蚯蚓生态毒理生物分子标记及其作用

董欣欣

摘要：该文主要论述了蚯蚓生物分子标记研究，并对生物分子标记在土壤污染生态风险评价中的作用及发展前景进行展望。

关键词：生物分子标记；土壤污染；蚯蚓

土壤污染作为重要的环境问题已经日益受到世界性关注。以化学方法评价土壤污染及其危害程度具有低估污染物生物有效性，无法追踪代谢产物毒性、无法鉴定复合毒性等局限。因此，许多生物体特殊的分子、生化或行为等变化被用作标记指标污染物的毒性作用强度。

生物标记物有以下特点：1） 指示污染物生物有效性的积累毒性效应；2） 确定污染物暴露的风险对应关系，从机理上解释生物体受危害的原因；3）不同营养级的生物为试验物种可揭示不同途径的污染生态毒性；4） 指示母体污染物与代谢产物暴露的毒性效应；5） 指示复合污染的毒性相互作用关系；6） 将不同层次生物（个体、种群、群落）的系列毒性响应综合起来，通过生物标记物的短期变化，预测污染物的长期生态毒性效应。

一、蚯蚓生物分子标记研究

目前，蚯蚓生物分子标记主要有以下类型：

1、细胞结构和功能相关的生物标记

包括溶酶体膜稳定性免疫力检测，DNA断链的电泳彗星分析，精细胞的数量及形态变化[1]。上述生物标记属于细胞或亚细胞水平生物标记物。

2、解毒酶系和解毒相关蛋白的毒性生物标记

包括一相解毒酶，如细胞色素P450酶；二相解毒酶，如谷胱甘肽S转移酶（GSTs）；抗氧化相关的酶，如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶和过氧化物酶等；金属硫蛋白等[2]。目前，除金属硫蛋白以外，上述解毒蛋白的研究主要集中在监测其酶活力，相应的基因转录影响报道则较少。部分解毒酶具有多种同工酶，如细胞色素P450，它有不同基因编码，这些基因在外源污染物胁迫下的表达变化很可能不一致。研究其基因表达变化，更有助于揭示污染物的致毒机理。

3、间接参与解毒代谢过程的分子响应生物标记

间接参与解毒代谢过程的分子响应生物标记包括蛋白分子伴侣-热休克蛋白家族（HSP90、HSP70、HSPLW），与蚯蚓生殖相关的生物标记（如多肽Annetocin）等。这一类生物标记有些虽然不直接参与解毒，但在保护细胞中起重要作用。目前，蚯蚓HSPs研究多采用蛋白质免疫杂交方法进行定量分析，但其基因序列表达的研究尚未见报道。

4、蛋白表达、代谢物整体变化标记

蚯蚓代谢物中小分子量代谢产物的变化，蛋白表达模式的变化研究涉及代谢组学（metabolomics）和蛋白质组学（proteomics），是近几年发展起来的新学科。代谢组学是对某一生物或细胞中所有低分子量代谢产物进行定性和定量分析的学科，已广泛应用于疾病及药物研究。蛋白质组学是独立于基因组学而发展起来的新兴前沿学科，它可在特定时间和空间内研究完整生物体（或细胞）所表达的全体蛋白质特征，包括蛋白的表达水平，翻译后的修饰，蛋白质与蛋白质相互作用等。

二、蚯蚓生物分子标记在土壤污染生态风险评价中的作用

蚯蚓的土壤污染生态毒理生物标记物的研究仍然处于发展阶段，但可以看到污染对蚯蚓的影响是复杂的。差异表达基因通过各种途径共同响应外界污染物的胁迫，涉及能量代谢、蛋白质合成、解毒与抗氧化、金属离子调节与信号转导、产卵生殖等方面。其中不乏找到敏感的生物标记物，理想的生物标记物应具有特异性和应用性。或许有些生物标记不十分理想，但若具有某种特异性，即对低浓度污染早期诊断具有潜在作用。污染胁迫下的基因表达响应是一个复杂的网络，各种因素之间存在着许多关联。研究各种差异表达基因之间的相互关系，弄清整体调控网络，对全面了解污染物在生物体内引起的毒性效应及致毒機理具有重要意义。

三、蚯蚓生物分子标记在土壤污染生态风险评价中的发展前景

蚯蚓是土壤污染生态毒理学研究的模式生物，鉴于蚯蚓基因组尚未完成测序，筛选得到污染胁迫下蚯蚓的差异表达基因，将为土壤生态毒理基因组学的研究提供一些有益信息。快速经济发展带来环境污染问题越来越复杂，采用分子生物学的手段探索环境污染的生态效应，符合人类健康与社会经济发展长远持续发展的必然需要。蚯蚓生物标记研究可为突然生态环境风险评价提供有效的实用方法。新的发现将是对土壤污染生态学的发展做出新的贡献。

参考文献

[1] GIGGLEMAN M A， FITZPATRICK L C， GOVEN A J， et al. Effects of pentachlorophenol on survival of earthworms （Lumbricus terrestris） and phagocytosis by their immunoactive coelomocytes[J]. Environmental Toxicology and Chemistry， 1998， 17：2391–2394.

[2] BOOTH L H， OHALLORAN K. A comparison of biomarker responses in the earthworm Aporrectodea caliginosa to the organophosphorus insecticides diazinon and chlorpyrifos[J]. Environmental Toxicology and Chemistry， 2001， 20： 2494–2502.