（环境科学专业论文）石油污染地区泰乐菌素和孔雀石绿与其污染介质的交互作用和环境基准.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r ya n dt h ei m p r o v e m e n to ft h es t a n d a r do fl i v i n g ， s c i e n t i f i cr e s e a r c hp a y sm o r ea t t e n t i o nt ot h ej o i n tt o x i c i t ya n dc o m b i n e de f f e c t s t h e s t u d yo fe n v i r o n m e n t a lb e n c h m a r ki sa l s oe x i g e n t i nt h i sp a p e r , w es t u d i e dt h ei n t e r a c t i o no ft y l o s i n ，m a l a c h i t eg r e e n ，a n dt h e i r c o n t a m i n a t e dm e d i u mi nc r u d e - o i l c o n t a m i n a t e da r e a u n d e rt h ei n d o o rs i m u l a n t c o n d i t i o n s ，s i n g l ea n dj o i n tt o x i ce f f e c t so fc r u d e - o i l c o n t a m i n a t e ds o i l ，t y l o s i n ，a n d m a l a c h i t e g r e e n t od e a t h r a t e ，b r a i na c e t y l c h o l i n e s t e r a s e ，h e p a t i c s u p e r o x i d e d i s m u t a s e ，c a t a l a s e ，g l u t a t h i o n e - s t r a n s f e r a s e ，a n dm a l o n d i a l d e h y d eo fd a p h n i a m a g n a ，d a n i or e r h 9 ，a n dc a r a s s i u sa u r a t u sw e r ei n v e s t i g a t e d o u ra i mi st op r o v i d e t e c h n o l o g i c a lb a s e sf o rp o t e n t i a le c o l o g i c a lr i s ka s s e s s i n go fc r u d e o i l c o n t a m i n a t e d s o i l ，t y l o s i n , a n dm a l a c h i t eg r e e n ；t oe l e m e n t a r i l yi n v e s t i g a t et h e i rt o x i cm o d e sa n d t o x i cm e c h a n i s m s ；a n dt od e v e l o pt h ee a r l yb i o m a r k e r so ft h e s es u b s t a n c e s a l s oo u r r e s u l t sc a nb e u s e dt oc a l c u l a t et h ec r i t i c a lc o n c e n t r a t i o no fe n v i r o n m e n t a l b e n c h m a r k r e s u l ts h o w st h a tt h ea c t i v i t yo fa c h e ，s o d ，c a t , g s t , a n dt h ec o n t e n to f m d aw e r ec h a n g e ds i g n i f i c a n t l yb yd i f f e r e n te x p o s u r et i m ea n de x p o s u r ed o s e so f c r u d e - o i l c o n t a m i n a t e ds o i l ，t y l o s i n ，a n dm a l a c h i t eg r e e n t h ei n t e r a c t i o ne f f e c t sw e r e d e t e c t e dw h e nt h e r ew e r et w oo rm o r es u b s t a n c e so c c u r r i n gs i m u l t a n e o u s l yi nt h e a q u a t i ce n v i r o n m e n t ，a n dt h ei n t e r a c t i o ne f f e c tw o u l dc h a n g ew i t hd i f f e r e n te x p o s u r e t i m e t h ee n v i r o n m e n t a lr e s t o r a t i o nb e n c h m a r ko ft y l o s i na n dm a l a c h i t eg r e e ni n a q u a t i ce n v i r o n m e n ti s4 71 9 5m g r la n d0 14m g ls e p a r a t e l y t h ee n v i r o n m e n t a l q u a l i t yb e n c h m a r ko fm a l a c h i t eg r e e na n dc r u d e - o i l - c o n t a m i n m e ds o i li s0 0 0 2m e g l a n d0 5g ls e p a r a t e l y k e yw o r d s ：c r u d e o i l - c o n t a m i n a t e ds o i lm a l a c h i t eg r e e nt y l o s i n e n z y m e a c t i v i t y e v i r o n m e n t a lb e n c h m a r k i i 南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩； 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 2 0 年月日 南开大学研究生学位论文作者信息 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 0 综述 综述 研究背景 1 1 1 土壤的石油污染现状 石油，作为推动现代社会高速运转的主要能量来源已将近4 0 0 年。全世界 大规模开采石油是从2 0 世纪初开始的，1 9 0 0 年全世界消费量约2 1 0 7 t ，1 0 0 年 来这一数量已增长百余倍，石油已成为人类最主要的能源之一【l 】。我国自1 9 7 8 年 原油年产量突破l 亿吨大关而成为世界十大产油国之一以来，目前勘探开发的 油气田和油气藏已有4 0 0 多个【2 j 。石油是由各种不同的碳氢化合物及少量其他 有机物( 硫化物、氮化物、环烷酸类等) 所组成的粘稠易燃的、颜色从黄到黑 的复杂混合物，含有三类主要烃：烷烃、环烷烃和芳香烃。不同来源的原油成 分可以有很大的区别，有的石油样品可含2 0 0 3 0 0 种烃类，分子量从1 6 至1 0 0 0 左右，其物理状态包括气体、挥发性液体、高沸点液体以及固体f l j 。石油可以分 离成多种成份，包括天然气、汽油、挥发油、煤油、燃料和润滑油、石蜡和沥 青等。 石油不仅是人类主耍的能源之一，也是人类环境污染源之一。当今世界上 石油的总产量，每年约有2 2 亿t ，每年全世界就有8 0 0 万t 进入环境，污染土壤、 地下水、河流和海洋1 2 ，3 l 。我国作为石油生产、消费大国，由于生产条件、环保 技术等方面相对落后，石油污染问题相当突出。有关调查报告显示，我国部分 石油化工区土壤残油高达1 0 0 0 0m g k g ，是临界值( 2 0 0m g k g ) 的5 0 多倍，每 年新污染土壤lx1 0 8k g 【4 1 。据统计，我国每年有6 0 万t 石油经跑、冒、滴、漏等 途径进入环境，对土壤、地下水、地表水造成污染1 5 】。贾建丽等对我国基于不同 气候、地理等区域环境下6 大油田区的调查研究发现，油田区土壤受到了不同 程度的石油污染，含油率最高达2 3 ，超过环境背景值的5 0 0 1 0 0 0 倍【6 】。我国 的大庆、辽河等油田的重污染区的土壤表层( 0 2 0e r a ) 的含油量达3 0 5 0 t t l 。 石油在勘探、开采、炼制、运输、储存与使用等过程中，由于事故、不正 常操作及检修等原因，常发生渗漏、溢油和不达标排放现象，造成了严重的土 壤污染。在油田进行钻井作业时，会产生含有石油类污染物的钻井废水及含油 泥浆。这是钻井过程中由冲洗地面设备的油污、起下钻作业时泥浆流失、泥浆 0 综述 循环系统渗漏而产生的【8 】。在原油开采过程中发生井喷等事故，输油管线和贮油 罐的泄漏事故，油槽车和油轮的泄祸事故，油井清蜡和油田地面设备检修，炼 油和石油化工生产装置检修等，也造成大量石油烃类直接进入土壤1 9 m 】。在试油、 洗井、油井大修、堵水、松泵、下泵等井下作业和油气集输过程中，落地油和 含油污水对土壤造成了严重污染，尤其落地油是油田开发的最主要污染物【1 1 1 。 我国石油企业每年产生落地油约7 0 0 万t ，各油田每作业一次遗留于井场的落地 油为几十到几百公斤【l2 1 。落地原油污染物平面上主要以放射状分布在以油井为 中心的一定范围内。油田井口周围5m 5m 范围为最污染区，地面呈黑色，5 0m 3 0m 范围为严重污染区，有原油、油泥散落，地面溢油再加上遗留井场的钻 井泥浆池和作业泥浆池，一般井场周围污染范围在1 0 0 0 2 0 0 0m 之间【l2 1 。进入土 壤环境后，由于石油类物质的粘度大，粘滞性强，流动性差，纵向上对土壤的 初步污染多集中于地表下2 0c m 左右的表层【l 引。其污染土壤的方式是含油固体物 质与土壤颗粒的掺混，在短时间内形成小范围的高浓度污染，石油浓度大大超 过土壤颗粒的吸附量，过量的石油就存在于土壤空隙中瞵j 。 石油污染泛指原油和石油初加工产品( 包括汽油、煤油、柴油、重油、润 滑油等) 及各类油的分解产物所引起的污染【4 】。石油污染的危害主要有破坏土壤， 污染水体，和污染空气三个方面。石油中的许多成分如苯、甲苯、乙苯、菲、 苯并【a 】芘等都被列为美国环保局( e p a ) 优先污染物范围【5 】。石油污染物中芳香 烃类物质对人及动物的毒性较大，尤其是多环和三环为代表的芳烃。多环芳烃 类物质可通过呼吸、皮肤接触、饮食摄入方式进入人或动物体内，影响肝、肾 等器官的正常功能，甚至引起癌变【l 引。石油中的苯、甲苯、酚类等物质，如果 经较长时间较大浓度接触，会引起恶心、头疼、眩晕等症状【l 】。石油中的各种结 构的烃，一旦被生物吸收后，其性质变得相当稳定，并在食物链中循环传递， 逐渐积累和浓缩，最终这些长效毒物由经济鱼、贝类等进入人体。除此之外， 一直未被重视的石油烃低度污染近些年也出现了端倪。我国沈抚灌区的石油烃 浓度虽然远远低于千分之一，但是生产出来的粮食中有油味【7 。 随着石油开采和使用量的增加，在勘探、开采、炼制、贮运、使用等过程 中，原油和各种石油制品泄漏及含油废水的排放，进入环境造成污染成为一种 普遍的现象，在生态环境和社会环境方面造成一定的影响，已成为目前国际上 环境科学研究的热点之一【1 5 - 1 s l 。土壤是人类赖以生存和发展的物质基础及人类 生态环境的重要组成部分。土壤石油污染的全面综合治理，是一项长期而艰巨 2 0 综述 的任务，因此迫切需要结合各地情况进行综合研究，积极采取有效措施，切实 防治土壤石油污染1 1 w 。石油污染土壤随地表径流冲刷如水环境，在径流中，由 于水流的剪切作用，土壤团颗粒结构被破坏，分布在土壤颗粒空隙中的石油类 物质释放出来，会对水生生物造成胁迫【8 1 。 1 1 2 新型污染物的污染现状 药物及个人护理用品( p h a r m a c e u t i c a l sa n dp e r s o n a lc 8 1 ep r o d u c t s ，p p c p s ) 作为一类新型污染物( e m e r g i n gc h e m i c a l s ) ，日益引起全世界的普遍关注 2 0 - 2 3 1 。 人们在日常生活中，每天都要刷牙、洗脸、化妆和洗澡，生病的人畜还要服用 各种药品，由此导致了各种p p c p s 对环境的污染、对生态系统的毒害、以及对人 类健康的威胁。过去有关有毒污染物的研究主要集中在工业化学物质和农药上， 关于p p c p s 对环境污染的研究以及对生物的毒害效应仅仅是近些年才开始受到 重视【2 舢2 6 1 。 p p c p s 包括各种处方和非处方药( 如抗生素、类固醇、消炎药、止痛药、镇 静剂、显影剂、降压药、避孕药、催眠药和减肥药等) 、香料、化妆品、遮光剂、 染发剂、发胶、香皂和洗发水等【2 7 】。环境中常见的有合成麝香物质、显影剂、 抗生素、雌激素消炎止痛药、杀菌消毒剂等【2 引。虽然p p c p s 的半衰期不是很长， 但由于其被频繁地使用，通过持续的输入环境，这些低浓度的物质表现出像真 正的持久性污染物一样的暴露潜力，因为它们的转化去除率可以由替换率补 偿，导致其形成“假持续”现象【2 9 1 。p p c p s 通过多种途径进入环境，人和牲畜服 用的药物大多不能被吸收利用而随排泄物进入环境，个人洗护用品在洗脸、洗 澡和游泳时也会直接进入到环境中【2 s 1 。目前p p c p s 已经在各类环境和生物样本中 被广泛检出【m 3 2 j 。 在常见的p p c p s 中，抗生素类杀菌物质的检出频率最高【2 引。抗生素是生物， 包括微生物、植物和动物在内，在其生命活动过程中所产生的( 或由其他方法 获得的) ，能在低微浓度下有选择地抑制或影响它种生物功能的有机物质【3 3 1 。环 境中的抗生素主要来源于农用兽药牲畜的饲养、水产养殖和人类医用药物【3 4 1 。 在广泛使用抗生素的渔牧业，抗生素除了用来防治疾病，还被添加到动物的食 物中，为了在相同饲料量下略为加快动物的生长速度，补偿不卫生的生长条件， 和阻止那些由于拥挤和压力条件造成的疾病带来的死亡损失，增加生产者的利 润。抗生素经有机体摄入后，会以原形化合物或代谢产物的方式从粪尿排出。 3 0 综述 含有抗生素残余和抗生素抗性菌的粪尿被作为肥料施用于农田污染了土壤，通 过地表径流，还将进入地表和地下水。从化粪池泄漏的粪肥也会污染土壤和地 下水。由于滥用，大量的抗生素及其代谢产物不断地进入环境，对土壤和水体 等生态环境带来不良影响。一方面引起细菌耐药，另一方面也破坏了生态平衡， 并会通过食物链循环产生毒害作用，影响动物、植物和微生物的正常生命活动， 最终会影响到人类健康，其不良后果不容忽视【3 5 1 。许多国家都相继采取了一系 列的措施来规范、限制或者禁止抗生素的使用【3 6 3 7 1 。 我国是渔业生产大国，2 0 0 2 年全国水产品总产量达4 5 7 0 万t ，其中养殖产 量为2 6 0 0 多万t ，海、淡水养殖的品种有1 0 0 余种【3 引。由于我国水产养殖业的迅 速发展，养殖规模和集约化程度不断扩大和提高，水生动物疾病的爆发及发病 程度也相应增加，防病治病的药物用量也不断增大。大量的抗生素和杀菌消毒 剂被广泛的用于水产疾病的防治或添加鱼饲料中以促进水生动物的生长，并且 减少运输等过程中的死病损失。抗生素会通过饲料残余，鱼类排泄粪便，和清 理网箱被直接排放入接受水体。大量的饲料没有被消费掉而积累在沉积物中污 染了水体，对水生生物会产生不利的影响。它们还可以沉降进入淤泥，随着淤 泥被用于土壤施肥，又会被转移到其它环境中。许多杀菌消毒剂都具有严重的 副作用，能够对水生生物产生胁迫和毒性，并且能够积累在生物体内，顺着食 物链最终进入人体，对人产生毒害作用 3 9 - 4 2 。 复合污染、交互作用与联合毒性研究进展 随着科学技术的进步和工业的发展，进入到环境中的污染物，无论是总量 还是种类，都在持续不断地增加【4 3 ，4 4 1 。在自然环境中，污染物很少单独存在于 某一环境中，多具有伴生性或综合性，形成多种污染物同时存在的复合污染， 势必会对生态系统各组分产生复合污染生态效应【4 5 47 1 。随着人们对环境问题认 识的不断深入，已从单一污染的研究转向多种污染物复合污染的研究。有关毒 物交互作用的问题，特别是复合污染以及污染物之间的交互作用，由于更与现 实环境污染相一致而受到日益重视【4 3 5 0 。 所谓复合污染，是指2 种或2 种以上不同种类不同性质的污染物；或同种 污染物的不同来源；或2 种及2 种以上不同类型的污染在同一环境中同时存在 所形成的环境污染现象【5 l 5 2 1 。1 9 9 5 年，周启星【4 3 埘复合污染这一概念进行了扩 4 0 综述 展，对复合污染的基本内涵进行了补充和完善。他认为：复合污染在概念上并 不等同于“污染物+ 污染物”，复合污染应该同时具有以下3 个基本条件：( 1 ) 一种以上的化学污染物同时或先后进入同一环境介质或生态系统同一分室；( 2 ) 化学污染物之间、化学污染物与生物体之间发生交互作用；( 3 ) 经历化学的和 物理化学的过程、生理生化过程、生物体发生中毒过程或解毒适应过程等3 个 阶段。 复合污染效应可包括加合作用、协同作用和拮抗作用3 种类型，其基本涵 义是：加合作用产生的毒性效应等于各污染物单独作用的毒性效应之和；拮抗 作用的毒性效应小于各污染物单独作用的毒性之和；协同作用产生的毒性效应 大于各污染物单独作用的毒性效应之和1 5 3 5 4 1 。实际上，即使同样的复合污染， 对于不同的效应和指标来说可能都会表现出不同的结果，所以说其效应是具体 的。严格地说，复合污染必然会产生协同或拮抗，绝对的相加作用是不存在的。 对复合污染机制的研究重要的是对复合污染物之间交互作用机理的认识。交互 作用本质上是一种毒物改变与其共存的其他毒物毒性的作用，其机制在于改变 参与其中的化合物的化学性质和影响有机体生理代谢过程。前者改变化合物的 化学结构和化学物种的形成，后者则改变了扩散、排泄、生物转化等【5 5 1 。 关于复合污染的类型，根据污染物来源及类型可以有2 种分类系统【5 6 1 。( 1 ) 按污染物来源分，可分为：同源复合污染：它是由处于同一环境介质( 大气、 水体或土壤) 中的多种污染物所形成的复合污染。根据所处的环境介质的不同 可进步分为大气复合污染型、水体复合污染型和土壤复合污染型。异源复 合污染：由不同环境介质来源的同一污染物或不同污染物所形成的复合污染现 象。它可进一步分为大气土壤复合型，大气水体复合型、土壤水体复合型， 大气土壤水体复合型。( 2 ) 按污染物类型分，可分为：有机复合污染：由2 种或2 种以上有机污染物共存所形成。无机复合污染：2 种或2 种以上无机污 染物同时作用所形成的环境污染现象。有机无机复合污染：有机污染物和无 机污染物在同一环境中同时存在所形成的环境污染现象。 在单因子污染胁迫下，污染物对生物的毒害效应，除了污染物理化性质的 作用外，污染物的浓度起了至关重要的作用【5 7 】。在多元复合污染条件下，污染 物本身的化学性质对复合污染生态效应所起的作用，要比其浓度组合关系的影 响小得多，污染物暴露的浓度组合关系更为直接，在一定条件下甚至起决定作 用【5 引。影响复合污染物相互作用的因子有：( 1 ) 生物因子。复合污染物的生理 5 0 综述 生态效应受生物种类、生态系统类型、作用部位、生物营养状况以及生物年龄 和性别等因素的影响。( 2 ) 污染物因子。污染物因子包括污染物种类、污染物 化学结构与性质、处理方式、污染物浓度、污染物之间浓度比等。( 3 ) 环境因 子。环境因子主要包括温度、湿度、光照、p h 、有机物含量、土壤条件( 包括 p h ，c e c ，e h 等) 。 目前关于复合污染的作用机理主要有竞争结合位点、影响生物酶的活性、 干扰生物正常的生理过程、改变生物细胞结构和功能、螯合( 或络合) 和沉淀 作用以及干扰生物大分子的结构和功能等几种学说【5 9 - 6 2 1 。复合污染的作用机制 主要有【6 3 ，6 4 1 ：( 1 ) 影响生物细胞结构：复合污染物通过影响生物的细胞结构， 特别是膜结构而发生相互作用。膜结构是污染物相互作用的优先部位，膜结构 的改变使膜透过性发生变化，影响物质在生物体内的运输。( 2 ) 干扰生物生理 活动与功能。( 3 ) 竞争活性部位。化学性质类似的污染物在细胞表面及代谢系 统的活性部位存在竞争作用，从而影响污染物的相互作用。污染物间竞争活性 位点的作用不仅存在于生物活性部位，而且存在于环境系统中的活性位点。( 4 ) 络合或螯合作用。自然环境中存在的许多有机无机络合剂如腐殖酸、胡敏酸、 氨基酸及活性功能团o h ，- n h 2 ，c o o h ，s h 等，将影响污染物在环境系统与 生物系统中的物理化学行为，从而对其交互作用产生影响。 传统的毒理学分析方法大都局限于单一物质的检测，由于自然环境中的许 多污染物含量很低，相互混合，体系复杂，仅凭污染物含量无法检测出污染物 的复合毒性效应，很多环境效应也无法用单一污染物的作用机理来解释，过去 依赖单一效应制定的有关评价标准无法真实反映环境质量要求。要检测和评价 其对生物的遗传毒性效应影响，必须使用生态毒理学的方法，以生物学的终点 作为检测指标，对环境污染水平进行诊断和评价【6 5 1 。在研究环境标准和环境容 量时，单个元素的研究虽然具有一定的参考意义，但是它不能作为制定标准和 容量的依据，否则会造成不良的环境后果1 6 6 】。过去对单一污染物研究基础上制 定的环境标准，可能由于污染物间的拮抗、加和或协同作用，在应用中遇到难 以克服的困难，需要加以修订。因此，复合污染研究的兴起，不仅是环境科学 研究不断走向深入的结果，也是现实环境问题的迫切需要。单一污染物的研究 成果和方法是复合污染研究的基础，由单一污染物的研究向复合污染研究的发 展，既是现实环境问题的要求，也是环境科学走向成熟的标志。复合污染的研 究成果在环境保护及环境科学研究的很多方面都有重要意义。只有从复合污染 6 0 综述 生态学意义去认识、理解环境污染，才可以从根本上找到解决环境问题的良策， 确立消除污染的技术与方案，达到综合治理与生态平衡的目的 6 7 1 。 酶与生物标志物研究进展 生物标记物( b i o m a r k e r ) 是生物机体直接或间接与环境暴露相关的、可测 量的细胞、生理、生化、行为、能量、分子或代谢物水平的变化【6 3 7 0 1 。简单地 说，生物标记物是指示环境暴露和有害效应的生物反应，能显示分子或细胞水 平的暴露效应关系，具有专一性、预警性和广泛适用性，并能为环境污染物所 造成的暴露或危害提供有效的检测手段，而且在环境污染物的早期诊断和评价 方面具有广阔的应用前景f ”乃】。近年来，细胞或分子水平上的生物标志物作为 污染物暴露和毒性效应的早期预警指标受到广泛关注，并已成为国内外生态毒 理学研究的热点之一 7 4 - 7 7 1 。 由于实验室内进行的毒性生物测定( t o x i c i t yb i o a s s a y ) 会因实验条件和生物 种类的限制，难以真实反映污染物在实际环境中的生物毒性效应l 。而且传统 的测试方法也主要集中于污染物对指示生物的急性毒性、致死或半致死效应的 分析等，虽然这些数据对预测污染物的致死浓度是不可缺少的。但是，污染物 的急性效应( 如动物的大量死亡) ，其发生的预率远远不及亚致死效应( 如生殖 力下降，生理功能改变、对压力或其他环境因素更敏感) 。传统的毒理学分析方 法大都局限于单一物质的检测，由于自然环境中的许多污染物含量很低，相互 混合，体系复杂，要检测和评价其对生物的遗传毒性效应影响，必须使用生态 毒理学的方法，以亚致死效应的生物标志物作为检测指标，对环境污染水平进 行诊断和评价1 4 3 1 。并且有许多生物标记物是污染物长期毒性效应的短期指示， 因此有关生物标记物的信息有助于防止污染物的不良危害朝不可逆转的方向发 展【7 8 】。 生物标志物是与环境污染的生物检测密不可分的，它是一种有效、前景广 阔的环境危险评价工具。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。生物标志物可反映机 体对外源性物质的暴露程度，早期毒效应，以及不同个体对外源物质及其代谢 物的易感性差异，使人们采取措施预防或缓解污染物危害【_ 7 9 l 。为了更早更有效 7 0 综述 地检测化学物及其代谢产物引起的机体效应，最为常见且应用广泛的标志物是 效应分子生物标志物( m o l e c u l a rb i o m a r k e ro f e f f e c t ) 它是指机体内可测定的生理、 生化和其他方面分子水平的改变，在准确、敏感地评价早期、低水平的损害方 面具有特别的优判8 0 l 。分子生物标志物用于测试实验生物因自由基引起氧化损 伤和各种氧化压力的程度。除了用于测定因自由基损伤产生的初级和次级产物 外，还可以用来监测机体各种抗氧化防御系统抵抗自由基氧化的状态。利用生 物的酶或蛋白质含量或活性的变化监测环境污染，既是在亚分子水平上说明污 染对生物的危害，也是一项具有特异性、快速灵敏的监测指标【8 1 1 。 生物标记物分为三大类【6 8 ，8 2 】：( 1 ) 暴露生物标记物( b i o m a r k e ro f e x p o s u r e ) 。 指生物体内某个组织中测量到外源化合物及其代谢产物与某些靶分子或靶细胞 相互作用的产物，包括反映内剂量和生物有效剂量两类标志物。( 2 ) 效应生物 标记物( b i o m a r k e ro fe f f e c t ) 。在一定的环境暴露物作用下，生物体产生相应地 可测定的生理生化变化或其它病理方面的改变；这些变化主要发生在细胞的特 定部位，尤其是在基因的某些特定序列，它可反映结合到靶细胞的污染物及其 代谢产物的毒性反应机理；在此前提下，才能确定污染物与其在生物体内的作 用点之间的相互影响。( 3 ) 易感性生物标记物( b i o m a r k e ro fs u s c e p t i b i l i t y ) 。指 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限 而反映出其反应能力的一类生物标记物，它属于遗传毒性标记物，可直接揭示 污染物在分子水平上的作用，及由此引发的在细胞和个体水平上的破坏作用。 但三者之间并无严格的界限，同一种标志物在一种情况下作为接触生物标志物， 而在另一种情况下则可能可作为效应生物标志物【6 9 1 。生物标志物的发展日益发 挥重要的作用，接触生物标志物促进了对机体暴露水平评价的定量化进程；而 效应生物标志物使我们能够观察到有害因素对机体作用的一系列连续反应【8 3 1 。 在剂量反应关系评定中，接触、效应和易感性的生物标志物的联合应用在定量 化地精确函数关系方面起重要作用【8 引。 从暴露到效应产生，其间的级联生物效应都可用适当的生物标志物进行检 测，这些生物反应从分子相互作用到细胞损伤及至整个生物体的毒性显现都反 映了生物系统与环境因子的相互作用，这些作用可发生在分子、细胞及个体水 平上，使生物体产生功能、生理、生化变化。如果这些生物反应先于严重的结 构损害，标志物就有助于确定生物体所处的污染状态及其潜在危害，为严重毒 性伤害提供早期警报【s ”。确定敏感特异的接触生物标志物、效应生物标志物及 8 0 综述 易感性生物标志物，可以为评定化学物质接触水平是否安全，早期发现可能的 不良效应、筛检易感人群等方面及时提供信息，将有利于采取措施，防止污染 物对健康的不良影响1 8 6 。 作为指示污染物危害效应的早期生物信号，生物标志物在早期预测和预报 个体水平和个体水平以上的效应，反映生物体从健康到疾病这一连续谱上的确 切位置，掌握污染物危害发生前生物标志物的情况就可以制定预防性的管理措 施，及时避免或减轻环境污染的危害【8 7 8 引。生物标志物不仅可为环境质量退化 提供早期警报，而且可以特异性地检测到环境中致癌、致畸、致突变化合物的 生物可利用性【8 引。生物标志物作为联系污染物与生物效应之间的纽带，它既可 以揭示环境样品和生物体内污染物的浓度，还可以反应污染物的毒性，成为污 染物的暴露与效应最灵敏的监测指标，对于环境污染的探查和快速筛选、环境 健康的风险评价及污染物长期毒性效应的早期预报具有重要意义，对生态毒理 学研究具有重要意义【9 0 ，9 1 1 。 1 3 1 乙酰胆碱酯酶 乙酰胆碱酯酶( a c h e ) 是生物神经传导中的一种关键性的酶，主要分布于 动物的脑、神经细胞、血液、肝脏、肌肉和鳃等组织中，以脑组织中的含量最 为丰引9 2 - 9 4 1 。a c h e 的活性中心由3 个主要区域组成【9 4 ，9 5 】：( 1 ) 酯解部位：含 丝氨酸和组氨酸，能与乙酰胆碱的羰基碳原子结合；( 2 ) 阴离子部位：至少含 一个羰基，可能来自谷氨酸，能以静电吸引乙酰胆碱的季铵阳离子基团；( 3 ) 疏水性区域：能与酯解和季铵基团结合部位连接，由色氨酸或酪氨酸等芳香族 氨基酸组成，在与芳香基底物的结合中起重要作用。 乙酰胆碱是重要的神经传递剂，而乙酰胆碱酯酶负责乙酰胆碱的降解作用， 是维持体内胆碱酯酶能神经冲动非常重要的水解酶【9 引。a c h e 主要位于突触后 膜，邻近胆碱受体，能降解乙酰胆碱，终止神经递质对后膜的刺激作用，保证 神经冲动在突触间正常传引9 2 j 。 乙酰胆碱酯酶在传导过程中主要分解神经递质乙酰胆碱。神经性毒剂进入 生物体后作用于神经系统，毒物与乙酰胆碱脂酶结合，产生无活性的磷酰化c i t e ， 使其失去分解乙酰胆碱的作用。一旦乙酰胆碱酯酶受到抑制，神经节突触部位 会积累大量乙酰胆碱，突触后膜的一些胆碱受体不断被激活，引起神经功能紊 乱。神经纤维长时间处于兴奋状态，而突触部位正常的神经冲动受阻，中毒的 9 0 综述 动物出现兴奋、痉挛，导致呼吸、循环系统衰竭，最后瘫痪、死亡【9 。7 1 。通过检 测乙酰胆碱酯酶受抑制的动态变化，可以从分子水平上了解污染物对生物体的 毒性影响【i 。 1 3 2 抗氧化酶系统 自由基( f r e er a d i c a l ) 是指外层轨道带有未配对电子的原子、原子团或特 殊状态的分子，其化学反应性极高而半衰期很短。自由基中以氧自由基( o x y g e n f r e er a d i c a l ，o f r ) 对生物体危害最大。o f r 包括超氧阴离子自由基( 0 2 ) 、羟 自由基( o h ) 等。过氧化氢( h 2 0 2 ) 及单线态氧( 1 0 2 ) 虽然不是o f r ，但其 经过反应可形成o f r 或参加自由基反应，所以常把它们也列入到氧自由基中一起 讨论。将具有氧化作用的自由基及其类似物统称为活性氧【6 引。 氧和氮自由基对于维持细胞功能而言是必不可少的，在正常情况下，生物 体内细胞每天可产生1 0 1 1 个活性氧分子，其主要来源于酶促与非酶促反应。前者 系指呼吸链氧化磷酸化及微粒体细胞色素p 4 5 0 系统等在反应过程中产生的自由 基，而后者是指氧与有机化合物反应、电离辐射及化学毒物引起共价键化合物 均等分裂等产生的【6 引。自由基是生物体的正常代谢产物，虽然它在细胞代谢过 程中连续不断产生，但由于生物体存在防御系统，故正常情况下危害不大。生 物体对自由基损伤的防御主要通过以下途径进行1 6 8 j ：( 1 ) 抗氧化酶系统。如超 氧化物歧化酶( s o d ) 、过氧化氢酶( c a t ) 、谷胱甘肽s 转移酶( g s t ) 、过氧 化物酶( p o d ) 、抗坏血酸过氧化物酶( a p x ) 、谷胱甘肽过氧化物酶( g p x ) 、 及谷胱甘肽还原酶( g r ) 等；( 2 ) 抗氧化剂。如维生素e 、维生素c 、b 胡萝 卜素、还原型谷胱甘肽( g s h ) 及辅酶q 1 0 等；( 3 ) d n a 损伤修复系统可修复 自由基引起的d n a 氧化损伤。 氧毒性可以定义为具有细胞毒性的活性氧( 也被称为活性氧介质、氧自由 基) 导致的损伤效应。分子氧的还原产物能够与重要的细胞大分子发生反应， 导致酶失活、蛋白质变性、膜脂过氧化、d n a 损伤，最终导致细胞死亡1 9 乳1 0 2 1 。 在正常情况下，细胞内活性氧的产生以及抗氧化防御系统之间通常处于动态平 衡状态而维持其正常功斛1 0 3 】。但是在污染物造成的环境胁迫下会导致生物体内 磷酸化作用( 即合成a t p 作用) 降低，但其呼吸电子传递链仍保持相对较高的 活性，这种电子传递和a t p 形成能力的不平衡将导致电子传递的电子漏，从而 产生大量的活性氧【1 0 4 ，1 0 5 】。当超出机体抗氧化防御能力时，活性氧会在机体积累 1 0 0 综述 产生氧化应激( o x i d a t i v es t r e s s ) ，对生物体造成不同程度( 个体、细胞、分子水 平上) 的氧化损伤【1 0 6 1 0 8 1 。 抗氧化酶系统作为生物体内消除活性氧的主要保护机制，其特征之一在于 其活性成分或含量可由于污染物的胁迫而发生改变，因此抗氧化酶活性的改变 可以间接反映环境中有毒有害物质的存在，是分子水平上预报污染物对生态系 统危害的敏感生物标记物，对环境污染的监测起到早期预警的作用【1 0 9 ，0 1 。近年 来，尝试以这些抗氧化防御系统成分的变化作为污染胁迫的生物标记物研究， 正在成为生态毒理学研究领域新的热点，并已被应用于评价和监测污染物对生 态系统内生物的毒性效应 1 1 1 - 1 1 6 j 。 s o d 广泛存在于各类生物体中，是生物体内唯一一种以自由基为底物的酶， 对于清除氧自由基，防止氧自由基破坏细胞的组成、结构和功能，保护细胞免 受氧化损伤具有十分重要的作用【1 1 7 】。s o d 是最先与活性氧自由基作用的酶，它 可催化生物体内超氧阴离子( 0 2 。) 发生歧化反应，分解为h 2 0 2 和0 2 ，是机体内 0 2 。的天然消除剂，对机体细胞起保护作用1 1 1 引。 c a t 是一类广泛存在于动物、植物和微生物体内的末端氧化酶，在肝细胞 和红细胞中的活力最高。其功能是催化细胞内h 2 0 2 继续分解成氧和水，从而降 低体内h 2 0 2 的浓度，防止膜脂过氧化【1 1 9 ，1 2 0 1 。它是生物氧化过程一系列抗氧化酶 的终端，逆环境因子对生物生理的影响，可以通过终端酶c a t 表现出来，在环境 的生物监测方面具有重要的应用价值。 g s t 是污染物在体内代谢相i i 的重要酶之一，是一种高诱导性酶，具有广泛 的作用底物。它存在于生物机体的各种组织中，以肝脏中含量最高，具有消除 体内自由基和解毒的双重功能2 l l 。g s t 作为生物体内的第二阶段解毒酶，可催 化g s h 的巯基与一些亲电子化合物结合，最终形成硫醚氨酸排出体外，保护d n a 及一些蛋白质免受损伤；同时g s t 还可以与一些难溶于水的物质如血红素、胆酸、 染料、激素和气体一些疏水性强外来或内源的代谢产物结合，使之极性增强， 易溶于水，成为水溶性化合物排出体外，从而减轻其毒性【1 2 2 ，1 2 引。g s t 的活性可 因为化学污染物、脂质代谢和某些病理情况下被诱导而发生变化，且具有明显 的剂量效应关系，可作为监测环境污染的一项灵敏指标【1 2 4 】。 脂质过氧化作用是因自由基引发组织伤害研究中的一个重要因素。膜脂质 过氧化作用不仅引起d n a 损伤、改变r n a 从细胞核向细胞质的运输，而且也 影响细胞膜的结构和功能，使膜的选择透性丧失，细胞内含物外渗，代谢紊乱， 0 综述 导致一系列有害的生理生化变化【1 2 5 ，1 2 6 1 。丙二醛( m d a ) 是脂质过氧化的代谢 产物之一，其含量在组织中的增加反映了体内脂质化反应的增强，常用m d a 含 量来表示膜脂过氧化的程度【lz 7 j 。m d a 可与质膜内的氨基酸、蛋白质、不饱和脂 肪酸和硫氢基等生物大分子发生反应，破坏硫氢基，并生成具有共轭双键的s c i f f 碱基( - n = c c = c - n ) ，从而阻止新脂类的合成，使膜的一定部位受到损伤，并 破坏细胞超微结构【1 0 9 ，1 2 引。 分析生物体细胞内的抗氧化酶活性和抗氧化物质的含量能够预测有机体的 抗氧化状态，它们可以作为判断机体受到氧化压力程度的生物标志物。但由于 机体内抗氧化防御系统的变化程度与化学物质的种类、生物体本身的敏感性和 环境条件等各种因素密切相关，所以单个因子对于理解污染物的作用方式和可 能发生的分子相互作用是有意义的，也可以起到早期预警作用，但不能整体的 预测生物体或环境的健康状态，需要多种生物标志物或将多种生物标志物应用 到不同种生物中才能够对环境污染物产生的氧化压力进行正确的诊断【1 2 9 】。 环境基准研究进展 环境基准，是指环境中污染物对特定对象( 人或其他生物) 不产生不良或 有害影响的最大剂量( 无作用剂量) 或浓度 1 3 0 l 。我国的环境保护工作一直都是 在充满矛盾和效果极不理想的状态下运转的。由于不曾开展环境基准的系统研 究，已经制定的环境标准无法真实反映客观规律，导致了我国的环境保护工作 一直存在着“欠保护”和“过保护 的问题【l j 。 根据世界卫生组织以往发表的技术报告资料，基准的定义有以下三条：( 1 ) 它是一系列实验依据，这些“依据”是用来确定污染物对人体及其环境产生不 同有害影响的性质、程度；( 2 ) 这些实验依据是一组以数量表示的数值，它涉 及到“接触时间( t ) 与“接触浓度 ( c ) 这二个参数，用来表示它( t c ) 对 人体及其环境在不同等级水平上的特异影响；( 3 ) 与“接触时间”及“接触浓 度 相对应的影响可划分为四个等级，这四个等级是：( a ) 不致对人体产生直接 或间接危害，包括生理反射性改变、适应性改变、防御性的改变等；( b ) 不致 对人体产生感官刺激，对植物产生有害影响，降低大气能见度，以及对环境造 成其它影响等；( c ) 不致损害人体的重要生理机能，不致引起与发生慢性病有关 1 2 0 综述 的变化，不致引起与缩短寿命有关的变化；( d ) 不致对敏感人群造成急性疾病 或死亡。由此可见，“基准 包括三要点，即客观的实验或研究依据，接触浓度 与时间，不同等级的危害。 周启星【6 7 1 把环境基准分为污染环境修复基准和环境质量基准2 大类。污染 环境修复基准对应于急性毒性实验致死剂量，半致死剂量和保护生物的死亡阈 值；环境质量基准对应于慢性实验致死剂量，背景浓度和敏感生物死亡剂量。 环境基准是表示符合有益的自然生态系统和生物资源以及人类利用要求的 环境要素极限值。它是根据实验观测或者现场观测所获得的科学数据推导出来 的，可以作为环境质量评价的一种科学依据。基准是科学评价的依据，不具法 定性质，没有法律约束力，不是直接管理的准则【1 3 2 】。环境标准是以环境基准为 基础确定的防止污染和保护环境的行政管理指标。标准具有法定性质。确定标 准除了要参考基准以外，还要结合政策、经济、和社会情况以及地区性的条件 与特点，尤其是人们对有关地区的利用状况进行权衡。