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| 生物計量在環境科學領域的廣泛應用 | |||
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生物計量是計量學的一個新的分支，主要以生物體內的分子為研究對象，通過研究制定核酸、蛋白、生物活性成分、代謝產物等物質的檢測標準，指導環境、臨床、醫藥等行業內相關物質的分析和檢測工作。隨著生命科學的快速發展，生物計量已經在環境科學領域得到了廣泛的應用，特別是在環境污染的監測和治理方面，生物計量的重要作用正逐步顯現。
一、環境污染監測與生物計量
1.環境生物污染監測與評價
環境生物污染是指由于人類生產和生活活動造成的環境中的生物體及其代謝物污染環境介質，進而影響人群健康。環境中的生物污染物主要是微生物，包括細菌、真菌、放線菌、寄生蟲、藻類等及其毒素。生物污染可以發生在不同的環境介質中，如空氣、水體、土壤等。不同介質所發生的生物污染由于其侵入人體的途徑不同、生物體種類不同，因此引起的健康危害也不同。空氣中的微生物多數是借助土壤以及人和生物體傳播，或借助大氣飄浮物和水滴傳播。地面的微生物、大氣中飄浮的微生物均可進入水中而污染水體。
如何準確測定有害微生物的種類和數量是解決問題的關鍵，而生物計量恰恰是解決這一問題的一把鑰匙。通過研究建立有害微生物的計量學標準，可為常規生物污染物的分析提供數據支持。例如，對于空調冷卻水中軍團菌含量的檢測，需要分離培養、革蘭氏染色、生化試驗、PCR分型等程序，需要的檢測用計量標準有24種40個血清型及亞型。同樣，對于生物污染分析檢測的經典生物技術監測方法有:利用細菌總數及糞便污染指示菌監測水質；Ames實驗檢驗物質致突變性與致癌性；用發光細菌快速檢測環境毒物；通過測定水中藻類的生物量來進行水質監測或物質的霉性檢測中無不需要生物計量標準的支持，生物計量是生物污染檢測結果準確度的基石。蛋白質、核酸、代謝物、細胞和微生物是環境污染監測和控制的主要生物計量內容。
2.蛋白質分析與環境污染監測
(1)金屬硫蛋白(Metallothionein，MT)
金屬硫蛋白是1957年Margoshes和Vallee從動物器官分離出的一種蛋白質，它含有豐富的巰基，能螯合大量的金屬離子。MT可作為重金屬污染物、潛在重金屬污染暴露和毒性效應早期預警的主要生物標志物，以及作為環境中重金屬污染脅迫與風險評價以及監測的分子生態毒理學診斷指標，通過對于MT濃度的有效檢測比采用單一的重金屬為評價指標更為科學。目前，MT的檢測技術主要包括金屬親和分析法、電化學法、免疫法、色譜分析法和MT-mRNA半定量及定量分析法，鑒于MT檢測方法各不相同，檢測準確度也就各有差異，導致檢測結果之間往往很難直接進行比較。因此，研究MT標準物質和高準確度的計量學方法將是環境重金屬污染監測的重點，而這恰恰是蛋白質計量的主要工作內容。
(2)熱反應休克蛋白(Heat Shock Protein，HSP)
熱反應休克蛋白又稱應激蛋白，是機體細胞在一些理化因素刺激后高效表達的一組蛋白質，因最先發現于果蠅唾液腺的熱應激反應中而得名，此后的研究表明，熱休克蛋白廣泛存在于人、動物、微生物和植物的細胞中，是一類在遺傳上高度保守的分子，能保護細胞并促進細胞對各種刺激所造成的損傷進行自身修復，具有重要的生物學功能。在一些應激原(如環境高溫、缺氧、重金屬中毒、氧化應激、感染、饑餓、創傷、代謝毒物等條件)誘導下，HSPs基因激活，熱反應休克蛋白被高效表達。應急蛋白是環境壓力促使特定基因表達的產物，是細胞保護機制的重要部分，近年來被廣泛用于環境污染的早期預警指標，五砷酸、重鉻酸鹽、銅離子污染的指示因子。蛋白計量就是要研制出熱反應蛋白的檢測標準，最終指導環境中熱反應蛋白的準確測定。
3.核酸計量與環境污染監測
正常條件下生物體內的基因組是穩定的，但在環境污染條件下，其DNA容易遭受傷害，主要損傷形式為:堿基改變、脫堿基位點、堿基錯配、插入或缺失片段、嘧啶聯合、DNA加合物、DNA鏈斷裂、甲基化損傷、DNA鏈內和鏈間交聯等。DNA與化學物之間的作用反映了化學物環境污染物的程度。
(1)DNA加合物計量
外界物質進入生物體后，經過生物體內酶作用，轉化形成親電活性中間產物，該產物與DNA鏈上的特異位點相結合形成的共價化合物為DNA加合物。DNA加合物，是化學致癌、致突變過程啟動的關鍵步驟。所以，DNA加合物是一項用來評價環境化學污染的參數，是生物分子標志物研究的重要內容之一。目前，對DNA加合物進行檢測的主要方法有免疫化學檢測法、熒光測定法、色譜一質譜法、核磁共振法、序列測定法、32P后標記等。DNA加合物是一類極其重要的生物標志物，可以作為接觸(暴露)生物標志物，反映污染物到達靶位的實際接觸劑量，為監測及分析環境化學污染物的暴露提供有效的手段。
(2)單細胞凝膠電泳測量
單細胞凝膠電泳(single cell microgel elect rophoresiss，SCGE)又稱彗星實驗(comet assay)，是近年來發展起來的檢測單細胞水平DNA損傷的新技術。由于SCGE具有簡便、快速、需樣品量少、對環境污染物和致癌劑的檢測譜寬、靈敏性高等優點，其應用日益廣泛。兆利等以鯉魚腎細胞為材料，發現了喹乙醇和土霉素均能引起鯉魚腎細胞DNA的明顯損傷，并呈現出劑量-效應關系，類似的結果在放射性核素、苯、鉛等污染物中也得到了證實。
4.代謝物計量檢測與環境污染監測
在環境科學研究方面，代謝組學方法主要用來研究及闡明生物體對于有毒化學物質暴露后所產生的生理生化反應，用于對環境化學產品長期作用機制的評價，其指標可以作為全球現有化學制品混合物安全性監測的合理標準，代謝產物水平可反映機體代謝能力，可為特異性損害或損傷診斷提供有效的指標。美國國家環境衛生研究中心已開展了潛在的環境輸入與疾病之間相互影響的代謝組學研究。穆景利等開展了魚類膽汁中PAHs代謝產物與海洋環境污染之間的關系研究表明，膽汁PAHs代謝產物不僅可以用來評價環境中PAHs污染情況，研究PAHs在魚體內的代謝轉換機制，生物體代謝過程中的生物標志物可以被用來定量衡量生物體的被污染程度，因此，測定生物標志物對一系列環境刺激的應答對生態風險評價具有重要的意義。Bundy等利用代謝組學方法研究了被污染的土壤對于蚯蚓的影響，他們利用1HNMR波譜考察了不同毒性物質暴露時蚯蚓代謝的變化，結果表明有毒化學物質的變化同樣可以引起蚯蚓體內的代謝模式不同。
5.細胞計量與環境污染監測
環境污染物的積累、代謝和毒性都是在細胞中發生作用的。細胞溶酶體脹大、溶酶體膜不穩定是污染在細胞水平上的生物標志物。溶酶體大小與環境污染程度有對應關系，軟體動物消化細胞中溶酶體脹大幅度已作為監測環境脅迫的標志物。溶酶體體積變化也是世界衛生組織(WHO)和糧食及農業組織(FAO)用來評價環境質量的方法之一。紅細胞微核及核異常測定是一種簡便、迅速、靈敏的遺傳毒理學測定方法
Hooftman最早將微核測定法應用于魚類，證明化學誘變劑加基磺酸乙酯能誘發泥蔭魚外周血紅細胞微核的形成。肝胰腺細胞、粘液細胞主要用于監測陸生腹足類的生存環境。當陸生腹足類動物暴露于重金屬污染的環境之后，肝胰腺中重吸收細胞和嗜堿性細胞表現出最明顯的劑量-反應關系，被認為是環境污染的監測細胞，而在蝸牛的皮膚和腸中，粘液細胞則對殺軟體動物劑有較靈敏的反應。近年來，細胞作為監測環境中誘變劑、氟化物、農藥、除草劑等化學試的一種有效手段得到了深入的研究，細胞形態學計量標準研究為環境污染的監測提供了一種行之有效的生物學方法。
二、環境污染治理與生物計量
基因工程作為改造自然的一種手段得到了大量的應用和發展。基因工程技術在環境污染物處理中的應用，主要是應用改良后的基因工程菌處理污染物。如采用改造后的基因工程菌可以降解鹵代芳烴、農藥、纖維素廢料，處理石油污染降解塑料污染等。改造后的耐輻射球菌(Deinococcus radiodurans)在放射性廢料污染環境方面顯示了美好的應用前景。采用生物基因工程手段處理環境污染主要優點有:集中及創造目的基因，提供綜合性代謝新污染物的通路和雜種細胞；針對新的污染物，通過改變控制降解途徑的限制性步驟，提高分解代謝酶的合成或其他生化反應過程效率。生物計量在關鍵基因的發現過程中起重要的作用，在功能基因的評價、檢測等方面生物計量通過對于測量標準物質和標準方法的控制，可以提高功能基因的開發效率。同時通過對于目標基因的計量監測可以為基因工程菌環境釋放的安全性提供基礎數據。
三、展望
生物計量標準以其獨特的在整體水平上研究生命現象的特點，被引入環境污染監測和污染機理研究中，在環境生物學和生態毒理研究中發揮著越來越重要的作用。原有的一些對環境或生物體內污染物含量進行定量監測方法無法反映這些污染物對生物的效應。生物計量監測標準則是從整體、從分子水平上對于顯示污染的一個真實的反映，對于生物指標的分析，揭示的不僅僅是單一指標，更多的是一種協同作用，因此也就更加符合實際。因此，有理由相信隨著生物技術的迅猛發展，生物計量標準物質和標準方法也將不斷地完善，必將越來越廣泛的應用于環境污染物的監測和生態修復過程。
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