生物标志物在危险度评价中的

1、生物标志物在危险度评价中的应用Applications of Biomakers in the Risk Assessment 生物标志物概述 1987年美国国家科学院首先将生物标志物定义为由生物体或样品可测出由外来化合物导致的细胞学或生物化学组份或过程、以及结构或功能的变化。 最初只是将耐污的生物物种称为指示生物(Indicator species或Bioindicator)，随着污染生态学的野外研究和实验室毒性试验研究，逐渐将生物指示物的应用范围扩大至污染生态学的不同生物学组织层次，小至分子水平，大至生态系统结构与功能，包括发生在分子、生物化学、生理、病理组织、生物个体、种群、群落和生态系

2、统等不同生物学组织水平上的生物学效应，从生物学的角度为环境质量的监测和评价提供依据。 1 生物标志物的定义 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。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，并能准确评估生物体所处的污染状态及其潜在危害，为环境污染提供早期警报。 2 生物标志物的分类 各种生物标志物按其功能，一般可分为三类 。 暴露生物标志物(Biomarkers of exposure) 反应或毒性效应生物标志物(Biomarkers of responser or toxic effect) 易感性生

3、物标志(Biomarkers of susceptibility)。2.1 暴露生物标志物 暴露生物标志物指示机体经化学品的暴露，即污染物引起的物体的反应，如指示对重金属暴露的金属硫蛋自(MTs)，但此类标志物不能指示污染物的毒性效应，有助于研究生物对化学分析方法很难检测到的的环境中的不稳定化合物的暴露。暴露生物标志物一般依靠测定体液和组织中特定化学物质或者其代谢物，或者与生物分子相互作用形成的产物。 22反应或毒性效应生物标志物 效应标志物是指在一定的环境暴露作用下，生物体产生相应的可测定的生理生化变化或其它病理方面的改变，即指示污染物对生物体健康状况的损害效应。如指示DNA损伤的DNA加合

4、物，它可能是生物机体中某一内源性成分或测定机体功能容量，产生疾病或障碍的改变等。 确定化学物质的生物学效应的生物标志物很多，从最简单的标志物如监测体重变化至复杂的标志物如采用免疫化学技术测定特定同功酶。酶活性抑制持久，因此，可作为重要的效应生物标志物。 2.3 易感性生物标志物 易感性标志物是指当生物体暴露于某种特定的外源化合物时，由于其先天遗传性或后天获得性缺陷而反映出其反应能力的一类生物标志物，可指示生物个体对污染物的敏感性。在污染物与生物体相互作用过程中，机体因素是很重要的，性质与剂量相同的污染物对不同的个体可能出现迥然不同的反应，这取决于受作用个体的敏感性一。 一般地各个层次的生物组织

5、，小到微观分子，大到生态系统，在污染物的作用下，都有各自相对应的污染效应及相应的生物标志物。如水藻的种类、数量、结构等可以指示水体污染程度。但生物标志物的研究多集中于分子或细胞水平，种群、群落和生态系统层次上的生物标志物正处于研究的初始阶段。 3 生物标志物的特征 3.1 特异性 对特定有机污染物或重金属的暴露，有特定生物标志物。因此这些标志物对污染状况具备诊断作用。进一步了解相应的分子反应，并与更高层次的生态危害建立关联，生物标志物便可提供专一性的预报功能。 3.2 预警作用 污染物与生物体之间所有的相互作用都始于分子水平。生物标志物的产生是对污染物暴露的早期反应，因此这类标志物成了污染物暴

6、露和毒性效应早期警报的指示物。 3.3 广泛性 从微观分子到宏观生态系统，生物标志物在各个不同层次的生物组织上体现着污染物和生物之间的因果关系。 一般来说生物体之间的共性在分子水平上最大，所以许多分子生物标志物，可广泛应用于实验室研究，也可用于现场实际监测。而污染物的毒性活体鉴定则有难度。 4 生物标志物的优势 与其他方法相比，生物标志物的最大区别在于可以确定污染物与生物体之间已发生的相互作用。 与其他方法相比，生物标志物的优势主要有一下7大优势。 4.1 污染的时空分布 能够了解生物有效性的污染物质在时间和空间上的累积效应，而不是像化学分析难以摆脱抽验的属性。故不容易因异常天气状况或工厂间歇

7、排放带来监测结果的显著变异。 4.2 可用于因果关系研究 可确定环境污染物与暴露和风险的对应关系。通过生物反应的特异性，从机理上了解对生物体的危害性影响，建立因果关系，这对于处理环境事件时澄清法律责任是至关重要的。 4.3 可用于暴露途径研究 应用于不同生活环境或不同营养级的物种，可以揭示污染物的不同暴露途径，这将有益于确定监测方案的优先次序，并为采取何种干预和补救措施提供科学依据。4.4 解决毒理学的某些限制 毒性活体鉴定法虽然反映了特定污染物的相对毒性，但很难将实验室数据外推至野外的条件。许多影响因素，如化学形态、吸附吸收、污染物在食物链上的富集以及毒性作用的亚致死效应等等，无法在短期试验

8、中测定。而应用生物标志物可以部分地解决上述问题。 4.5 可提示易分解污染物的暴露和毒性 对应在环境中易代谢、去除的污染物，如有机磷化合物，生物标志物能同时指示母体化合物和代谢产物的暴露和毒性效应。 4.6 污染物联合作用的研究 能够表现混合污染物之间相互作用的累积效应。 4.7 预测危害 将不同层次生物组织(从分子到种群、群落)所采用的一系列测定和研究加以整合，通过生物标志物的短期变化就有可能预测污染物长期的生态效应。生物标志物在环境危险度评价中的应用 1 选择生物标志物的原则 选择的生物标志物必须具有一定的特异性、稳定性和足够的灵敏度，所选标志物的水平与外接触水平要有剂量一反应关系，在无害

9、效应接触水平下仍能维持这种关系并且分析的重复性及个体差异都在可接受的范围内。此外取样时最好对人体无损生，能为受试者所接受。 2 生物标志物常用测定方法 21 32P一后标记法32P一后标记法是分析DNA加合物的方法，越来越普遍，该方法包括以下几个步骤：(1)DNA酶解酶解成脱氧核苷一3一磷酸；(2)加人核酸酶，使正常单核苷酸的3端去去磷酸化磷酸化，而加合的单核昔酸可抵制该作用；(3)用32PATP和多聚核苷酸酶标记加合物核苷酸以产生脱氧核苷- 3，5一二磷酸；(4)分别经过高分辨率的薄层层析进行分离分析，使加合物和正常核酸分离，并用放射自显影绘制加合物显影图或液闪定量。此法灵敏度高，需要的DN

10、A少，且不需事先知道加合物的组成。 22 免疫学方法 目前最常用的免疫学方法包括放射免疫学方法(RIA)、酶联免疫吸附法(ELISA)和超敏感酶放射免疫法(USERA)。USERIA比ELISA更加灵敏。目前很多灵敏的免疫学方法能检测到特殊的加合物。免疫学方法在处理大量的样品时具有简便、经济的优点。 23 色谱质谱法 质谱与气（液）相色谱的联用是目前灵敏度很高的分析技术。2.4 荧光法 一些污染物可诱导生物体内某种酶活性的改变，该酶可能会促使其特异性反应发生而产生荧光性物质，通过测定其荧光强度就可以定量检测这些异生物质的种类和浓度。常用技术有同步荧光法、低温激光法和激发一发射荧光法等。 3 常

11、用的一些生物标志物 31重金属的生物标志物 311金属硫蛋白(MTs) MTs为富含半胱氨酸的低分子量蛋白质，具有调节内源性金属平衡、对重金属污染物解毒、清除自由基和参与某些应激反应的作用，对于重金属胁迫具有特异性，其作为重金属尤其是暴露的生物标志物已经得到广泛的应用。 312抗氧化酶类 抗氧化酶类主要有超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽还原酶(GR)。重金属离子影响或阻断呼吸链、电子传递链、酶促反应等体内正常生理代谢，导致活性氧自由基增加，从而诱导抗氧化酶类活性增加，故抗氧化酶类也被用作重金属污染的生物标志物。 313外周血清转氨酶 重金属元素沉积于动物肝脏会损伤肝脏细

12、胞，使肝脏中转氨酶释放进入血液，从而外周血清转氨酶活性升高。外周血清转氨酶是肝脏细胞损伤的重要标志，是一种非特异性生物标志物，除重金属外，有机污染物也会引起其活性的升高。 314免疫标志物 研究表明，生命非必需的元素如cd、Pb、Hg的暴露均抑制动物免疫功能，而免疫抑制和生物体抗性的下降之间有很好的相关性。但重金属也具有免疫刺激作用，从而产生自体免疫响应或自体免疫疾病，如cd和Hg的慢性暴露可以引起免疫介导的肾小球性肾炎。 32有机磷农药的生物标志物 321 胆碱酯酶(ChE) 胆碱酯酶是神经毒性物质如有机磷农药和氨基甲酸酯农药的敏感指标。其中最突出的就是乙酰胆碱酯酶(ACHE)。乙酰胆碱酯酶

13、主要参与突触的信息传递，目前已被广泛用作有机磷农药极性接触的效应生物标志物。 322 对氧磷酶 对氧磷酶不仅能水解对氧磷，还可水解其它有机磷酸酯、许多芳香族羧酸酯和氨基甲酸酯等，是有机磷农药生物检测的易感性生物标志物。 323 烷基磷酸酯 大多数有机磷农药可在体内代谢成为一种及一种以上的二烷基磷酸酯。这些产物通常可在接触后24-48h内在尿中出现，可作为有机磷农药的生物检测的暴露标志物。烷基磷酸酯近期和低水平接触较敏感，但分析复杂。 4 吸烟者的生物标志物 烟碱的代谢产物3一羟基甲基可替宁，是目前使用最广泛的用于评估主动和被动吸烟中烟气感受的生物标志物。烟草特有亚硝胺及其代谢物 研究最多的烟草