海洋環境監測中生物標志物的研究進展

王旭浩++寧淑香

[摘 要]污染物的存在給海洋環境和生態健康帶來了巨大的壓力，生物標志物是一種用來進行環境污染物毒性效應早期預警的重要工具，它能對污染事件進行早期預警，并能在一定程度上評估生態風險。對近十多年來生物標志物的研究與應用進行了回顧，總結了不同水平（分子、細胞、個體、系統） 生物標志物的應用特點，且對現有的挑戰和未來的發展趨勢進行展望，為其在海洋環境監測中的合理應用提供理論借鑒。

[關鍵詞]生物標志物；海洋環境；生物監測

中圖分類號：TF046.6 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）08-0315-01

近年來，全球海洋污染狀況日益嚴重。工農業廢水和生活污水排入海洋，導致近海、港灣富營養化程度日趨嚴重，赤潮頻繁發生。重金屬、有機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潛在危害。生物監測是指利用生物對環境中污染物質的反應，來判斷環境污染狀況的一種手段，它能在一定程度上對水環境質量充分反映，占有至關重要的作用。

生物標志物是指由于生物體與環境因子相互作用而引起的任何可以測定的變化，包括生化、生理、免疫和遺傳等多方面。將生物標志物應用于環境監測中，通過生物標志物的使用和測定，將能獲得有關化學暴露、生物響應和污染效應之間的定性和定量相互關系的信息，從而對海洋環境進行預警與評價，并最終獲得對環境保護、資源開發和可持續發展等具有指導意義的科學依據。

1 海洋環境中生物標志物種類

1.1基因類標志物

嚴重、長期的污染可以導致生物體核酸的損傷，部分核酸的損傷可以遺傳給后代，導致物種畸形，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等通過室內暴露實驗，證實苯并芘（3 ppb）對貽貝的DNA產生損害，使得部分核酸呈現不可逆斷裂[1]。Wise等發現納米銀造成青鳉魚的染色體非整倍性增加，并對后代造成遺傳損害[2]。他們推測，DNA的變異表征在某種尺度上可反應海域受持久性有機污染的嚴重程度。德國學者也發現，三文魚DNA加合現象可用于萊茵河污染源的預警[3]，且認為分子水平（DNA或RNA）的指示物具有清晰、明確、特異性更強的特點，避免了后續翻譯與修飾過程中的干擾。

1.2蛋白類標志物

生物標志物中，蛋白類分子報道最多，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物體內重要的活性氧（ROS）清除系統，主要包括抗氧化酶以及小分子抗氧化劑。抗氧化防御系統的一個重要特征是其活性或含量可隨污染的脅迫而發生改變，因而其活性和含量的變化可間接反映環境脅迫的存在，是環境污染脅迫的重要指標之一。近年來關于海洋動物抗氧化防御系統的研究也是生態毒理學研究的熱點，包括乙氧基異吩惡唑-脫乙基酶（EROD）、谷胱甘肽硫-轉移酶（GST）、超氧化物歧化酶（SOD）等。法國海洋監測系統已將鰈魚體內EROD作為檢測EDCs的生物標志物，GST、谷胱甘肽過氧化物酶（GPx）是抗氧化系統中的重要酶類，起到生物轉化和解毒的作用。細胞色素氧化酶（CYP450）是機體中催化外來物進行代謝的主要酶系，主要作用是通過氧化反應，清除異質類物質并將其排出體外。

1.3細胞類生物標志物

1997年，Thomulka和Lange利用海洋弧菌作為模型評價，借助其在不同水體環境下自身的發光特性，來評價硝基苯和三硝基苯的復合污染。當生物體內的污染物累積到一定程度，細胞會產生相應的代謝和毒性反應，細胞內的變化可以作為環境監測中暴露和效應的生物標志物。溶酶體膜的不穩定可被用作環境脅迫的標志物，溶酶體體積的變化是一般環境脅迫綜合作用的一個良好指標。以貽貝為例，血淋巴介導的吞噬作用是清除體內異物的主要方式，在金屬微粒和納米微粒的環境中，最為活躍的生理運動由血淋巴來行使。進一步推測在非溶性污染顆粒中，血細胞的吞噬能力是一個良好的表征，它可以幫助人們鑒別環境中的污染物是處于溶解狀態還是非溶解狀態。

1.4海洋植物類標志物

隨著生態毒理學研究的不斷深入，近年來在一些非動物物種中發現了新的一些生物標志物，它們能夠較好地反映某一海區重金屬污染的情況。重金屬通過各種途徑進入水體后，一旦被藻類吸收，將引起藻類生長代謝與生理功能紊亂，抑制光合作用，減少細胞色素，導致細胞畸變、組織壞死，改變天然環境中藻類的種類組成。Hutchins等的研究發現通過測定萊茵衣藻中銅的含量，能夠反向推導水體中銅的含量；由于植物相對固定的棲息環境，適合于用作長期的原位監測。海洋微藻研究中，Torres等[5]總結了前人利用藻類作為生物標志物的工作和藻細胞身上特殊的酶學標志物。通過分析水生藻類的種類和數量組成，研究其生理、生化反應及積累毒物的特點，可以準確地判斷水體的污染性質和污染程度。他們認為相比于魚類、貝類、蟹類，海藻具有更強的污染物累積和放大效應，更能反映源頭的污染狀況。

2 環境監測中生物標志物的應用

生物標志物的變化可以反映生物系統在環境污染物的作用下，發生在分子、細胞及個體水平上，各種生化和生理功能的變化，對分子、生化和生理水平上不同生物標志物進行測定，不僅有助于確定生物體所暴露的環境的污染狀態及其潛在危害，還可為環境退化提供早期預警，對評價水體污染和水體生態系統早期預警顯得非常重要[6]。

不同的生物標志物對化學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關系，因此，ALAD的活性抑制就被認為是指示環境中鉛污染的特異性生物標志物。

3 洋污染監測生物標志物現存的挑戰

盡管生物標志物在海洋環境污染監測中的應用獲得了廣泛的研究，然而，生物標志物作為海洋環境監測工具的應用仍處于起步階段，有關的理想生物標志物仍在篩選之中。由于生態系統的復雜性，獲得理想的生物標志物是不容易的。在實際的監測實施過程中仍有一些需要值得重視的問題[9]。眾所周知，生命是一個復雜系統，一種生理活動的響應可能不是單一原因引起的。因此，生物標志物的專一性問題就存在質疑。生物監測未能很好地克服對設備的高要求和對成本的高依賴，現行生物標志物的數據集中在有限的模式生物，要豐富和擴充標志物的數據，會給后續的建庫增加了成本。因此，現行的成本壓力依舊是限制生物標志物應用的一個關鍵因素。

4 展望

目前，在世界范圍內，基于生物標志物的生態監測已在不同尺度的水體得到了應用并取得了不少進展。用適當的指標來表征這些反應，可以對污染的狀況和程度進行監測和評價。生物標志物對海洋環境系統的監測能夠在一定程度反映出污染的綜合生物學效應，與化學和儀器監測結合起來，能較好地說明環境污染對生物產生的綜合效應，將是未來環境監測中行之有效的手段之一。

參考文獻

[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]計勇，陸光華.水體污染風險預警的生物標志物技術.河海大學學報：自然科學版，2010，38（3）：258-62

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