（环境科学专业论文）利用蚯蚓生物标志物研究土壤铅污染.pdf

ab s t r a c t ab s t r a c t e c o l o g i c a l r i s k a s s e s s m e n t a n d e a r l y w a r n i n g o f p o t e n t i a l d a n g e r a r e o f g l o b a l c o n c e rn a s s o i l p o ll u t i o n b e c o m i n g s e r i o u s i n r e c e n t y e a r s . b i o m a r k e r s i n t e r r e s t r i a l i n v e r t e b r a t e s p l a y a n i m p o r t a n t r o l e i n e s t i m a t i n g e i t h e r e x p o s u re o r e ff e c t o f p o ll u t a n t i n s o i l e c o s y s t e m . i t c a n b e u s e d a s a p r o m i s i n g t o o l f o r e c o t o x i c o l o g i c a l d i a g n o s i s o f s o i l c o n t a m i n a t i o n . t o a s s e s s t h e p o t e n t i a l t o x i c i t y e ff e c t s o f l e a d i n s o i l , s u p e r o x i d e d i s m u t a s e ( s o d ) , li p i d p e r o x i d a t i o n e x p re s s e d a s m a l o n d i a l d e h y d e ( m d a ) l e v e l a n d ly s o s o m a l m e m b r a n e s t a b i l i t y o f e a r t h w o r m c o e l o m o c y t e w e re s e l e c t e d a s 山 e s u b c e l l u l a r a n d m o l e c u la r b i o m a r k e r s a n d m e a s u r e d a s e n d - p o i n t . e a r th w o r m s ( e i s e n i a j e a d a ) w e r e e x p o s e d t o a r t i fi c i a l s o i l c o n t a m i n a t e d w i t h le a d a c e ta t e o f d iff e re n t c o n c e n t ra t io n s (6 0 , 1 2 0 , 4 8 0 , 2 4 0 0 m g k g t) . l e a d -in d u c e d h y p e r t e n s i o n i s a s s o c i a t e d w i t h t h e a c t i v i t i e s o f t h e a n t i o x i d a n t e n z y m e s a n d l i p i d p e r o x i d a t i o n . s o d w a s m o re s e n s i t i v e a n d l e a d e x p o s u r e re s u l t e d i n s i 脚s c a n t c h a n g e o f s o d a c ti v it i e s . f o r l o w e r - d o s e g r o u p t h e r e w a s li t t l e c h a n g e o f s o d a ft e r s h o r t t i m e e x p o s u r e , c o n v e r s e l y i t h a d a c t i v a t i o n t r e n d a n d i n c r e a s e d a ft e r l o n g e r t i m e e x p o s u re . f o r 4 8 0 m g -k g g ro u p , s o d a c ti v iti e s d e c r e a s e d a ft e r 2 4 h a n d 4 8 h .f o r h i g h e r -d o s e g r o u p (2 4 0 0 m g -k g ) , s o d a c ti v iti e s in c r e a s e d o n ly a ft e r 6 h e x p o s u re a n d d e c r e a s e d a ft e r 2 4 h c o m p a r e d w i t h t h e c o n t r o l g r o u p . w h e n s o d a c t iv ity w a s i n h i b i t e d t o s o m e e x t e n d , a n ti o x i d a n t / o x i d a n t b a l a n c e w a s d e s t r o y e d . t i s s u e md a l e v e l b e c a m e h i g h e r w i t h i n c re a s i n g e x p o s u r e t i m e a n d l e a d c o n c e n t r a ti o n . md a le v e l o f 4 8 0 m g -k g r a n d 2 4 0 0 m g -k g le a d -e x p o s u r e g r o u p w a s s ig n if ic a n t ly h ig h e r t h a n t h e c o n t r o l g r o u p a ft e r t h r e e d a y s e x p o s u r e . b u t t h e r e w a s n o s i g n i fi c a n t c h a n g e f o r lo w e r -d o s e g r o u p ( 6 0 m g -k g r , 1 2 0 m g -k g - 勺 . a s e x p o su r e t im e e x t e n d e d , m d a l e v e l h a d c o r r e l a ti o n s wi t h t i s s u e l e a d c o n c e n t r a t i o n a n d b e t t e r d o s e - e ff e c t re l a ti o n s h i p a ft e r 6 d a y s e x p o s u re . m e m b r a n e w a s t h e t a r g e t o f l e a d , a n d n e u t ra l r e d r e t e n t i o n t i m e c a n re fl e c t t h e d a m a g e d d e g r e e o f l y s o s o m e . n r r t d e c r e a s e d s ig n if ic a n tly a ft e r 6 d a y s e x p o s u re f o r h ig h d o s e g ro u p (4 8 0 m g -k g , 2 4 0 0 m g -lcg t) . f o r lo w d o s e g r o u p ( 6 0 m g -k g l , 1 2 0 m g -k g ) , th e re w a s litt le c h a n g e o f ly s o s o m a l ab s tr a c t m e m b r a n e s t a b i li ty . b u t n r r t d e c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y c o m p a r e d w i t h t h e c o n t ro l g r o u p a ft e r 1 4 d a y s a n d n r r t i n h i b i t i o n r a t e s w e r e 4 9 . 4 3 % , 5 6 . 2 9 % , 6 8 . 5 7 %, 7 7 . 1 4 % .e a r t h w o r m s w e r e a l s o e x p o s e d t o fi e l d s o i l fr o m t h e c i ty o f s h e n y a n g ( t h e y o u t h p a r k , t h e l a b o r p a r k , t h e y o u - y i h o t e l , t h e f o r m e r a r e a o f s m e l t f a c to ry). n r r t a p p e a r e d t o d e c r e a s e s i g n i fi c a n t l y a s t h e e x p o s u r e t i m e e x t e n d e d a n d n r r t c o i n c i d e d w i t h t h e c o n c e n t r a t i o n o f l e a d i n s o i l ( t h e f o r m e r a re a o f s m e l t f a c t o ry t h e y o u t h p a r k a s z n c u p b : 其中c d 的 生 物富 集 系 数 较 大， 表 现 为 强 富 集 作 用 1191 . n e u h a u se r 等的 研 究 表明 ， 虹 酬对c d 和z n 有 较 强 的 富 集能 力 ， 而 对c u , p b 和n i 的 富 集 能 力 相 对 较 小 t ot 。 牛 明 芬 研究得到虹蜕 可选择吸收并富集垃 圾和 底泥中的 c d ，其生物富集系数分别为 1 4 1 和 3 沪 11 。 戈峰 等则 发 现蜕 绷对 c u的 富 集能力也 很强， 富 集系数 为 2 .4 - 5 1 .2 12 21 。 同 一 品 种 的 虹 蜕 对c u 的 生 物 富 集 能 力 在 污 染 土 壤 和 非 污 染 土 壤 可 以 相 差4 5 倍 122 1 . j u n d a i 的 研 究了 虹 酬 组 织 内z n ,c d ,p b 和c u 的 浓 度与 土 壤 中 重金属 总量和d t p a浸提态的 关系， 虹月体内 负荷的重金属与土壤中 重金属总 量和d t p a浸提态显著相关， d t p a提取态 可以 更好的表征土壤中重 金属的 生 物有效 性p 4 1 1 . 1 .6蛆0对重金属的耐性机理 1 . 1 .6 . 1 氧化胁迫 激发 酶活性 生物体暴露 于重金属后， 可能会受到 氧 化胁迫的 威胁。为了 避免 受到伤害 ， 生 物体内 某些与 抗氧化相关的 酶的活 性就 会升高。 虹酬 体内也 含有丰富的 酶类， 其中 包括过 氧化 氢酶、谷肮 甘肤过氧化 物酶、 谷眯甘肤还原酶及超氧化物歧化 酶 等酶类构成的 脂质过 氧化保护酶系 统。当 虹蝴暴露于金属后， 产生了 氧化胁 迫， 激发了 这些酶的活性， 缓 解活 性氧对生 物 体造成的危害 c u t 1 . 1 . 6 . 2 组织固 定作用 m o r g a n等认为分隔、 固定作用可能 在某种程度上解释虹划耐受重金属的 机制。 研究 结果表明: 蝴体内 大部分 c d , p b , z n 都分布在后消化道中， 这部 分组织集中了 虹蝴所累 积的 大部分的 c d , p b , z n 12q。细胞内 的泡囊是这些金 属的主要容身之所，并且它们与磷键相结合，形成难溶性的金属磷酸钙盐，从 而阻止了 金属向 其他组织扩散。 虹酬耐 受重 金属另外一个可能的机制就是: 金 属与小分 子量、富含半肮氨酸的 蛋白 质或金 属硫蛋白 相结合，从而降低其毒性 口刀 第一章 前言 第二节 纸绷生物标志物在生态毒理学诊断中的应用 近年来随着土壤污染的日 益严重， 污染土壤的生态安全评价和早期预普研 究 在国际上受到高 度重视。 通过生物体暴露于土坡污染物所表现出 来的生理生 化反应来评价其对土壤生态系统的整体危害， 这对土壤污染物的鉴定十分有用。 利 用生物标志物能 够表征 土坡环境中 某种特定化合物及其暴露、 效应，提供土 坡污染物生态风险的 预等信号， 有助于防 止土壤的 不良 危害向不可逆转方向 发 展z ,特别是土壤无 脊 椎 动物中的 一 些 生 物 标志物 对揭示土 壤污染 物的 暴露 和 效应具有敏感性和准确性， 某些生 物标志物可对混合污染物的复合效应作出 客 观的 判 断。 这 是 化 学 检 测 方 法 通 常 难以 做 到 的 13 8 . 利 用生 长 在 污 染 土 壤中 的 生 物如虹姗.线虫和微生物等作为生 物标记物， 可以 评价和预示土坡环境污染物 的 污 染水 平 和生 态 风 险 p 刃 。 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 之一4 0 1 . 生化水 平的 改 变能 灵敏 的 起到 指 示 作用， 因为 分子水平的 变化是生 物更高组织水平受到影响的基础， 可以 根据受影响系统的功能及其产生的效应 的 性质来指示生物体是否会受到进一步的影响 4 1 1 1 .2 . 1生物标志物的定义、分类及研究意义 1 .2 . 1 . 1生物标志物的定义 生物标志物是指通过测量体液、 组织或整个生物体，表征对一种或多种化 学污染物的暴露或其效应的生化、 细胞、 生理、 行为 或能量的变化， 简单的说 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，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 14 2 1 1 .2 . 1 .2生物标志物的分类 生 物标 记 物分 为 三 大 类: 暴 露 生 物 标 志 物 ( b i o m a r k e r o f e x p o s u r e ) , 暴露 生 物标志分两类， 包括内 剂量生物标志物 ( 指测定生物体内 某个组织中外源化合 物及其代谢产物) 和生物有效剂量生物标志物 ( 表明暴露于某种化合物导致这 种 化 合 物 或 其 代 谢产 物与 某 些 靶分 子 或 靶 细 胞 相 互 作 用) 4 3 效应 生 物标志 物 ( b i o m a r k e r o f e ff 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 第一章 前言 生理生化变化或其它病理方面的改变， 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，从而确定污染物与其在生物体内的作用点之间的相互影 响 。 易 感 性 生 物 标 志 物 ( b io m a r k e r o f s u s c e p ti b i li t y ) ， 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，并具有专一性、 预普性和广泛适用性， 能为 环境污染物所造成的 危害提供有效的 检测手段， 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 1 4 4 1 1 .2 . 1 .3研究 生物标志物的惫义 p e a k a ll 认为 生物标志物的主要优势 就在于它们弥补了 传统环境毒理学方法 的 一 些 局限 性 4 s 1 . 传 统的 生 态毒 理 学 研 究 中 ， 通 常 只 测量 c 闯体内 污 染 物的 残 留 量或环境中 化学物质的残留量。 然而， 随 着土壤性质的变化， 污染物的 生物 有 效 性 ( 即 产生 毒 性的 能 力 ) 是 不断 变 化 的 ， 而生 物 暴露 于 污 染 物 后 产 生的 生 理 、 生 化方 面的 反 应是相 对稳定的 4 1 . 从 这 个角 度出 发， 如果 污染物的 有效 浓 度 超 过了 生 物标志物所能 承受的极限 浓度， 那么此时污染物一定会对生物个体、 种群 造成伤害 ， 即 死亡现象开始出 现。 因 此标志物可用来指示半致死效 应变得明 显前 污染物对虹1 5 1 在个体水平上所产生的 影响， 并作为早期预普系统对土壤污染进 行监测。 也就是说生物标志物能 在生 态系统中的 虹卿群体发生反 应前做出 替报， 这比 调查 污 染区 土坡内 虹 酬的 种群 数量 、 结 构更 有意 义4 71 利用分子生态毒理学原理与技术诊断土壤生态系统的污染情况， 对土坡生 态风险 评价具有不可替代的 补充作用， 因 为污染土壤生态毒理分子诊断中以 分 子生物标志物作为指示物， 具有优越性:( 1 ) 利用分子生物标志物能 够对化学 方法难以 检测到的土壤污染毒理效应及复合效应进行诊断;( 2 ) 可以 对不同暴 露途径， 如水、大气、土壤、生物吸收、不可提取性残渣或结合到生物大分子 中的化合物等污染物的生态效应进行识别( 3 ) 污染的生态毒理分子诊断可以 对 含量低但毒性大的 优先有机污染物进行生 态毒性有效判断;( 4 ) 可以 对土壤污 染 物代谢产生的 生态毒性进行追踪i ll . 1 .2 .2抗氧化防御体统 ( 超氧化物歧化酶) 土壤污染氧化胁迫及其抗氧化防御机制有关的分子生物标志物包括:( 1 ) 脂质过氧化分子生物标志物;( 2 ) d n a氧化损伤的分子生物标志物; ( 3 )蛋白 第一章 前言 质氧化损伤的分子生物标志物:( 4 ) 抗氧化防御系统作为生 物标志物川 。 生物体的抗氧化酶对污染物胁迫相当敏感， 其活性变化可为污染物胁迫下 的机体氧化应激提供敏感信息，因此，抗氧化酶被用作指示环境污染的早期预 替 ， 从 而 成为 分子生态 毒 理学生物 标志 物 研究的 热点 之一 4 0 土壤污染物或其代谢物具有与 氧化胁迫有关的毒性效应， 氧毒性可以定 义 为具有细胞毒性的活性氧 ( 也称为 氧自 由 基) 导致的 损伤效应。 它能 够与重要 的细胞大分子发生反应， 导致酶失活， 脂质过氧化， d n a损伤， 最终导致细胞 死 亡 网。 氧化胁迫生 物 标志 物在水生 生 态毒 理 学中 研究 报道 较多. 1 .2 .2 . 1 活性氧自由 基及其清除系统 自 由 基是指含有未 配对电 子的原子、原子团或 特殊状态的分子。 其中将具 有 氧 化 作 用 的 自 由 基 统 称 为 活 性 氧自 由 基 ( o x y g e n fr e e r a d ic a l , o f r ) 49 。 自 由 基 中以 氧自 由 基对生物体 危害 最大， o f r 包括 超氧阴 离 子自 由 基( 0 2 , 经基自 由 基( o h ) 等。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， 过氧化氢酶c a t 、 谷脆甘肤过氧化物 酶g s h - p x 能去除过氧化氢h 2 0 2 ，而超氧化物歧 化酶s o d则能消除超氧阴离 子， 故 正常 情况下 危害不 大 s o 1 .2 .2 .2生物体内脂质过氧化 保护系 统 生物体内 脂质过氧化保护系统是由 抗氧化酶系统和抗氧化剂组成， 抗氧化 酶 系 统 包 括超氧化物歧 化酶 ( s o d ) 、 过 氧 化氢酶 ( c a t ) 、 过氧 化物酶 ( p o d ) , 抗 坏 血 酸 过 氧 化 物酶 ( a p x ) 及 谷肤 甘 肤 还原 酶 ( g r ) 等 ;抗 氧 化剂 如 维生 素e 、 维 生 素c , b 2 胡 萝卜 素、 还 原 型 谷 脆 甘 肤 ( g s 玛及 辅 酶q 1 0 等 4 0 . c a t , g s h - p x 及 s o d通过清除h 2 0 2 和 02 以 减轻和阻断脂质过氧化反 应， 构成体内的 酶保护 系 统 s l 1 .2 .2 .3超 氧化 物歧化 酶 ( s o d ) 的定 义 和分 类 超 氧 化 物 歧 化 酶 ( s u p e r o x i d e d is m u ta s e ， s o d ) 是 一 种 广 泛 存 在 于 动 物、 植 物 和 微 生 物中 的 金 属 酶 s 2 。 它 催 化 超氧 阴 离 子自 由 基 ( 0 幻 发 生 歧 化反 应， 从 而 清 除o 2 . s o d在维 持生 物体内0 2 产生与 消除的 动 态平 衡中 起 着重要 作 用 5 3 超氧 化物歧 化酶( s o d ) 是生 物抗氧 化 酶类的 重要 成员， 它能 够 清除生 物 氧 化 过 程中 的 超氧阴 离 子自 由 基 ( o0 ， 按 照s o d中 金 属 辅 基的 不同 ， 大 致 可 将 第一章 前言 s o d分为三大类; 第一类是 c u - z n s o d， 广泛存在于真核生物中。 第二类是 m n s o d， 存在于真核生物的 线粒体和原核生 物的胞浆中; 第三类是f e - s o d , 存在于叶绿体和原核生物中。 s o d是生物体内唯一一种以自由 基为底物的酶， 它 催 化以 下 反 应 :2 0 犷 + 2 h + - h 2 0 2 十 。 犷 5 4 1 虹酬特殊的生活环境赋予其体内 抗性成分含量很高， 如超氧化物歧化酶 ( s o d ) ， 在3 5 - 4 0 之间 ， p h 7 .8 时 酶 活 性 达 到 最 高 5 5 1 1 .2 .2 .4蚝蝴体内的抗氧化 酶在土壤污染 诊断中的作用 在正常情况下， 细胞通常处于氧化和抗氧 化平衡状态而维持其正常功能。 但 在农药、 化学毒 物( 如c d , 现、 z n ) 等 逆 境 胁 迫下 ， 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 ，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( 如 o h , 0 2 - 及h 2 0 2 匆4 9 1 . 有 研 究 表 明 重 金 属 离 子 影 响 或 阻 断 呼 吸 链、 电 子 传 递 链、酶促反应等体内正常生理代谢， 导致活性氧自由基增加，从而诱导抗氧化 酶类活 性增加， 习 。 研究表明，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 征之一在于生物体内活性氧生成量增加时， 其活性或含量可因为污染物的 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 4 9 . ， 刀 。 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陆生生 态系统内 生物的 毒性效应5 8 1 1 .2 .3 1v ii ) a与脂质过氧化 1 .2 . 3 . 1 脂质过氧化 脂质 过 氧化主要指自 由 基 攻 击生 物 膜中 多 聚 不 饱和 脂肪 酸( p u f a ) 启 动 链 式 反 应 15 9 1 ， 通常 情 况下油机 体 生 理 生 化 过 程 产 生 的 活 性 物质 构 成 的 细 胞 氧 化系 统与体内 存在的 抗氧化系统 保持动态平 衡，当 外源性化合物质进入机体后， 如 果体内产生的自由 基量超过机体正常的抗氧化防御系统， 抗氧化防御系统被破 坏或抗氧化酶受抑制， 造成氧化一抗氧化平衡能力的破坏， 就会导致脂质过氧化 第一章 前言 l p o的 发 生， 使 组 织 细 胞 膜结 构受 到 严 重 损 伤 s 9 . 6 0 1 . 脂质过 氧 化不 仅是 许 多 毒 物 致 病 的 起点 ， 也 是 致 癌、 致畸 、 致 突 变的 重 要 环节 6 1 1污 染 胁迫 下生 物 体 内 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6 2 1 1 .2 .3 .2丙二醛 ( m a l o n d i a l d e h y d e - m d a ) 丙 二 醛 ( m a l o n d i a l d e h y d e ) 是 脂质 过 氧 化 产 生的毒性 较大的 代 谢 产物. 其 产生的量与氧自 由 基的 量及脂质过氧化的程度呈正相关， 故检测 m d a可反映 氧自 由 基的 水 平及 脂 质 过 氧 化的 程 度 6 3 1 . m d a是 膜脂 质 过氧化 的 主 要 产 物 之 一， 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， 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 6 4 1 1 .2 .4 溶酶体 在亚细胞水乎上， 虹酬溶酶体的 完整性被 认为是污染物毒性效应的 特殊标 志物， 纽叼溶酶体病理学 上的变化对于 确定 环境有害因素对生物的 影响作用很 大圆。 1 .2 .4 . 1 溶酶体 溶酶体是存在于所有真核细胞中的细胞器。由于可以积累重金属和其它外 源化合物， 看起来这些细胞 器可以保 护细 胞免 受 有毒物质的损伤，然而，当 重 金属和其 它的 外源化合物作用于溶酶体膜， 会导致溶酶体结构和生理学的改变， 如p h值的 升 高 ， 酸 性 水 解 酶 释放 到 细 胞 质 中 . 研 究 得 到重 金 属对 溶 酶 体 毒 性 作用的机理可能于脂质过氧化作用有关. 1 .2 .4 .2中 性红保留时间 溶酶体膜的稳定 性是功能的基础，已 经研究出了 检测外源化合物诱导溶酶 体 稳 定 性 变 化的 技 术即 中 性 红 保留 时 间 . 中 性 红 保留 时 间 ( n e u t r a l r e d r e te n t io n t i m e , n r r t ) 可以 判断 污 染物 对溶酶 体 膜 的 损 伤 程 度， 用于污 染物对 虹 酬毒 性 的 快 速 检 验 ， 从 而 反 映 土 壤 污 染 对 4 fi x 的 毒 性 效 应 6 6 1 。 中 性 红 是 一 种 弱 碱 性p h 指示剂， 变色范围p h 6 .4一 8 . 0之间( 由 红变黄)。 cs i 体腔液用中性红染 第一章 前言 料染色后，细胞内的溶酶体能很快的吸收、保持和积累中性红染料，显微镜观 察细胞为无色， 如果染料将细胞染成粉红色，表明在体腔细胞中，染料已 经从 溶酶体中渗出，溶酶体的稳定性发生变化。 中性红保留时间反映的溶酶体膜完整性作为生物标志物，满足用于土壤质 量 评 价 的 生 物 标 志 物 的 标 准 16 7 1 : ( 1 ) 有 很 好 的 剂 量 一 反 应 关 系 . ( 2 ) 中 性 红 保留 时 间 具 有 很 好的 敏 感 性， 和 很 好的 生 态 相 关 性。 ( 3 ) 对 于 一 些 非 生 物的 因 素， 如 季 节、 温度、土壤湿度等条件， 研究 表明 不会产生假阴 性或者 假阳性的 结果， 不 会 对n r r t 的 测定 结 果反 映的 毒 性 效 应 产生干 扰， ( 4 ) 对化 学 特异 性 方面， 生 物 标志物可以 分为特异性和非特异性的生 物标志物。 一些研究表明， 很多 种化学 物 质 都 可以 对虹 叫的n r r t产 生 影 响 。 ( 5 ) 时 间 一 反 应 关 系， 在 虹 妇 暴 露 于 污 染 物后， n r r t 很快就发生变化 ( d 、 于2 4 小时)，而且效应可以 长时间持续。 1 .2 .5铅的毒性作用机理 许多 研究 表明 ， 铅 能 促 进活 性 氧自 由 基 ( r e a c t i v e o x y g e n s p e c i e s , r o s ) 的 产 生， 使机体处于氧化应激状态， 造成氧自 由 基蓄积的原因 可能与以 下儿方面有 关: ( 1 ) 铅 抑 制s - 氨 基乙 酞 丙 酸 脱 氢 酶 活 性， 使 s - 氨 基乙 酞 丙 酸 ( a l a ) 积 累， 8 - a l a在体内 增多 ， 经 氧 化 产生 大 量 的 氧自 由 基 (r o s ) . ( 2 ) 铅 通 过 拮 抗 其 它 金 属离 子， 如超 氧化物歧 化 酶( s o d ) 中 的 铜 和锌、 过氧 化氢酶 ( c a 刀中 的 血红素 铁 及谷耽甘肤过氧化物酶 ( g s h - p x ) 中的 硒或与 s h结合，从而抑制机体的 抗氧化 系统， 使机体抗氧化能力显著下降， 正常代谢过程中产生的活 性氧中间体不能 被 清除 而 大量堆积; ( 3 ) 铅 负 荷诱导 氧 化 应激，促使机体自 由 基 大 量 产生， 同时自 由 基清除酶系统活力也应激性升高， 但仍不足以 清除过量的自 由 荃， 致使自 由 基 的 产 生 与 清除 处 在 一 个 较高 的 失 衡 状 态， 其 含量 也 维持 在 一 个 较高 的 水 平 阅。 电 子自 旋共 振( e s r ) 技 术 检 测发 现， 染铅 大鼠 脑有较强的 氧自 由 基 信号 ， 且随 着 染 铅剂 量的 增加而 增强 6 9 1 铅具有一定的氧化性， 可引起氧化应激， 抗氧化酶活性( s o d , c a t , g p x ) 活 性 变 化， 降 低 机 体 抗 氧 化能 力 7 0 1 。 低 剂 量的 铅 暴露 会引 起 动 物 体内 抗 氧 化酶 类活 性 的 抑 制， 非 酶 类 抗 氧 化 物 质的 减 少， 活 性 氧 物 质升高 ; 1 生物膜是铅毒作用的一个敏感部位。 铅可能通过l p o反 应导致膜变性及其 功 能 障 碍， 并 产生m d a ， 对 机 体 引 起 有 害 的 影响 n 1 . p b a c 的 主 要 毒 性是 直 接 第一章 前言 损伤细胞膜， 使细胞膜内多不饱和脂 肪酸过氧化， 同 时抑制 t - s o d和 g s h - p x 活 性， 导 致体内 一 系列功能 紊 乱 17 9 1 1 .2 .6铅对s o d活性、md a含量、溶酶体影响的研究进展 1 .2 .6 . 1 铅污 染对s o d活性、 m d a含 量影 响的 研究进展 国内 许多人都以 小鼠 等哺乳动物为试 验生物， 研究了铅染毒对抗氧化酶 及 脂质过氧化水平的影响。 徐进研究表明， 小鼠 暴露于不同 浓度乙 酸铅1 周后， 对肝脏还原性谷脱甘肚 ( g s h ) 、 谷 耽 甘 肤还 原 酶 ( g r ) 、 超 氧 化 物 歧 化 酶 ( s o d ) 、 过 氧 化 氢酶 ( c a t ) 、 活 性 氧 物 质 ( r o s ) 、 总 氧自 由 基 清除 能 力 ( t o s c ) 进 行 测定 。 结 果 显 示 : 小鼠 铅 暴露 后 ，肝 脏g s h水平和t o s c 值略 有 下降 ; g r , c a t , s o d活 性被 抑制 ， 在高 剂量铅暴露组尤为明显: r o s 升高1 1 5 倍。 这些结果表明， 铅能对小鼠肝脏的 抗氧化系统造成损伤7 3 梁建成等探讨醋酸铅对动物体内d n a的 损伤作用、机制以 及抗氧化酶的 变化情况. 经醋酸铅染毒后， 小鼠 全血g s h - p x 和s o d的活性明显受到抑制， 血 红 蛋白 含 量降 低，肝 组 织中 的g s h明 显 降 低 7 4 1 张 敬 旭等探讨妊娠期铅暴露 对新 生 仔鼠 脑 组 织丙 二醛( m d a ) , 超 氧化物歧 化酶 ( s o d ) 的 影响 及对金属硫蛋白 ( m t ) 的 诱导， 结 果表明 妊娠 期铅暴露 使新 生 仔鼠 脑组织md a及m t含量升高， s o d活性降 低，均呈明显的剂量一 效应关 系 ( p 0 .0 1 ) 。 这与 铅的 脑发育 毒 性 与 其 引 起 脑 组 织 脂 质过 氧 化 产 物m d a 增 高 及 抗氧 化酶s o d活 性降 低有关17 5 1 吴萍等人研究表明醋酸铅染毒大鼠 肝和脑组织中氧自由 基的信号随着染毒 剂量的增高而增高， 表明铅染毒可诱发大鼠 体内 氧自由基产生;血、肝和脑组 织中m d a水平升高 程度与染毒剂量 呈极 显著正相关性; 红细胞内s o d活性下 降 和g s h - p x酶活性 轻度升高， 使得 机 体 清除自 由 基和 抗氧 化的能 力 下降， 造 成体内 的 氧自 由 基蓄积， 从而 诱发 脂 质 过 氧化 作 用 【7 6 1 周蔚 等研究慢性染铅大鼠 血 清超 氧 化 物歧 化 酶( s o d ) , 丙二醛( m d a ) 的 变 化及其与血铅的剂量一 效应关系， 以 探讨铅中毒的作用机制。 结果表明与对照组 相比， 低剂量染铅组大鼠血清 s o d活 性在 6 0 d以后明显下降，高剂量染铅组 s o d活性3 0 d 以 后明显降低， md a亦明 显高于对照组。 血清s o d与血铅之间 第一章 前言 呈现负向 剂量一 效应关系; 血清m d a与 血铅之间呈 现正向 剂量一 效应关系。 分析 慢 性 染 铅 可 导 致 血 清s o d 活 性 降 低 、 m d a 著 量 升 高 ， 且 呈 剂 量 一 效 应 关 系 177 1 李 淑华等观察 发育 期 慢性 铅 染毒 大鼠 脑组 织中 一 氧化 氮 ( n o ) 、 超 氧化物歧 化 酶 ( s o d ) 、 丙 二 醛 ( m d a ) 的 变 化 及 其 与 血 铅 的 剂 量 一 效 应 关 系. 结 果 表明 实 验 组与对照组血铅浓度间差别有显著性意义。 随着血铅浓度的升高脑组织中n o , md a均呈上升趋势。 n o与s o d之间为负相关， s o d与m d a之间为负相关， n o与m d a之间为正相关。 结果表明 大鼠 在慢性染铅过程中 可导致脑组织中 n o含量 上 升， s o d活 性下降， m d a 含量升高 且 呈 剂 量 一 效 应关 系7 3 1 钟振伟等探讨长期低铅染毒对大鼠内分泌脂质过氧化作用及超氧化歧化酶 活性的影响。结果表明 各组血铅随染铅剂量升高 而升高，甲 状腺、 胰腺组织中 的m d a含量随染铅剂量升高而升高， 并与血铅浓 度呈正相关; 而甲 状腺、 胰 腺组织中的t - s o d和g s h - p x 含量随 染铅剂量升高而下降， 并与 血铅浓度呈负 相关-m 宋旭红等观察低剂量铅染毒后大鼠体内脂质过氧化水平改变， 低铅染毒后， 大鼠 各 脏 器 超氧 化物 歧 化酶 ( s o d ) 、 谷肤 普 肤 过 氧 化 物 酶 ( g s h - p x ) 及 过 氧化 脂 质 ( l p o ) 均有 不同 程度改变。 而 琉基 ( - s h ) 含量 仅 肝 脏 变化较明显， 表明 较低 剂 量的 铅即 可 引 起体内 脂 质过 氧 化 水 平的 改 变so 连灵君等研究表明， 小鼠 肝m d a含量随醋酸铅染毒剂量的 增加呈上升趋 势 ， 与 对照 组 相比 ， 5 0 , 1 0 0 , 5 0 0 m g -k g 7 ， 剂 量 组m d a 含 量 增 加， 有 显 著 性 差 异 te a l . 其中 提 到 胡 锦 东 研 究 发 现 ，w i s t a r 大鼠 以4 0 m g -k g -d 的 醋 酸 铅 连 续 灌胃4 周后， 其血清、 肝脏及肾 脏的m d a含量较空白 对照组均明 显升高， 差异有显 著性。 陈敏等发现， 昆明 种雄性小鼠 经尾静脉注射醋酸铅溶液一定时间后， 染毒 小鼠 肝 脏、肾 脏、 脑、 脾脏、 攀丸的 脂 质过氧 化物 ( l p o ) 值 均明 显高 于 对照组， 并且肝脏的l p o值在低剂量组即呈现显著性差异。 s a i n t - d e n i s m.等人研究了不同暴露浓度和暴露时间， a c p b 对虹叫的生化反 应的影响， 包括 c a t , g s t , g r , m o r d等，阐述了 暴露效应及铅的作用机 理 ， 而 且 当 铅的 浓 度 达 到3 0 m g -k g - 时 ， 就 产 生 毒 性 效 应 ， 具 有 一 定 的 敏 感 性 ， 可以用于试验室亚致死效应的分析并且用来指示土壤重金属污染的生物标志物 ! 均 研究表明， 铅染毒会引 起生物体内 脂质过氧化水平的改 变，组织丙二醛含 量增加， 韶氧化物歧化酶活性下降， 且呈一定的剂量 效应关系， 是敏感的生物 第一章 前言 标志物。 1 .2 .6 .2 对于溶酶体生物标志物研究进展 m a b o e t a m .s .将蛆叫暴露于重 金属铅污染的土壤2 8 天， n r r t 对时间 作图， 表明中 性红保留时间与土壤中重金属 浓度显著相关，虹m l 溶酶体膜完整性能与 l c 5 0 及生物量的变化建立起良 好的相关性，这就说明生物标志物作为早期预赞 系 统 对 土 壤 污 染 进 行 监测 很 有发 展 潜 力 o s v e n d s e n 和 w e e k s 研究了 c u 污 染 对 虹 0体腔细胞溶酶体膜完整性的影响，从生态学角度研究了虹酬在个体、 种群水 平的变化。 结果发现如果c u 浓度超过了 标志物所承受的极限 浓度时， 虹绷个体、 种群水 平 会发生 变化， n r r t 的降 低 与 蛆 蝴 种群 增长率的降 低 有关 2 1 o s ts n e r s e n 等研究了 *封暴露于挪威南部地区两个 废弃的黄铁矿土壤后溶酶体完整性的 变 化及虹0生长、 死亡情况，也得到了 同 样的结论: 溶酶体膜的完整性是很敏感 的 标 志 物 ， 并 可 用 于 折 酬的 毒 性 评 价 及 监 测 土 壤 污 l o s c o t t - f o r d s m 的 研 究 表明 ， 研究重 金属的生物有效性， n r r t 的结 果要比 化学测定结果具有优势， 当 水浸提 含量和土壤中金属含量相同的情况下， 虹蚁累积重金属铅的含量也相同， 但 n r r t 测定结果却不同。 而且与其他的 终点 如致死率、 繁殖率相比， 中 性红 保留 时间 在低于 致死浓度前显著降 低阴. 一种生 物标志物是否能与虹蝴种群变化之间建立起良 好指示关系， 这恰恰是 评判一 个生 物 标志 物是否值得研究的 一 个 重要 依据8 5 。由以 上的 研究 结 果 可以 看出， 溶酶体膜的完整性是很好的生 物标志物，可以用于虹酬毒性评价及土壤 污染的监测。 第三节 研究区域的自然经济概况 1 .3 . 1 沈阳 市地理位置、土壤类型、 气候 特点 沈 阳 市 位 于 辽 宁省 中 部 ， 市区 面 积2 1 7 1 m 2 ，市区 人口 为4 8 5 .0 万 人， 是 东 北 地 区 的 交 通 枢 纽。 沈阳 市 区以 平 原 为 主， 地 势 平 坦， 平均海 拔 5 0 m左 右 8 6 1 包括和平区、 沈和区、 皇姑区、 铁西区、 大东区 ( 见图1 .2 )。 从沈阳市的 工业 布局来看，有4大工业区:铁西工业区、大东工业区、陈相工业区、沈海工业 区 。 其中 铁西 工 业区规模 最大， 发 展 最早 阅。 第一章 前言 沈阳 市地处辽河平原的 腹地， 土壤类型以 棕壤、 草甸土为主， 人工水耕熟 化的 水 稻 土 也占 一 定比 例。 棕 壤 呈 弱 酸 性 ， p h 值5 .5 - 6 .5 ， 由 表 层向 深 层， 酸 性 增 强: 草 甸 土以 草 甸 土 亚 类 和 碳酸 盐 草 甸 土 亚 类为 主 ， p h值6 .5 - 7 .8 ; 水 稻土 p h 值5 .5 - 7 .5 。 沈阳 市 属 于 北 温带， 气 候 类 型 为 受 季 风 影 响 的 半 湿 润 大陆 性 气 候， 一年四 季分明: 冬季寒冷， 千燥漫长， 气候稳定，主导 风向 北北东， 逆温出 现 的 频 率 高 ， 强 度 大， 不 利于 污 染 物的 扩 散 : 夏 季高 温 多 雨 ， 主导 风向 南 南 西 8 8 1 .3 .2沈阳市铅污染情况 沈阳 作为一个老的 重工业基地， 有一套较为完整的 工业体系和格局， 机械、 化学、冶金、食品、纺织等5个工业部门己 成为沈阳工业的支柱， 其中 机械工 业占 全部工业总产值的5 0 01 o ，随 着工农业的快速发展， 人口的增加，环境污染 越来越严重网。 下面介绍一下铅在多介质环境中的暴露迁移特征。 多介质环境是一个系统， 污染物一旦 进入这个