环境管理_水环境毒理学概述1

水环境毒理学 生物标志物在监测水环境中农药的应用 Introduction 国外水环境毒理学研究状况国外在污染化学物质对水环境生物的危害性方面极为关注 在过去的20年间 欧 美 日等一些发达国家相继制定了化学物质的审查与管理法规 列出了各自的优先控制的化学物质名录 美国 日本等已建立水体有害化学物质的环境安全性研究技术体系 并致力于分子毒理学和生态效应机制的研究 Introduction 国内水环境毒理学研究状况我国系统的水环境微污染的环境安全性研究正在起步 但在污染物化学 生态毒理学研究方面已有一定成果 21世纪 我国将面临有毒化学品对生态环境污染和人体健康影响的巨大压力和严峻挑战 因此 当务之急是尽快充分利用现有条件 建立适合我国国情的化学品环境安全性研究 现在 化学农药的大量使用 已对生态环境造成很多负面影响 对水环境的污染是其中最严重的 也是最广泛的 农药进入水体后 除了毒杀水生生物外 其在食物链上的传递及富集 最终也潜在地对人体健康构成威胁 在进行新的研究中 许多研究者首先从生物化学方面探索能反映农药污染物对水生生物早期的影响参数 其中 生物标志物法因为测定指标全面 准确且系统 而得到了世人的公认 Introduction 生物标志物 Biomarker 定义 外源化学物通过生物学屏障并进入组织或体液及其代谢产物后 对该外源化学物或其生物学后果的测定指标 宿主生物材料 如人类的组织 细胞与体液 中可测量的细胞的 生物化学的 免疫的或分子的结构 性状和数量及其变换 这种可测量的物质是信息实体 具有一定的标识作用 代表着从暴露到疾病过程的一个信导 个体暴露于次生物质后发生的亚致死性生物化学变化 生物标志物分类 接触 暴露 标志物指示生物对污染物的暴露 即污染物引发生物体的反应不能完全指示农药成分的毒性效应 但有助于研究一些很难检测到的环境中不稳定化合物 e g金属硫蛋白 指示重金属 效应标志物指示污染物对生物体健康状况的损害效应可以解释农药在水环境中毒性效应的机理 从而能够预测水环境样品中农药成分对生物体的作用 e g乙酰胆碱酯酶 生物标志物分类 敏感性 易感性 标志物指示生物个体对污染物的敏感性 主要针对受试机体对污染物的敏感性 鉴别水生生物易感个体 生物标志物分类 酶在指示水环境中农药的机理及应用 酶作为生物标志物的研究用特定反应中关键酶的变化来证实污染物的影响已有很长的历史 把它作为一种水环境各类污染的生物标志物能够为毒物的环境伤害提供早期预警 已经受到国内外学者的普遍关注 利用酶系来指示农药等污染物对水生态系统所产生的生物学效应 以及科学评价农药施用后的环境风险 具有重要的理论和实践意义 酶在指示水环境中农药的机理及应用 乙酰胆碱酯酶 细胞色素P450 抗氧化酶系 谷胱甘肽S 转移酶 乙酰胆碱酯酶 AChE 乙酰胆碱酯酶参与细胞的发育和成熟 能促进神经元发育和神经再生 在神经肌肉系统的功能中具有重要作用 在生物标志物中 AChE活性的测定在评价水生动物对于神经毒剂化合物暴露效应中具有重要意义 它是一个很经典的毒理学指标 作用 乙酰胆碱酯酶 AChE 有机磷类农药是剧烈的神经毒剂 被设计作为位于中枢和外围神经系统的神经肌肉连接处乙酰胆碱酯酶的有效抑制剂 一般认为 20 以上的AChE抑制证明毒害作用存在 50 的AChE抑制表明对生物的生存有危害 因此 水生动物的AChE活性被作为生物标志物用于监测水环境中有机磷和氨基甲酸酯类农药 应用 细胞色素P450酶系 细胞色素是广泛分布于动物 植物和微生物等不同生物体内的一类代谢酶类 对许多内源性和外源性的化学物质 尤其是对水环境有害化合物质存在有氧氧化代谢作用以实现机体的解毒作用 在某些情况下 外来物质可能被转化为具细胞毒性 致突变性或致癌作用更强的物质 作用 细胞色素P450酶系 目前常用的方法是测定乙氧异吩噁唑酮 O 脱乙基酶 7 ethoxyresorufinO de ethylase 活性 它是一个指示多种水环境污染物极为敏感的指标 可以作为污染物存在潜在影响的早期预警信号 研究结果表明鱼类 贝类的P450对环境诱导的反应具有敏感性 并且有很好的剂量 效应关系 指示的污染水平与诱导反应有很好的相关性 应用 谷胱甘肽S 转移酶 GSTs 催化亲电子有毒化合物与媚力肽GSH 一种解除毒素的特效物质 的结合反应 通过这种方式将体内各种有潜在毒性的物质及亲脂性化合物降解排出 促进过氧化氢物的降解 保护细胞免受在氧化代谢中产生的潜在的有毒次生产物的危害 作用 谷胱甘肽S 转移酶 GSTs 鱼类 贝类的GSTs活性可以作为生物标志物指示有机磷和菊酯类农药的暴露效应 在对GSTs基因的表达及调控进行更多了解的基础上 可以进一步研究农药在鱼类等水生生物体内的去毒机理及相互作用关系 可以预见 GSTs测定有可能成为非常有用的生物监测手段 应用 抗氧化酶系 外源性化学物质进入生物细胞后 会导致大量活性氧的产生 活性氧是高活性的分子 与生物大分子如DNA 蛋白质和脂质相互作用而对生理过程产生影响 过氧化氢酶 CAT 与超氧化物歧化酶 SOD 过氧化物酶 POD 共同组成了生物体内活性氧防御系统 在清除超氧自由基 H2O2和过氧化物以及阻止或减少羟基自由基形成等方面发挥重要作用 作用 抗氧化酶系 不同种农药可以引起活性氧在水生生物体内和体外的产生 目前 很多研究把CAT 谷胱甘肽过氧化物酶 GPx 和SOD作为评价外源化合物产生氧化胁迫的重要生物标志物 它们的一个重要特征是其活性或含量可由于污染的胁迫而发生改变来间接反映环境中氧化污染的存在 因而可作为环境污染胁迫的指标 应用 DNA损伤在指示水环境中农药的机理及应用 许多化学物经生物体代谢活化后 作用于细胞内的DNA 对DNA的结构和稳定性产生影响 导致DNA分子的各种损伤 所以各种类型的DNA损伤可以作为暴露或效应生物标志物 DNA损伤在指示水环境中农药的机理及应用 DNA链断裂的检测 正常环境中 由于热能作用DNA会发生碱基的缺失 这种缺失能迅速得到修复 但当这些正在修复的DNA分子受到环境中具遗传毒性的化学物质或物理因素的损伤时 就会发生DNA链的断裂 机理 DNA链断裂的检测 单细胞凝胶电泳技术 SCGE 和彗星实验 在碱处理并在碱性条件下电泳 DNA解螺旋且碱变性为单链 若细胞DNA受损 则会出现分子量较小的DNA片段 在电场中 小DNA片段会离开核DNA在凝胶分子筛中向阳极移动 形似彗星 故称为彗星实验 e g蝌蚪实验 在实验室条件下 暴露于不同浓度的敌敌畏和丁草胺后 随着施药浓度的增加 蝌蚪的DNA损伤随之增加 而且农药剂量与蝌蚪DNA损伤呈显著的线性关系 在农药对水生生态系统的风险评估中有较好的发展前景 应用 DNA加合物的检测 DNA加合物是化学毒物经生物转化后的亲电活性产物与DNA分子形成的共价结合物 是一种分子水平暴露标志物 机理 通过对致癌物 DNA加合物的生物监测 可以更为确切的评估生物体接触水环境中农药的剂量 DNA加合物的形成与暴露量及暴露时间之间有明显的剂量 反应关系和时间 反应关系 检测DNA加合物能提供农药等毒物的代谢活化信息 研究DNA受损机理及个体对DNA损伤的修复能力 应用 DNA加合物的检测 结语 现在 造成生态系统中各种生物衰减的原因之一是大量的化学农药长期释放入环境中所致 特别是水生生物数量的减少 所以在环境保护观念日益加强的今天 人们期望发展一个综合的 全面性和准确性的环境监测体系来高效 准确地实现对水环境中农药的生态效应进行评估 结语 传统的化学检测方法仅能判断水环境中各类污染物的含量及其变化 并不能揭示对生物体的损