广东化工 2010年第4期· 150 · 第37卷总第204期生物标志物监测环境污染研究新进展姜元臻(中山市环境监测站，广东中山 528400)[摘 要]生物标志物在环境污染监测方面的应用日益重要，文章侧重于对生物标志物在此方面的应用进行全面阐述，包括：生物标志物的定义及分类，生物标志物的特征及优势，生物标志物在检测环境污染的应用，最后还提出了生物标志物在环境监测方向的展望。

[关键词]生物标志物；环境污染；生物监测[中图分类号]O65 [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2010)04-0150-03New Advances of Study on Monitoring Environmental Pollution by BiomarkersJiang Yuanzhen(Zhongshan Environmental Monitoring Station, Zhongshan 528400, China)Abstract: Biomarkers is becoming more and more important in the application of environmental monitoring. The article focased on a comprehensive exposition of biomarker application in this regard, which included definition and classification of biomarker, characteristics and advantages of biomarker, biomarker’s application in the detection of environmental pollution, finally made an outlook of biomarker in the direction of environmental monitoring.Keywords: biomarker；environmental pollution；biomonitoring1 生物标志物概述1.1 生物标志物的定义目前，中国的环境监测工作还主要是针对环境中化学成分的存在量进行检测。

物理化学监测虽然能清楚地知道环境中各化学成分的具体含量及其变化，但却不能直接反应环境对生物所造成的毒害作用。

另外，由于环境中的许多污染物含量很低，相互混合，体系复杂，仅用化学因子监测的手段往往不能够全面的反映环境的污染状况。

在环保观念日益增强的今天，社会对环境评价的全面性和准确性的要求也日益增高，这就要求建立一个综合的、多手段的、多参数的环境监测体系以实现快速、高效、准确地对环境状况作出全面的评价。

而生物监测正好补充了理化监测的不足。

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。

随着分子生物学理论和技术的迅速发展，生物标志物(biomaker)的研究作为一个崭新的领域逐渐引起了国内外共同关注[1]。

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[2]。

Benson和DiGiulo[3]认为生物标志物是在生物个体所测得的生物化学、生理学或病理学反应，而这些生物学反应能给出环境污染物的暴露，或由暴露所引起的亚致死效应资料。

生物指示物(Bioindicators)自上世纪70年代污染生态学中出现并一直沿用至今。

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。

简单地讲，生物标志物就是可衡量环境污染物的暴露及效应的生物反应。

一个理想的生物标志物应具备化学特异性，能够微量鉴定、试验费用低廉、检验快速，与环境样品中污染物有量的相关性等。

寻找理想的生物标志物一直是环境监侧、环境毒理学及环境医学领域研究的重要内容。

1.2 生物标志物的分类和各种类型的生物标志物从功能上看，生物标志物一般可分为三类[4]，即暴露生物标志物(Biomarkers of exposure)，反应或毒性效应生物标志物(Biomarkers of responser or toxic effect)，易感性生物标志(Biomarkers of susceptibility)。

1.2.1 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白(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。

1.2.2 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 加合物(DNA-adducts)，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[5]。

酶活性抑制持久，因此，可作为重要的效应生物标志物。

如血细胞数和血细胞损伤的检测可提供各种资料，出现姊妹染色单体交换指示染色体潜在损伤，可由环氧乙烯暴露引起；缺乏特有淋巴细胞指示免疫抑制，可由二恶英(TCDD)等化学物质引起。

HSP70家族是序列最保守并且对污染物的应激反应最为显著的一类应激蛋白。

沈骅等[6]以鲫鱼为实验动物，Cu，EDAT-Cu，Zn，Pb，Cd，染料橙(HC Orange 1)及两种金属同时进行长期低浓度暴露，在不同浓度下，应激蛋白HSP70被不同程度地诱导，并有明显的剂量效应关系。

研究发现，在低于国家渔业水质标准的浓度下，HSP70仍然有显著的诱导表达，说明水体中污染物在低于现行渔业水质标准的浓度下，长期暴露仍然会对鱼类产生一定的损伤。

HSP70比传统的生长、繁殖等生物指标更为敏感。

1.2.3 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[收稿日期] 2009-07-31[作者简介]姜元臻(1982-)，男，山东人，硕士，主要从事环境监测方面的工作。

2010年第4期广东化工第37卷总第204期 · 151 ·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，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。

1.3 生物标志物的特征1.3.1 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(prognostic)功能[7]。

1.3.2 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露和毒性效应早期警报的指示物[8]。

1.3.3 广泛性具体表现在3个方面，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，如MT和DNA加合物，可广泛应用于各类生物[9-10]生物标志物既可用于实验室研究，也可用于现场实际监测。

而污染物的毒性活体鉴定，检验对象受限于较小的范围，很难推广到野外测试中。

1.4 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，测定的是污染物的亚致死效应(sublethal effects)。

与其他方法相比，生物标志物的优势主要有一下7个方面[11]。

(1)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排放带来监测结果的显著变异。

(2)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。

(3)应用于不同生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)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，无法在短期试验中测定。

而应用生物标志物可以部分地解决上述问题。

(5)对应在环境中易代谢、去除的污染物，如PANs和有机磷化合物，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。

(6)能够表现混合污染物之间相互作用的累积效应。

(7)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。

2 生物标志物在检测环境污染的应用2.1 选择生物标志物的原则[4]所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-反应关系，在无害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。

2.2 生物标志物常用测定方法[12]2.2.1 32P-后标记法32P-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酶解成脱氧核苷-3’-磷酸；(2)加人核酸酶，使正常单核苷酸的3’端去磷酸化，而加合的单核昔酸可抵制该作用；(3)用［32P］ATP和多聚核苷酸酶标记加合物核苷酸以产生脱氧核苷-3’,5’-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。