志物在海洋環(huán)境污染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用獲得了廣泛的研究，然而，生物標(biāo)志物作為海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)工具的應(yīng)用仍處于起步階段，有關(guān)的理想生物標(biāo)志物仍在篩選之中。由于生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，獲得理想的生物標(biāo)志物是不容易的。在實(shí)際的監(jiān)測(cè)實(shí)施過(guò)程中仍有一些需要值得重視的問(wèn)題[9]。眾所周知，生命是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，一種生理活動(dòng)的響應(yīng)可能不是單一原因引起的。因此，生物標(biāo)志物的專一性問(wèn)題就存在質(zhì)疑。生物監(jiān)測(cè)未能很好地克服對(duì)設(shè)備的高要求和對(duì)成本的高依賴，現(xiàn)行生物標(biāo)志物的數(shù)據(jù)集中在有限的模式生物，要豐富和擴(kuò)充標(biāo)志物的數(shù)據(jù)，會(huì)給后續(xù)的建庫(kù)增加了成本。因此，現(xiàn)行的成本壓力依舊是限制生物標(biāo)志物應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵因素。

4 展望

目前，在世界范圍內(nèi)，基于生物標(biāo)志物的生態(tài)監(jiān)測(cè)已在不同尺度的水體得到了應(yīng)用并取得了不少進(jìn)展。用適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)來(lái)表征這些反應(yīng)，可以對(duì)污染的狀況和程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)。生物標(biāo)志物對(duì)海洋環(huán)境系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)能夠在一定程度反映出污染的綜合生物學(xué)效應(yīng)，與化學(xué)和儀器監(jiān)測(cè)結(jié)合起來(lái)，能較好地說(shuō)明環(huán)境污染對(duì)生物產(chǎn)生的綜合效應(yīng)，將是未來(lái)環(huán)境監(jiān)測(cè)中行之有效的手段之一。

參考文獻(xiàn)

[1]Ching EW， Siu WH， Lam PK， et al. DNA adduct formation and DNA strand breaks in green-lipped mussels（Pernaviridis） exposed to benzo[a]pyrene： dose- and time-dependent relationships. Mar Pollut Bull， 2001， 42（7）： 603-10

[2]Wise JP Sr， Goodale BC， Wise SS， et al. Silver nanospheresare cytotoxic and genotoxic to fish cells. AquatToxicol， 2010， 97（1）： 34-41

[3]Wirzinger G， Weltje L， Gercken J， et al. Genotoxicdamage in field-collected three-spined sticklebacks（Gasterosteusaculeatus L.）： a suitable biomonitoringtool？ Mutat Res， 2007， 628（1）： 19-30

[4]Torres MA， Barros MP， Campos SC， et al. Biochemicalbiomarkers in algae and marine pollution： a review.

[5]計(jì)勇，陸光華.水體污染風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的生物標(biāo)志物技術(shù).河海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，38（3）：258-62

[6]Durante M. Biomarkers of space radiation risk. Radia Res，2005， 164： 467-73