中國化學品環境管理對本土模式生物的需求和應用

周紅，郭琳琳，盧玲，葛海虹，高映新

環境保護部固體廢物與化學品管理技術中心，北京100029

中國化學品環境管理對本土模式生物的需求和應用

周紅*，郭琳琳，盧玲，葛海虹，高映新

環境保護部固體廢物與化學品管理技術中心，北京100029

適合的實驗生物和大量的生態毒理學數據是化學品環境管理的重要基礎。應用本土模式生物對我國化學品環境管理十分重要。稀有鮈鯽(Gobiocypris rarus)逐步成為我國化學品環境管理的首選推薦本土模式生物。建議從國際合作交流、遺傳學、標準化、敏感性和比對研究等方面促進稀有鮈鯽的國際化。堅持管理與科研相結合，推動本土模式生物的研發和應用。

化學品；稀有鮈鯽；模式生物；本土生物；環境管理

1 化學品環境管理對本土模式生物的需求和要求(Needs and requirements of native model organisms for chemical environmental management)

1.1 化學品環境管理對實驗生物的需求

化學品環境管理的根本在于以化學品危害和暴露信息為基礎進行危害性鑒別和風險評估，通過風險交流、申報登記、禁止限制等行政措施，預防、控制和減少化學品對生態環境和人體健康的危害。利用合適的模式生物開展生態毒理學測試研究，掌握可靠的化學品環境行為、環境危害信息是化學品環境管理的重要基礎。如我國新化學物質申報登記制度[1]要求根據申報數量提交魚類、溞類、藻類、蚯蚓、鳥類、活性污泥的急性或慢性毒性數據，農藥登記制度[2]規定不同類別的農藥需提供蜜蜂、家蠶、天敵兩棲類、蝦、蟹等大型甲殼動物或禽、畜等的毒理學數據(表1)。

1.2 本土生物、模式生物和本土模式生物

本土生物(native organism)又稱土著生物或本土物種(native species)，是特定生態系統中原生而非因事故或人為引入的物種。

模式生物(model organism)與實驗生物(experimental organism, laboratory organism)意思相近。模式生物是指生物現象研究中被選作實驗材料的非人類物種，以期對這些物種的研究結果可以應用到其他物種[3]。通常模式生物體積較小，結構簡單，培養成本低廉，并可迅速繁殖。此外，最佳的模式生物往往基因組較小，可以通過遺傳工程獲得不同的基因型。因此，遺傳學、醫學研究中的模式生物常指具有不同基因型的實驗生物，如大鼠(Rattus norvegicus)、小鼠(Mus musculus)、擬南芥(Arabidopsis thaliana)等；而環境科學中的模式生物更多泛指相對而言來源背景清晰、應用廣泛的實驗生物，如斑馬魚(Danio rerio)、大型溞(Daphnia magna)等。

本土模式生物指用于實驗研究的本土生物。本土野生生物通常需要經過篩選、培育、純化等科學技術手段才可能成為本土模式生物。如青魚、草魚、鰱、鳙是我國的四大家魚，但均不是常用的實驗生物。而原產于我國長江上游的稀有鮈鯽(Gobiocypris rarus)[4-7]，經過多年培育，已成為我國生態毒理學領域重要的模式生物。

1.3 應用本土模式生物是區域環境保護的重要手段和國際化學品環境管理的慣例

環境保護的重要目標之一是保護生物多樣性，保護各地的代表性物種、特有物種、瀕危物種。由于生物種群具有生態地域性，不同區域、不同生態系統的代表性生物可能不同。因此，生態環境保護的區域性全球公認。就生態毒理學而言，不同區域、不同生態系統的生物對化學品的敏感性可能不同。如Dyer等[8]研究發現，不同分布區域(寒帶、溫帶、熱帶)的魚類物種對污染物的敏感性存在差異。王曉南等[9]研究中美水生生物基準受試物種敏感性差異，發現中美物種對銅(Cu)、毒死蜱、三丁基錫的敏感性分布存在顯著性差異(P<0.05)，對六價鉻(Cr(Ⅵ))、毒死蜱的HC5值差異超過一個數量級。這種情況下，直接采用美國的生物毒性數據或基準值來保護我國的水生生物，可能會存在“欠保護”或“過保護”的情況。因此，環境保護更宜以本土模式生物為實驗對象，獲得相關毒理學數據，評價化學品對本土生物可能造成的影響，確定適合當地的環境保護目標，體現環境保護的區域針對性。

表1 我國新化學物質申報和農藥登記中生態毒理學信息要求所涉實驗生物[1-2]Table 1 Experimental organism for new chemical substance registration and pesticide registration[1-2]

注：*未明確毒性的急性或慢性。

Note：*Acute toxicity or chronic toxicity is not specified.

考慮到不同區域物種間潛在的敏感性差異和物種差異，經濟合作與發展組織(OECD)等國際組織在編制和發布技術文件時，會將不同成員國提議的代表不同區域的模式生物作為推薦魚種。如虹鱒(Oncorhynchus mykiss)的最適水溫13～17 ℃，熱帶環境中不宜生長，個體也明顯大于斑馬魚(Brachydanio rerio)等常用模式魚種。但作為北美地區典型的冷水魚，OECD的化學品測試導則[10-14]還是將其列為推薦魚種。各國政府更是結合本國的區域特點，大力推進本土模式生物在環境保護中的應用和國際化。如日本開展了大量關于青鳉(Oryzias latipes)的模式生物標準化研究，并在化學品管理法規中明確要求提交青鳉的毒理學測試數據，同時成功地促使OECD[10-17]將青鳉列為多個化學品測試導則的推薦魚種。美國[18]、澳大利亞[19]等國家提出推導本國水質基準時應使用本土生物的毒理學數據。

1.4 我國化學品環境管理對本土模式生物的要求

我國是化學品生產、使用和國際貿易大國。據《中國現有化學物質名錄》(2013版)[21]統計，我國已生產和上市銷售的現有化學物質約4.5萬種。每年還有100多種年生產或進口數量達到或超過10 t的新化學物質在我國登記注冊。

我國國土遼闊，海域寬廣，自然條件復雜多樣，加之較古老的地質歷史，孕育了極其豐富的動植物、微生物和極其豐富多彩的生態組合，是全球12個“巨大多樣性國家”之一。我國有7000年以上的農業開墾歷史，農民開發利用和培育繁育了大量栽培植物和家養動物，其豐富程度在全世界獨一無二。因此，我國的生物多樣性在全世界占有十分獨特的地位[20]。

為了預防化學品對我國本土生物的危害，我國化學品環境管理非常重視本土生物的毒理學研究。例如，農藥登記[3]中家蠶的急性毒性數據是必備資料之一。就工業化學品而言，《新化學物質環境管理辦法》[22](國家環境保護總局令第17號) 2003年頒布伊始就對此方面做出了明確要求。辦法第八條規定：“新化學物質的生態毒理學數據必須包括在中國境內用中國的供試生物完成的測試數據”。第十二條規定：“已經列入4個以上其他國家或者區域經濟一體化組織現有化學物質名錄的新化學物質，申報時僅需提供申報表和在中國境內完成的生態毒理學測試報告”。換言之，對于多個國家已生產的新化學物質，有些毒性數據可以不提供，但在中國境內完成的生態毒理學測試數據不可缺少。修訂后的《新化學物質環境管理辦法》(環境保護部令第7號)不再區分是否已列入4個以上其他國家或者區域經濟一體化組織現有化學物質名錄，一律要求提交相關測試報告，同時再次強調了本土生物的測試要求。其第十條規定常規申報“生態毒理學特性測試報告必須包括在中國境內用中國的供試生物按照相關標準的規定完成的測試數據”。第十二條規定簡易申報基本情形應當提交“在中國境內用中國的供試生物完成的生態毒理學特性測試報告”?？梢姺ㄒ帉Ρ就辽锒纠硇匝芯康闹匾暋?/p>

2 稀有鮈鯽在我國化學品環境管理中的應用(Applications of Gobiocypris rarus in Chinese chemical environment management)

2.1 稀有鮈鯽是我國化學品環境管理中指定的主要本土模式生物

一方面水環境污染倍受重視，魚類在生物進化和生態系統食物網中具有重要地位，另一方面水生生態毒理學、特別是魚類測試技術最為成熟。因此，化學品申報登記中對水環境、特別是魚的數據要求最多。關于新化學物質申報登記中要求的本土生物，2004年新化學物質申報登記受理機構原國家環境保護總局化學品登記中心發布的《新化學物質申報指南(第一版)》[23]和2010年環境保護部發布的《新化學物質申報登記指南》[1]均明確指出：“中國的供試生物是指在我國境內培育繁殖、符合技術要求、用于特定實驗的生物。包括稀有鮈鯽、劍尾魚和斑馬魚、活性污泥等”。換言之，就新化學物質申報而言，稀有鮈鯽是指南中指定的首選本土模式生物。

2.2 稀有鮈鯽應用于我國化學品環境管理的過程

作為配合新化學物質申報登記制度實施的技術文件，2004年原國家環境保護總局發布了環境保護行業標準《化學品測試導則》(HJ/T 153—2004)?！痘瘜W品測試方法》是該導則規范性引用的文件之一，主要參照OECD化學品測試系列導則，編錄了化學品理化特性、生物系統效應、降解與蓄積、健康效應4個方面的標準測試方法，2004年第一次出版[24]，2013年第二版[25]。在該書之前，1990年原國家環境保護局曾組織編寫了《化學品測試準則》[26]，主要也是參照OECD的導則編錄了4個方面的測試方法。以下分別簡稱《1990版準則》、《2004版方法》和《2013版方法》。

《1990版準則》、《2004版方法》和《2013版方法》編錄的方法中對實驗生物大多給出了推薦性物種。以最常用的魚類急性試驗為例，《1990版準則》的魚類急性試驗方法中沒有推薦稀有鮈鯽，《2004版方法》將稀有鮈鯽作為第二推薦魚種，《2013版方法》中稀有鮈鯽成為第一推薦魚種(表2)。由此可見，我國化學品環境管理中應用本土模式生物、特別是稀有鮈鯽的發展過程。早期，雖然管理上有意應用本土模式生物，但限于基礎研究的空白，只能推薦鰱、草魚、鯉等常見家魚而非規范的實驗魚種。21世紀初，基于水生態毒理學的快速發展和我國對實驗生物的重視，劍尾魚(Xiphophorus helleri)和稀有鮈鯽[7,27]的基礎研究取得了一定進展，但離成熟和標準化尚存很大距離，因此在推薦它們的同時將國際公認的斑馬魚(Brachydanio rerio)作為第一推薦魚種。近年來，隨著稀有鮈鯽基礎研究的不斷深入和新化學物質申報登記制度的大力推動，稀有鮈鯽作為本土模式生物的標準化研究得到長足發展，相關毒理學試驗也持續規范，化學品測試方法更新出版，國家標準《化學品稀有鮈鯽急性毒性試驗》(GB/T 29763—2013)[28]頒布實施，稀有鮈鯽作為首選推薦魚種的條件也就日益成熟。

2.3 稀有鮈鯽作為首選模式生物的優勢

在保留國際公認的享有“脊椎動物中的果蠅”盛譽的斑馬魚，推薦在我國研究較早、其RR-B(紅眼紅體)已通過全國水產原種和良種審定委員會審定的劍尾魚(Xiphophorus helleri)[27]作為我國化學品環境管理推薦魚種的同時，將稀有鮈鯽作為首選本土模式生物的主要原因是稀有鮈鯽的諸多優勢。

稀有鮈鯽屬于我國魚種最豐富的鯉形目鯉科，溫水性魚類，對溫度的適應范圍很廣，分布于長江上游，更能代表我國的物種和環境特性。稀有鮈鯽卵生、產卵間隔短、產卵量大、孵化周期短、卵膜透明、卵膜徑較大，這些繁殖特性[4-5]使其更適合用作魚類早期生活階段毒性試驗和魚類胚胎-卵黃囊吸收階段的短期毒性試驗等一些以魚體特定生命階段為模式生物的實驗用魚(劍尾魚因為卵胎生而不宜作為這2項試驗的實驗魚種)[25]。

2.4 稀有鮈鯽的應用取得較大進展

經過20多年的科學研究和10多年的管理推動及實際應用，稀有鮈鯽作為本土模式生物取得了很大發展。(1)稀有鮈鯽的毒理學數據逐年增多。目前僅就新化學物質申報每年提交的稀有鮈鯽的毒性數據就有幾百個。(2)用途擴大、數據類型逐步豐富。用于化學品測試外，稀有鮈鯽也被用于水和廢水監測[29]、納米材料的毒性測試[30]等。除了常規急性毒性數據，慢性毒性數據、發育毒性、內分泌干擾等方面的毒性數據不斷增加[31-35]。(3)測試方法標準化不斷加強。國家標準《化學品稀有鮈鯽急性毒性試驗》(GB/T 29763—2013)[28]已經頒布實施。其他標準，如《化學品稀有鮈鯽幼體生長試驗》(國家標準編制項目號20140324-T-469)等正在制訂。(4)背景生物學基礎研究和品系培育不斷突破。目前中國科學院水生生物研究所已完成稀有鮈鯽全基因測序工作，遺傳資源包括1個近交系和1個封閉群，封閉群可作為生態毒理學測試的種源[36-38]。(5)稀有鮈鯽的應用范圍正在擴大。稀有鮈鯽雖然產于長江上游，但對溫度的適應范圍很廣，得到了分布在我國東、西、南、北不同地區的不同測試機構的廣泛應用。

表2 不同版本魚類急性毒性試驗方法的推薦魚種[24-26]Table 2 Recommended fishes in different versions of method of fish acute toxicity test[24-26]

注：*原文未列出魚的拉丁學名。

Note：*The fish's Latin names are not listed.

3 進一步發展化學品環境管理本土模式生物的建議(Advices about developing the native model organisms for Chinese chemical management)

3.1 促進稀有鮈鯽列入OECD和ISO導則標準的推薦魚種

OECD和國際標準化組織(ISO)在技術引領和標準化方面的全球影響力極大。前者推出了化學品測試系列方法[10-17]，后者推出了多項魚類水質測試標準方法[39-41]。這些測試方法及其中推薦的實驗魚種均為各國政府和學界業界所公認。目前我國是ISO的正式成員國，尚未加入OECD，而是以觀察員身份參加OECD相關活動。在模式生物方面，我國應借助OECD 和ISO開展國際合作交流，介紹稀有鮈鯽的全基因測序工作等基礎研究及其在環境保護、化學品管理等領域的實際應用，促進稀有鮈鯽列為OECD 和ISO相關導則和標準的推薦魚種，推動稀有鮈鯽的國際化。

3.2 進一步開展稀有鮈鯽敏感性研究、比對研究和標準化研究

目前已有學者開展了稀有鮈鯽對不同化學品的敏感性研究，也有學者將其與斑馬魚等通用模式生物進行毒性比對研究[38, 42]，但作為本土模式生物，如何盡快消除外界疑慮實現國際化，還需增加化學品類別，開展有機物、無機物、生物材料、納米材料等不同類別的敏感性研究。擴大比對研究范圍，開展稀有鮈鯽與斑馬魚、黑頭軟口鰷、青鳉、劍尾魚等其他常用模式生物的比對研究，開展不同實驗室間的比對研究，開展國家間的比對研究，不斷積累測試數據，促進各界對稀有鮈鯽作為化學品環境管理本土模式生物的認知和認可。

《2013版方法》[25]編錄的魚類生物效應試驗方法共8項，分別為：203魚類急性毒性試驗、204魚類延長毒性14 d試驗、210魚類早期生活階段毒性試驗、212魚類胚胎-卵黃囊吸收階段短期毒性試驗、215魚類幼體生長試驗、229魚類短期繁殖試驗、230魚類雌激素、雄激素活性與芳香酶抑制性21 d短期篩選試驗、234魚類性發育試驗。其中前4項方法將稀有鮈鯽作為首先推薦魚種，第5項方法將其作為第二推薦魚種，后3項沒有推薦。究其原因，后3項尚不屬于我國法規要求的測試數據項目，另一方面稀有鮈鯽的實驗動物標準化研究、慢性和內分泌干擾方面的毒理學研究尚未完全成熟。后期還需加強稀有鮈鯽的實驗動物標準化研究，開展稀有鮈鯽各生命階段、各種生物效應測試的標準方法開發。

表3 稀有鮈鯽和劍尾魚的生物學特性比較[4-5,27]Table 3 Comparison of biological characteristics between Gobiocypris rarus and Xiphophorus helleri[4-5,27]

3.3 成立稀有鮈鯽資源中心，建立養殖基地

目前全球已建成多個斑馬魚資源中心，美國德克薩斯州立大學內建有劍尾魚基因種質中心，俄勒岡大學建有信息最豐富的斑馬魚信息網[7]。我國于2012年10月在國家重大科學研究計劃資助下成立了國家斑馬魚資源中心[43]。而稀有鮈鯽方面，雖然中國科學院水生生物研究所已完成稀有鮈鯽的全基因測序，我國在稀有鮈鯽的遺傳標記、生物形態標記、飼養環境及微生物控制等關鍵領域的研究基本達到了國際上生態毒理學研究模式生物的基本要求，但相比斑馬魚尚存較大差距。未來若能加大投入，開展稀有鮈鯽基因改造，形成不同的遺傳品系，建立稀有鮈鯽數據庫和資源中心，無疑將對我國稀有鮈鯽研究具有重大意義。同時，若能以封閉群為基礎，建立稀有鮈鯽實驗生物養殖基地，則一方面可以促進稀有鮈鯽作為實驗用魚的產業化發展，另一方面可以確保生態毒理學、化學品管理等領域對魚類測試數據在質量和數量上的要求。

3.4 擴大研究范圍，篩選更多模式生物

經過近20年的努力，稀有鮈鯽作為我國模式生物的實際應用正在逐步推廣，劍尾魚、紅鯽(Carassius auratus red variety)、裸項櫛蝦魚(Ctenogobius gymnauchen)、唐魚(Tanichthys albonubes)等標準水生實驗動物化研究方面也取得了可喜成績[7]。但是，從長遠發展而言，我國本土模式生物的研究和應用尚處于起步階段。相比現有存在的數以萬計的化學品和需要保護的豐富的環境生物，這些實驗生物品系遠遠不足。以化學品環境管理中的水環境污染防治為例，若要對某種產量大或毒性大、可能形成較大水環境風險的化學品建立基準，按美國環保局提出的《推導保護水生生物及其用途的國家水生態基準技術指南》，應充分考慮生物多樣性，用于推導基準的毒性數據至少涉及3個門、8個科的水生動物[44]。而且理論上環境保護的對象是整個生態系統，化學品環境管理需要針對水體、沉積物、土壤、大氣、污水處理廠等不同環境介質分別開展風險評價，因此，盡管我國學者在本土環節動物、水生昆蟲等的實驗生物篩選方面開展了一些研究[45-49]，未來還應根據管理需求，結合科研發展，不斷擴大化學品環境管理模式生物的研究范圍，加強實驗動物標準化，野生動物實驗動物化，篩選、培養出更多的類似稀有鮈鯽、家蠶(Bombyx mori)那樣的本土模式生物。

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Needs and Application of Native Model Organisms for Chinese Chemical Management

Zhou Hong*, Guo Linlin, Lu Ling, Ge Haihong, Gao Yingxin

Solid Waste and Chemicals Management Center, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100029, China

26 November 2016 accepted 4 February 2017

Suitable experimental organisms and a lot of ecotoxicological data are bases of chemical environmental management. Native model organisms are very important to Chinese chemical environmental management. Gobiocypris rarus has become the first preferred native model organism recommended for Chinese chemical environmental management. It is necessary to make Gobiocypris rarus well-known to the world by carrying out international cooperation and further studies on genetics, standardization, sensitivities and comparison, etc. Native model organisms can be well developed and adopted only when scientific research is combined with sound management.

chemical; Gobiocypris rarus; model organism; native organism; environment management

國家“863計劃”課題(2012AA06A301，2013AA06A308)

周紅(1968-)，女，碩士，研究方向為化學品環境管理技術，E-mail: zhouhong@mepscc.cn

10.7524/AJE.1673-5897.20161126005

2016-11-26 錄用日期：2017-02-04

1673-5897(2017)2-011-09

X171.5

A

周紅(1968—)，女，碩士，研究員，主要從事化學品環境管理技術研究，已發表論文20余篇。

周紅, 郭琳琳, 盧玲, 等. 中國化學品環境管理對本土模式生物的需求和應用[J]. 生態毒理學報，2017, 12(2): 11-19

Zhou H, Guo L L, Lu L, et al. Needs and application of native model organisms for Chinese chemical management [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2017, 12(2): 11-19 (in Chinese)