饮用水中有机物毒性的生物识别技术研究进展_图文

1、李玄,等:饮用水中有机物毒性的生物识别技术研究进展 89饮用水中有机物毒性的生物识别技术研究进展冰李 玄12贾瑞宝2 (1.济南大学土木建筑学院,济南250021;孙韶华2于衍真12。济南市供排水监测中心,济南250021摘要从技术应用原理、方法、应用现状及发展等角度,综合介绍了国内外常见的细胞与分子水平的水质生物 识别与安全评价方法,分析了这些技术的优点与不足,指出了水质生物监测技术研究的发展方向。关键词饮用水有机污染物 综合毒性 生物安全评价随着工农业和经济建设的快速发展,越来越多的有机 化学物质不可避免地进入饮用水水源,城市饮用水行业中各 种人工合成有机新材料的使用也造成微量有机化学物质

2、的 溶出,这些因素使得目前饮用水中有机化学物质种类不断增 多【12J。研究表明,饮用水中的有机类化合物是多种癌症的 致癌因子,进入水体中的种类繁多的有机物绝大部分对人体 有急性或慢性、直接或间接的致毒作用,有的还能积累在组 织内部、改变细胞的DNA结构,对人体组织产生致癌变、致 畸变和突变作用。因此利用国际先进的监测技术对饮用水 中微量有机物的毒性进行系统评价非常必要。饮用水中有机物的来源广泛,一是外界向水体中排放的 有机物,包括通过降雨进入水体的大气污染物,农药、杀虫 剂、化肥等水源污染物以及城市生活污水和工业废水中含有 的有机物;二是水体中水生生物的分解代谢产物及淤泥释放 的内源污染物,包

3、括藻毒素、嗅昧物质及痕量有毒有害有机 污染物等;三是饮用水氯化消毒过程中,生成的种类繁多的 消毒副产物,这些有机污染物在水体中不易降解,难以被常 规净水工艺去除,在环境中有一定的生物积累性,大部分本 身具有毒性,消毒副产物还具有“三致”作用,对人类的健康 构成潜在的威胁日J。饮用水中有机化学物质的特点是种类繁多、浓度较低, 一般含量为斗g/L至ns/L级Hj,这要求分析方法的灵敏度、 准确度很高,且有机有害物质的毒理学效应为慢性作用,对 人体的毒害多具有复合性,因此生物综合毒性检测法是一种 有效的饮用水安全评价手段。目前越来越多的生物试验方 法用于水质监测领域,如传统的生物试验法,包括藻类、鱼

4、 类、细菌试验法等,均可以检测水体长期的综合毒性。20世 纪80年代以来,随着现代生物技术的快速发展,以哺乳动物 为实验对象的实验手段大量涌现,并成为水质安全评价的研 究热点,如:彗星实验、精子畸形实验等。这些手段主要是通 过受试动物受试前后在细胞与大分子水平的变化衡量水体 安全。笔者针对长期饮用有机污染的饮用水所引起的慢性 毒性和遗传毒性的监测方法分别进行阐述。1细胞水平毒性监测方法1.1微核试验微核的形成是细胞受遗传毒物作用后的一种遗传学终 点,以观察细胞中微核的形成来检测遗传毒物,称为微核试 验。微核试验是以动植物为材料,利用细胞生物学方法观察 其出现的微核率(Micronucleus

5、Frequency,MF来表示材料受 遗传损伤程度的一种检测遗传毒物的方法。微核是细胞凋 亡的产物,是致畸因素激活凋亡基因,激活了内切酶,切割 DNA,在细胞内形成了细胞核碎片,最终导致产生许多微 核5|。在水质毒性检测试验中,蚕豆根尖微核试验成为水质监 测的经典试验方法,该方法近几年逐渐应用于环境诱变剂的 检测及致突变性研究,是一种很好的致突变性分析的测试系 统,并且在环境污染检测中已被我国定为“生物检测技术” 而得到广泛应用j。该方法早在1988年就被国家环保局批 准,且许多研究表明,蚕豆根尖微核技术在检测流域或湖泊 水污染方面有非常好的效果,微核率的高低反映了被监测水 质的污染程度。该方

6、法具有简便、快速、结果可靠等优点。 陈壁锋等"o采用蚕豆根尖微核试验和紫露草微核试验对深 圳蛇口工业区生活饮用水的遗传毒性进行测试,结果与A-mes试验结果一致。顾涛等8o采用小鼠骨髓嗜多染红细胞 微核试验自来水中痕量有机污染物致突变性,结果显示几种 自来水中均具有一定的致突变有机污染。近几年来,为了更进一步真实地反映饮用水中有机物对 人体的危害,很多新的研究选用淋巴细胞试验。淋巴细胞微 核检测是一种快速敏感的测定机体损伤的早期生物学反映 指标,也是肿瘤早期检测的诊断指标9J。张徐军¨叫等采用 人外周血淋巴细胞微核实验说明,常规工艺出水和原水相 比,染色体损伤的遗传毒性物质

7、有一定程度的减少。另外, 将微核试验阳性结果结合多个遗传终点的试验结果,对同一 水体进行评价还可以筛选出水体中具体的诱变物质。 1.2Ames试验Ames试验也是一种检测环境中致突变物的测试方法, 其原理是利用鼠伤寒沙门氏菌的组氨酸营养缺陷型菌株发 生回复突变的特性来检测物质是否具有致突变性。Ames 法准确性很高,所需样品量极少,甚至能检出微克至纳克水 平物质的致突变性,灵敏度高。Michelle 0Kenyon等¨21国家水体污染控制与治理科技重大专项(2008ZX07422 001;山东省“饮用水安全保障技术”泰山学者建设工程专项收稿日期:2010一0825万方数据化学分析计量

8、 2010年,第19卷,第6期采用Ames试验成功地检测出低浓度的添加剂均含有诱导 有机体突变的物质。此外,Ames法除能检出单一纯物质外, 还能直接检出复杂混合物中的致癌物,这样能更好地反映水 体中多种物质联合作用的效应,使之成为一种有效水质毒性 识别方法。肖贤明等¨3通过比较某城市水源水、自来水与经不同 组合工艺净化水的Ames试验结果,分析出Ames致突变性 与水中某些有机污染指标直接相关,如MA(TA98与TOC, MA(TA98与酚类、多环芳烃及农药总量呈较好相关性。尚 炜¨4o等利用Ames试验对北京第九水厂7个水处理工艺流 程出水有机浓集物的致突变性进行了研究

9、,试验结果表明:原水加氯后致突变性增强,其中加氯原水和投加池出水致突 变性最强;经活性炭吸附后水样致突变性明显降低;管网水 的致突变性最低。研究者又改进出了一种液体微量滴定的Ames试验,称 为Ames II试验。I.S.F1Uekiger1副等用Ames II测试了19种 化学物质的致突变作用,结果表明:与传统的Ames试验相 比,Ames II试验对诱变剂的敏感性更强,而且试验结果的可 重复性更好,但目前还没有得到广泛应用。1.3发光细菌微毒监测试验发光细菌可以作为水质安全监测的一种手段,是由于发 光强度受接触环境有毒物质影响并呈现很好的相关性,可以 直接检测样本的毒性大小,所以发光较强,

10、对人非致病的哈 氏弧菌、费氏弧菌、青海弧菌常被选为水质监测菌种。以光 电倍增等装置放大监测其抑制程度,综合判断水样毒性大 小,该技术被称为发光细菌毒性检测技术(Luminescent Bac teria Toxicity Test,简称LBT。发光细菌检测法是一种简单快速的水质急性毒性检测 方法,不仅能够对单因子指标进行测试,更能快速准确地对 环境的综合毒性指标进行检测,具有理化法无可比拟的特 点1。Femadez.Adela等¨副采用发光细菌法对西班牙的 Tormes河进行了毒性研究,随着河流两岸工业废水的流入, 河流的毒性随着河流的方向逐渐增强,而且污染物的毒性已 经超过河流的自

11、净能力。马梅等。1州采用发光细菌法对乐安 江水进行了毒性研究,指出乐安江水毒性是德兴铜矿和洎水 河二者排放的共同结果。白晓慧等啪3采用发光细菌试验法 对黄浦江闵行段的二水厂的10个断面的水质急性毒性进行 了研究,发现余氯浓度会影响水质的毒性,并且絮凝沉淀和 砂滤单元可使生物急性毒性降低。潘海洋等旧川实验研究表 明,加氯消毒后的水质毒性增强,并且水库水的耗氧量较高 时,生物毒性也较强,反之亦然。随着各种持续供应新鲜发光细菌并同时检测毒性大小 的传感器的诞生,发光细菌监测可以逐渐实现对水质的现场 检测。另外多种微生物发光组合微孔板借助高灵敏的CCD 相机分析,还可能会实现对水中有毒物质的分类。1.

12、4精子畸形实验、精子畸形是受基因控制的,具有高度的遗传性,许多常 染色体及x、Y性染色体基因直接或间接地决定精子形态。 精子的畸形主要是形态的异常,形态的改变提示有关基因及 其蛋白质产物的改变。小鼠精子畸形试验主要检测饮用水 中有机毒物对精子的形状、活力、数量、生成及发育的影响, 可检测有机毒物在体内对生殖细胞的致突变作用。有研究证实:饮用水有机提取物可致使雄性小鼠畸形精 子数增加,精子质量和数量下降,血清睾酮含量下降心“。吴 坤等。2引应用小鼠整体试验对自来水中有机污染物潜在危害 进行评价时发现:生殖细胞比体细胞对自来水中有机污染物 更为敏感,相同剂量下生殖细胞可能首先受到损害。因此应 重视

13、饮用水中有机污染物对生殖健康的潜在危害。田怀军 等1通过研究证明:饮用水有机物污染可导致雄性性腺的 不可逆损伤,睾丸Leydig细胞和生精细胞则是有机污染物作 用的靶细胞,生精细胞的线粒体是作用的靶点。庄颖等拉53通过实验证明:淮河蚌埠(段水中的有机浓缩物均会使小 鼠精子产生畸形,这与淮河蚌埠(段长期以来接纳大量的 工业废水和城市生活污水有很大的关系。王晓棉等o通过 实验证明:生精细胞对环境毒物是比较敏感的细胞,细胞形 态、活力、LDH活力、凋亡坏死率、睾酮分泌量等生殖毒理学 检测指标均可用于饮用水源地水质的评价。生殖细胞比体细胞对水中的有机污染物更敏感,相同剂 量下生殖细胞可能首先受到伤害。

14、采用体内染毒实验与体 外细胞测试技术是研究水中有机毒物潜在生殖毒性的有效 方法。但精子畸形实验所测定的生殖毒性只能局限在雄性 个体中,不具有普及性。寻找雌性个体相对应的生殖毒性研 究细胞是完善生殖毒性评价的下一个目标。2分子水平毒性监测方法2.1彗星试验彗星实验(Comet Assay又称单细胞凝胶电泳(Single Cell Microgel Electrophoresis,SCGE,是近年发展起来的在单 细胞水平上定量检测DNA损伤的灵敏法。经过不断改进和 完善,用该方法检验的基因损伤已成为鉴别遗传毒性物质的 敏感标记物,在致癌作用机制、环境污染监测以及环境毒理 和风险评价等研究中,均发挥

15、了重要作用,国内已有越来越 多的研究人员开始采用这项技术。最初由O.Ostling等心7_于1984年首先建立SCGE技术,1988年N.P.Singh等心81对 实验条件进行了改良,大大提高了检测DNA损伤的敏感性, 从而使该方法显示了强大的生命力。由于SCGE具有简便、 快速、需样品量少和对环境污染物、致癌剂的检测谱宽,灵敏 性高等优点2,其在水质安全评价中占据越来越重要的地 位。彗星实验技术原理是在细胞裂解液的作用下,细胞膜和 核膜被破坏,RNA、蛋白质等从细胞中逸出,扩散到裂解液 中,只有核DNA仍停留在原位。如果细胞未受到损伤,经荧 光染料染色后在荧光显微镜下,核呈圆形且亮度均匀。如

16、果 细胞受损,在碱性条件下,DNA双链解旋成单链,断片进入 凝胶。电泳时,断片由于分子量较小、本身带负电荷,在电场万方数据李玄,等:饮用水中有机物毒性的生物识别技术研究进展 91的作用下离开主核向阳极移动。经荧光染料染色后,其形状 犹如彗星,故名为彗星实验。细胞受损越严重,断片越多,电 泳后彗星的彗尾越长,所以在一定条件下彗尾的长度可以反 映DNA损伤的大小¨。流行病学研究显示,饮用水中有机物污染与某些恶性肿 瘤的发生有一定的相关性31”o,因此研究饮用水中有机物 的致突变效应成为国内外的研究热点。陈海刚等¨3采用细 胞彗星试验研究了不同水样对不同生物靶位的遗传毒性,结 果

17、表明,两种彗星试验在检测水源水有机浓缩物遗传毒性方 面具有良好的应用前景。国外大量研究证明:各种癌症,如 膀胱癌、肠胃癌等都与饮用水中存在的消毒副产物有关 系34-39。国内也有大量研究表明:饮用水中一些低浓度的 具有诱变性与遗传毒性的有机物污染对人体健康造成了严 重危害。李兆利H叫等选用人外周血淋巴细胞的彗星实验与 蚕豆根尖微核实验对长江南京段的水体进行了评价,得出此 段水体中的有机污染物对人外周血淋巴细胞和蚕豆根尖细 胞均产生了不同程度的损伤,存在明显的遗传毒性。张崇 华H1。等也选用小鼠肝细胞彗星试验对哈尔滨市不同水源水 中有机物的致突变性毒性进行了比较研究。直接用彗星实 验检测水环境中

18、遗传毒性的工作越来越多,其作为一种生物 测试的技术方法,已广泛应用于水质安全评价中。彗星实验监测水中有机污染物是否具有潜在诱变性的 短期实验技术之一,不仅可以对活细胞,而且可以对死细胞 的DNA损伤进行分析,适于体内、体外和各种细胞的DNA 损伤的研究。因此结合细胞的体外培养技术,对人体细胞进 行体外染毒后的DNA损伤研究得出结论,以及可靠的水质 安全评价成为下一步的研究热点。2.2细胞色素P450酶诱变实验许多环境污染物进人生物体后经代谢活化生成亲电的 活性中间体或自由基。这些活性中间体或自由基可攻击 DNA、蛋白质等生物大分子,从而造成生物体损伤。细胞色 素P450酶是催化这些外来物质的重

19、要酶,已有大量文献报 道P450代谢活化致癌物的机理。42。4“。另一方面,细胞色素 P450酶是一种诱导酶,包括一些临床治疗药物奥美拉唑、酮 康唑等,以及某些食物、饮料等均可以影响多种细胞色素 P450酶,并调节其代谢活性M。当机体含有能诱导细胞色 素P450酶的外来物时,可以利用细胞色素P450酶含量或活 性与污染物毒性之间的这种诱导或抑制响应关系,为环境污 染提供早期预警。4L4。从具体实例来看,国外以细胞色素P450酶作为毒理学 指标,对多环芳烃(PAHs、PCBs、TCDDs的生物监测做了较 多的研究工作。495。法国选择了两种海鱼的细胞色素P450酶活性作为监测PAHs和PCBs的

20、指标,对周边海域环境进 行监测。挪威也把鲶鱼的CYPlA诱导作为监测周边海域石 油类化合物,PAHs、PCBs、TCDDs及其它卤代化合物、农药等 污染的指标¨。P.H.Roos等。51。试验也表明:哺乳动物小 鼠CYPlAl含量与水中的多环芳烃(PAHs含量之间也存在 明显的剂量效应关系。国内在此方面的研究也越来越 广泛,朱必凤等"纠提出可用卿鱼肝微粒体芳烃经化酶指示 水体中多环芳烃(AHH的污染。霍传林等用鱼肝EROD活 性作为生物标记物来指示大连近海部分水域多氯联苯类物质 的污染状况5。细胞色素P450酶在水质监测中的应用尚 且不成熟,但其对污染物的指示作用具有其它生

21、物指标不具 有的敏感性,因此在水质监测中具有一定的应用前景。细胞色素P450酶的种类、催化反应类型及其底物均具 有广谱性",且细胞色素P450酶系的大家族和多种性的催 化机理(包括羟基化、环氧化、脱烷基化、氧化、脱硫化、脱卤 素及偶氮还原作用等也为其对污染物的指示作用的多样 性奠定了基础。另外,大量的研究表明细胞色素P450酶对 低剂量的污染物仍具有明显的相关性,因此其对污染物的指 示作用具有其它生物指标不具有的优势。3结论虽然不断涌现的生物识别与水质评价技术的发展与不 断更新完善了水质安全评价系统,但现有生物监测技术都存 在明显的优点与不足。(1蚕豆微核和发光菌微毒监测等技术,试验

22、周期短, 灵敏度高。但作为试验对象的蚕豆和发光菌均属于较低级 的生物,与人类的同源性很低,导致测试结果难以直接反映 对人体健康的影响。(2彗星实验和细胞色素P450酶系诱变实验等采用哺 乳动物为受试动物,适用范围广,可检测各种类型组织细胞, 但其实验周期长,灵敏度低,虽然可以通过对饮用水大剂量 浓缩后测定,但多大的浓缩倍数才会产生相应的生物效应至 今没有一个量的统一。(3各种多样的生物监测技术虽然可以实现多层面的 水质安全评价,但采用不同的生物监测技术对同一水样进行 评价时,其结果又有很大的差异性,没有一个统一的标准将 多种不同的生物评价方法进行统一联系,因而不能有力地说 明水样的生物毒性程度

23、。因此综合考虑各种生物监测技术的优缺点,寻找更加科 学、有效的生物识别技术和水质安全评价系统应该成为下一 步研究重点之一。参考文献1顾春晖,等.环境科学与技术,2005,28(2:38.2徐涛,等.环境科学与技术,2004,27(6:107109.3王瑞.饮用水中有机提取物对小鼠生殖系统的影响D.长 春:吉林大学,2006.4蒋金花.国外医学:卫生学分册,2003,30(6:321325. 5Saton,et a1.Oncogene,2004,19:5281.6Riohard B Rot H,et a1.Cance Researck,2002,62(3:656 660.7陈壁锋,等.广东卫生防

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31、UE OFENTIFYING THE ToXICITYoF oRGANICCOMPoUNDS IN DRINKINGWATERLiXuanl,_。Jia Ruiba02。Sun Shaohua2,Yu Yanzhenl(1.School of Civil Engineering and ArchitectureinJinan University,Jinan250021,China;2.Jinan Water andWastewater Monitoring Center,Jinan250021,ChinaABSTRACT111e domestic and foreign biological

32、 identificationand safety evaluation techniques of drinking waterquality whichbasedonthe cellular and molecular levelwereintroduced from the viewof principles,methods,application and development of thetechnology.The advantages and problems of these techniques wereanalyzed,and the development directi

33、on of these rapid bio-safetymonitoring techniqueswaspointedout.KEYWORDSdrinking water,organic pollution,integrated toxicity,bio-safety evaluation6000家食品检验机构展开资质认定不久前,在京召开的全国实验室和检查机构资质认定工 作会议上了解到,食品检验机构资质认定工作即将全面开 展。迄今为止,全国共颁发现行有效的资质认定证书25328张,授权国家质检中心433家。全国现有食品检验机构近 6000家。据了解,资质认定是国家行政管理部门对实验室和 检查机

34、构的基本条件和能力是否符合国家法律法规以及相 关标准、技术规范而实施的评价和承认活动。实验室和检查 机构资质认定是一项行政许可。我国认证认可条例规 定,“向社会出具具有证明作用的数据和结果的检查机构、实验室,应当具备有关法律、行政法规规定的基本条件和能力, 并依法经认定后,方可从事相应活动”。(莉北京已建20家超级细菌监测网细化监测网点针对我国发现的3例“超级细菌”病例,目前北京市已 经将细菌监测网点增至20家并进一步细化监测。一旦发现 对抗生素免疫的“超级细菌”,将及时调整该种抗生素的使 用情况。我国10月27日报告已发现3例超级细菌(NDM一 1耐药基因细菌病例。对此,北大临床药理研究所常

35、务副 所长吕嫒介绍,北京市已建设细菌监测网。目前哨点医院已 从19家增加至20家。(高1j56789Ol234567l二J l二l 万方数据 饮用水中有机物毒性的生物识别技术研究进展作者:李玄 , 贾瑞宝 , 孙韶华 , 于衍真 , Li Xuan, Jia Ruibao, Sun Shaohua, YuYanzhen作者单位:李玄,Li Xuan(济南大学土木建筑学院,济南,250021;济南市供排水监测中心,济南,250021 , 贾瑞宝,孙韶华,Jia Ruibao,Sun Shaohua(济南市供排水监测中心,济南,250021 , 于衍 真,Yu Yanzhen(济南大学土木建筑学院

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