标志物要在生态系统现状研究中广泛运用,还应对一类污染而非针对某一种污染产生反 应[5]。特异性标志物可反映特定污染物的效应,有助于建立暴露-效应关系。
基于以上考虑，现对生物标志物的特性总结如下： （1）具有一定的敏感性，生物标志物的敏感性应高于一般生物检测指标。 （2）具有一定的特异性。 （3）具有一定野外应用价值。 （4）要求选取对受试生物损害较小的指标，技术易于掌握。

生物标志物及其在环境监测中的应用
摘要:
王超
1（大连水产学院生命科学与技术学院，大连 116023)
Email:chaopaper@
本文探讨了生物系统各级生物学水平的生物标志物。并说明了其在生态毒理研究和
环境危险评价中的意义。讨论了细胞色素 P450 在生命活动中的作用，并对其作为生物标志
r2>0.95。可以确信，P450 的某种特定的形式能够反映出有机物或是环境中的污染物水平。
由于诱导作用的特异性，只要合理地布设采样点，就能从样品的分析中获得很多信息。
以上现场与实验室研究都表明，对大多数有毒物质来说，P450 是生物暴露于其中产生
效应最及时、最敏感的指标之一。
4.2 P450 的作用原理：
5 结论
生物标志物检测能提供有毒化学污染物环境生物效应的信息，对生态毒理研究和环境危 险评价具有重要意义。P450 作为生物标志物，在机体或环境污染物风险评价中起着关键性
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的指示作用，其在毒理学上的应用受到了广泛的注意，且具有极大的潜力。掌握污染物危害 发生前细胞色素 P450 的状况, 对于制定预防性的管理措施，及时避免或减轻环境污染的损 害都具有重要意义。这也是 P450 酶系在生态风险评价中最有益的应用前景。
根据以上特性人们从污染物进入各级生物学水平所产生的大量反应中筛选出一些标志 物：行为标志物，例如，用鱼的选择行为或躲避行为来检测腐殖质的毒性，大型蚤 (Daphniamagna)由于具有敏感等优越性,已用于行为测试。Hoof等[6]概述了大型蚤行为测试, 包括趋光性分析和运动分析。用牡蛎壳运动反应,发光菌等进行标志物研究等。生理标志物 既包括一些特异的生理反应终点,如免疫学反应,也包括普通的生理现象,如生长、繁殖、发 育等。如鱼鳃组织的生理变化，鱼鳃是首先接触污染物的组织,故接触有毒物质会产生明显 生理变化,影响鱼的呼吸,同时伴随相应行为变化[7,8]。组织病理标志物，如脊柱、脊索等组
以下是这一反应的示意图[12]:
底物和氧化型 P450 的复合物
底物
XOOH
O2
氧化型 P450
羟化
产物
H2O
H2O2
脂肪过氧化
还原型 P450 和底物的复 合物
黄素蛋白 还原酶
NADPH
底物还原 CO 型 P450、
CO 的 复 合物
含 O2 的 P450
和底物的复
合物
O2
氧 化 型 P450 和氧化底物的 复合物
P450 酶系在生物体中具有重要的功能——转化许多内源性和外源性的化学物质。在动 物体内一系列内源化合物的酶促反应中，P450 合成并降解类固醇、脂肪酸和其他生物分子。 在转化外源化合物时，P450 在污染化学物质、药物以及化学致癌物质的解毒和排泄过程中 均起了关键的作用，尤其是对环境有害化合物质的有氧氧化代谢作用以实现机体的解毒过 程，但在某些情况下，外来物质可能被转化为具细胞毒性或致癌作用更强的物质,起毒性活 化作用，这就是P450 受到广泛重视原因[10,11]。细胞色素P450 酶系在毒理学上的意义是可作 为污染物潜在影响的早期预警信号、系统对环境污染进行监测和预报，且对于制定预防性的 管理措施，及时避免或减轻环境污染的损害都具有重要意义。
细胞色素b5
黄素蛋白 还原酶
NADH
由于生物所处环境的不同，P450 还有其他的催化机制，如在无氧条件下存在过氧化物
支路，过氧化物提供氧原子使底物羟基化等。
4.3 P450 在环境监测中的应用：
在毒理学领域P450 酶系已做为毒物毒性的生物标志物(biomarker)而广泛应用。在海洋
环境监测应用最多的是细胞色素P4501A1，它是一种微粒体加单氧酶,催化多种有机异生物质
4.1 作为标志物的依据：
近十几年做的一些研究表明，在污水中生活的鱼，其肝脏细胞中能被 PAH 诱导的 P450 单加氧酶的活力有所提高。实际上，肝脏细胞色素 P450 酶系的诱导已被提出作为评价环境 污染状况最灵敏的生物学反应之一。最近关于化学物质（PCB）的浓度与单加氧酶活力的研 究也支持了因为化学物质的诱导而使酶活力升高的观点。
3 生物标志物的特性
生态系统效应
典型标志物 DNA 、RNA 、关键酶结 构或性质的变化 细胞膜影响、染色体损 伤、线粒体改变 组织、器官病变 行为改变、不育、死亡 种群密度、生产力、竞争 改变 群落结构、多样性、稳定 性改变 生物多样性降低
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。在用动物模型 研究低浓度污染物效应时,选择敏感的标志物尤为重要。有人曾用处于胚胎或幼体时期的生 物体来检测其生理变化,如Ensenbach等[4]发现斑马鱼在胚胎仔鱼阶段，生长、发育和存活率 对有机污染十分敏感,很低浓度的 3,4-二氯苯胺(40mg/L)和高丙体六六六(2μg/L)的混合 暴露即可明显减缓仔鱼的生长发育,80μg/L的林丹可降低仔鱼的存活率。
参考文献
[1]Depledge M H,Aagaard A, GyOrkOs P. Assessment of trace metal toxicity using molecular, physiological and behavioural biomarkers [J]. Mar. Pollut. Bull., 1995, 31:19-27
近年来，已经开始利用PAH诱导鱼使其产生P450 抗体这一特性来检测环境中存在的诱 导污染物。在实验室，鱼体暴露于毒物后 12－24 小时，就能够明显观察到P450 诱导作用的 发生。在一些研究中，肝细胞P4501A蛋白的浓度与PCB的浓度存在明显的相关性，相关系数
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4.5 未来的研究方向：
1） 某些环境诱导物的剂量－效应关系比较模糊；需通过建立 P450 的诱导强度和环境或是 机体中污染物的浓度之间清晰的关系。
2） 在监测过程中，还需对测定诱导产生 P450 作用强度的一些方法进一步改进以使测量成 本降低并能够在常规监测中得到应用。
3） 化学物质在生理生化水平上的效应（如 mRNA、蛋白质、酶活力），与化学物质在更高水 平上的效应（如在器官、个体或种群）之间的关系，应该得到进一步的研究。
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织的病理变化一般不受生物体自身状态以及正常环境影响，而大多与污染物或不良环境条件 有关。免疫毒理学标志物有:细胞数、组织重量、形态、血清蛋白等。
目前对生物标志物的研究多集中于分子或细胞水平。分子水平的变化往往是能最先被定 量检测出来的环境变化引起的生物效应。与更高层次的生物组织水平相比较，生化系统的改 变所起到指示作用更灵敏。因为分子水平上的变化往往是生物更高组织水平受到影响的基 础。根据受影响系统的功能及产生效应的性质，生化系统的变化能够指示生物体是否会受到 进一步的影响。这就更突出了生化生物标志物的内在价值。
生物系统的各级生物学水平[3] 生物分子
细胞器 细胞 组织 器官 器官系统 个体 种群 群落 生态系统
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层次 分子
生物标志物体系 效应
分子效应

细胞器/细胞
细胞效应
组织/器官 个体 种群
生理、健康和疾病效应 受损的生殖能力，死亡
种群效应
群落
可能的灭绝
生态系统
如PAH、PCB、硝基芳烃化合物等发生生物转化反应。对水生脊椎动物来说，肝脏中含量最高。 在哺乳动物和鱼体内的细胞色素P4501A1 的研究结果都证实其是由异生物质诱导的[13]。所以
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肝细胞色素P450 酶系的诱导已被提出作为评价环境污染状况的最灵敏的生物学反应之一。 目前，对细胞色素P450 作为生物标志物指示环境污染国际上已有相关报道。法国选择
P450 可以催化很多种反应，有人称其为万能的催化剂。P450 的化学结构是一种含一个
铁原子的仆啉蛋白，P450 催化反应涉及多个步骤，典型的反应是通过电子传递链系统将分
子氧还原，并将其中一个氧原子加到底物中，反应需 NADPH 参加，反应式如下：
P450
RH+O2+NADPH+H+
ROH+H2O+NADP+
4.4 存在的缺陷：
细胞色素 P450 作为生物标志物，也存在一定的缺陷。P450 酶系因受到很多因素的影响， 加上实验条件的差异、实验方法的不同、P450 酶系的纯度等会对试验结果产生一定干扰， 从而使得试验结果间的可比性差。P450 不能很好的指示多种污染物的效应或环境中自然条 件下污染物所产生的影响即因试验条件和自然条件间的差异，使得一些试验结果与实际观察 到的情况不一致等。对于以上情况可以通过单克隆抗体技术、严格控制实验条件、进行多次 重复实验来克服这些缺陷。
下面将讨论对环境污染物质产生反应的酶（细胞色素 P450），其在生命活动中的作用， 然后对其作为生物标志物的可行性进行评估，最后讨论它在环境监测方面的应用情况。
4 细胞色素 P450:
细胞色素P450 是广泛分布于动物、植物和微生物等不同生物体内的一类代谢酶类，也 是转化有机化学物质结构的一系列酶。因其还原型与CO结合后在波长 450nm处有吸收峰而得 名,但P450 并不能代表其真正含义,理论上这类蛋白质该称为血红素-硫铁蛋白[9]，它是由结 构和功能相关的超家族(super family)基因编码的含铁血红素同工酶组成。原核生物和真核 生物中超过 100 个P450 基因已经被测序，而且归为 27 个基因组。由这些酶催化的反应一般 被统称为混合功能氧化酶反应或是单加氧化酶反应。