海洋环境监测中生物标志物的研究进展

王旭浩++宁淑香

[摘 要]污染物的存在给海洋环境和生态健康带来了巨大的压力，生物标志物是一种用来进行环境污染物毒性效应早期预警的重要工具，它能对污染事件进行早期预警，并能在一定程度上评估生态风险。对近十多年来生物标志物的研究与应用进行了回顾，总结了不同水平（分子、细胞、个体、系统） 生物标志物的应用特点，且对现有的挑战和未来的发展趋势进行展望，为其在海洋环境监测中的合理应用提供理论借鉴。

[关键词]生物标志物；海洋环境；生物监测

中图分类号：TF046.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）08-0315-01

近年来，全球海洋污染状况日益严重。工农业废水和生活污水排入海洋，导致近海、港湾富营养化程度日趋严重，赤潮频繁发生。重金属、有机氯等污染物随着食物链积累，受污染的海洋食品给人们的健康带来潜在危害。生物监测是指利用生物对环境中污染物质的反应，来判断环境污染状况的一种手段，它能在一定程度上对水环境质量充分反映，占有至关重要的作用。

生物标志物是指由于生物体与环境因子相互作用而引起的任何可以测定的变化，包括生化、生理、免疫和遗传等多方面。将生物标志物应用于环境监测中，通过生物标志物的使用和测定，将能获得有关化学暴露、生物响应和污染效应之间的定性和定量相互关系的信息，从而对海洋环境进行预警与评价，并最终获得对环境保护、资源开发和可持续发展等具有指导意义的科学依据。

1 海洋环境中生物标志物种类

1.1基因类标志物

严重、长期的污染可以导致生物体核酸的损伤，部分核酸的损伤可以遗传给后代，导致物种畸形，甚至物种灭绝，常见的核酸损伤包括DNA链的断裂、加合、核仁的损伤等。Ching等通过室内暴露实验，证实苯并芘（3 ppb）对贻贝的DNA产生损害，使得部分核酸呈现不可逆断裂[1]。Wise等发现纳米银造成青鳉鱼的染色体非整倍性增加，并对后代造成遗传损害[2]。他们推测，DNA的变异表征在某种尺度上可反应海域受持久性有机污染的严重程度。德国学者也发现，三文鱼DNA加合现象可用于莱茵河污染源的预警[3]，且认为分子水平（DNA或RNA）的指示物具有清晰、明确、特异性更强的特点，避免了后续翻译与修饰过程中的干扰。

1.2蛋白类标志物

生物标志物中，蛋白类分子报道最多，其中尤以各种酶类为甚，包括脱毒酶、抗氧化酶、激素代谢酶等。抗氧化防御体系是动物体内重要的活性氧（ROS）清除系统，主要包括抗氧化酶以及小分子抗氧化剂。抗氧化防御系统的一个重要特征是其活性或含量可随污染的胁迫而发生改变，因而其活性和含量的变化可间接反映环境胁迫的存在，是环境污染胁迫的重要指标之一。近年来关于海洋动物抗氧化防御系统的研究也是生态毒理学研究的热点，包括乙氧基异吩恶唑-脱乙基酶（EROD）、谷胱甘肽硫-转移酶（GST）、超氧化物歧化酶（SOD）等。法国海洋监测系统已将鲽鱼体内EROD作为检测EDCs的生物标志物，GST、谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）是抗氧化系统中的重要酶类，起到生物转化和解毒的作用。细胞色素氧化酶（CYP450）是机体中催化外来物进行代谢的主要酶系，主要作用是通过氧化反应，清除异质类物质并将其排出体外。

1.3细胞类生物标志物

1997年，Thomulka和Lange利用海洋弧菌作为模型评价，借助其在不同水体环境下自身的发光特性，来评价硝基苯和三硝基苯的复合污染。当生物体内的污染物累积到一定程度，细胞会产生相应的代谢和毒性反应，细胞内的变化可以作为环境监测中暴露和效应的生物标志物。溶酶体膜的不稳定可被用作环境胁迫的标志物，溶酶体体积的变化是一般环境胁迫综合作用的一个良好指标。以贻贝为例，血淋巴介导的吞噬作用是清除体内异物的主要方式，在金属微粒和纳米微粒的环境中，最为活跃的生理运动由血淋巴来行使。进一步推测在非溶性污染颗粒中，血细胞的吞噬能力是一个良好的表征，它可以帮助人们鉴别环境中的污染物是处于溶解状态还是非溶解状态。

1.4海洋植物类标志物

随着生态毒理学研究的不断深入，近年来在一些非动物物种中发现了新的一些生物标志物，它们能够较好地反映某一海区重金属污染的情况。重金属通过各种途径进入水体后，一旦被藻类吸收，将引起藻类生长代谢与生理功能紊乱，抑制光合作用，减少细胞色素，导致细胞畸变、组织坏死，改变天然环境中藻类的种类组成。Hutchins等的研究发现通过测定莱茵衣藻中铜的含量，能够反向推导水体中铜的含量；由于植物相对固定的栖息环境，适合于用作长期的原位监测。海洋微藻研究中，Torres等[5]总结了前人利用藻类作为生物标志物的工作和藻细胞身上特殊的酶学标志物。通过分析水生藻类的种类和数量组成，研究其生理、生化反应及积累毒物的特点，可以准确地判断水体的污染性质和污染程度。他们认为相比于鱼类、贝类、蟹类，海藻具有更强的污染物累积和放大效应，更能反映源头的污染状况。

2 环境监测中生物标志物的应用

生物标志物的变化可以反映生物系统在环境污染物的作用下，发生在分子、细胞及个体水平上，各种生化和生理功能的变化，对分子、生化和生理水平上不同生物标志物进行测定，不仅有助于确定生物体所暴露的环境的污染状态及其潜在危害，还可为环境退化提供早期预警，对评价水体污染和水体生态系统早期预警显得非常重要[6]。

不同的生物标志物对化学污染物具有不同的特异性。例如氨基乙酰丙酸脱水酶（ALAD）的活性能被重金属铅特异性的抑制，即铅暴露与ALAD的活性抑制之间具有直接的因果相关关系，因此，ALAD的活性抑制就被认为是指示环境中铅污染的特异性生物标志物。

3 洋污染监测生物标志物现存的挑战

尽管生物标志物在海洋环境污染监测中的应用获得了广泛的研究，然而，生物标志物作为海洋环境监测工具的应用仍处于起步阶段，有关的理想生物标志物仍在筛选之中。由于生态系统的复杂性，获得理想的生物标志物是不容易的。在实际的监测实施过程中仍有一些需要值得重视的问题[9]。众所周知，生命是一个复杂系统，一种生理活动的响应可能不是单一原因引起的。因此，生物标志物的专一性问题就存在质疑。生物监测未能很好地克服对设备的高要求和对成本的高依赖，现行生物标志物的数据集中在有限的模式生物，要丰富和扩充标志物的数据，会给后续的建库增加了成本。因此，现行的成本压力依旧是限制生物标志物应用的一个关键因素。

4 展望

目前，在世界范围内，基于生物标志物的生态监测已在不同尺度的水体得到了应用并取得了不少进展。用适当的指标来表征这些反应，可以对污染的状况和程度进行监测和评价。生物标志物对海洋环境系统的监测能够在一定程度反映出污染的综合生物学效应，与化学和仪器监测结合起来，能较好地说明环境污染对生物产生的综合效应，将是未来环境监测中行之有效的手段之一。

参考文献

[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]计勇，陆光华.水体污染风险预警的生物标志物技术.河海大学学报：自然科学版，2010，38（3）：258-62

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