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生物計(jì)量在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用
閱讀：106 發(fā)布時(shí)間：2024-8-2 生物計(jì)量是計(jì)量學(xué)的一個(gè)新的分支，主要以生物體內(nèi)的分子為研究對(duì)象，通過(guò)研究制定核酸、蛋白、生物活性成分、代謝產(chǎn)物等物質(zhì)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)環(huán)境、臨床、醫(yī)藥等行業(yè)內(nèi)相關(guān)物質(zhì)的分析和檢測(cè)工作。隨著生命科學(xué)的快速發(fā)展，生物計(jì)量已經(jīng)在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在環(huán)境污染的監(jiān)測(cè)和治理方面，生物計(jì)量的重要作用正逐步顯現(xiàn)。
一、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)與生物計(jì)量
1.環(huán)境生物污染監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)
環(huán)境生物污染是指由于人類生產(chǎn)和生活活動(dòng)造成的環(huán)境中的生物體及其代謝物污染環(huán)境介質(zhì)，進(jìn)而影響人群健康。環(huán)境中的生物污染物主要是微生物，包括細(xì)菌、真菌、放線菌、寄生蟲(chóng)、藻類等及其毒素。生物污染可以發(fā)生在不同的環(huán)境介質(zhì)中，如空氣、水體、土壤等。不同介質(zhì)所發(fā)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(shù)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(jìn)入水中而污染水體。
如何準(zhǔn)確測(cè)定有害微生物的種類和數(shù)量是解決問(wèn)題的關(guān)鍵，而生物計(jì)量恰恰是解決這一問(wèn)題的一把鑰匙。通過(guò)研究建立有害微生物的計(jì)量學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，可為常規(guī)生物污染物的分析提供數(shù)據(jù)支持。例如，對(duì)于空調(diào)冷卻水中軍團(tuán)菌含量的檢測(cè)，需要分離培養(yǎng)、革蘭氏染色、生化試驗(yàn)、PCR分型等程序，需要的檢測(cè)用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)有24種40個(gè)血清型及亞型。同樣，對(duì)于生物污染分析檢測(cè)的經(jīng)典生物技術(shù)監(jiān)測(cè)方法有:利用細(xì)菌總數(shù)及糞便污染指示菌監(jiān)測(cè)水質(zhì)；Ames實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)物質(zhì)致突變性與致癌性；用發(fā)光細(xì)菌快速檢測(cè)環(huán)境毒物；通過(guò)測(cè)定水中藻類的生物量來(lái)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)或物質(zhì)的霉性檢測(cè)中無(wú)不需要生物計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的支持，生物計(jì)量是生物污染檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度的基石。蛋白質(zhì)、核酸、代謝物、細(xì)胞和微生物是環(huán)境污染監(jiān)測(cè)和控制的主要生物計(jì)量?jī)?nèi)容。
2.蛋白質(zhì)分析與環(huán)境污染監(jiān)測(cè)
(1)金屬硫蛋白(Metallothionein，MT)
金屬硫蛋白是1957年Margoshes和Vallee從動(dòng)物器官分離出的一種蛋白質(zhì)，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(yīng)早期預(yù)警的主要生物標(biāo)志物，以及作為環(huán)境中重金屬污染脅迫與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)以及監(jiān)測(cè)的分子生態(tài)毒理學(xué)診斷指標(biāo)，通過(guò)對(duì)于MT濃度的有效檢測(cè)比采用單一的重金屬為評(píng)價(jià)指標(biāo)更為科學(xué)。目前，MT的檢測(cè)技術(shù)主要包括金屬親和分析法、電化學(xué)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(cè)方法各不相同，檢測(cè)準(zhǔn)確度也就各有差異，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果之間往往很難直接進(jìn)行比較。因此，研究MT標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和高準(zhǔn)確度的計(jì)量學(xué)方法將是環(huán)境重金屬污染監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)，而這恰恰是蛋白質(zhì)計(jì)量的主要工作內(nèi)容。
(2)熱反應(yīng)休克蛋白(Heat Shock Protein，HSP)
熱反應(yīng)休克蛋白又稱應(yīng)激蛋白，是機(jī)體細(xì)胞在一些理化因素刺激后高效表達(dá)的一組蛋白質(zhì)，因最先發(fā)現(xiàn)于果蠅唾液腺的熱應(yīng)激反應(yīng)中而得名，此后的研究表明，熱休克蛋白廣泛存在于人、動(dòng)物、微生物和植物的細(xì)胞中，是一類在遺傳上高度保守的分子，能保護(hù)細(xì)胞并促進(jìn)細(xì)胞對(duì)各種刺激所造成的損傷進(jìn)行自身修復(fù)，具有重要的生物學(xué)功能。在一些應(yīng)激原(如環(huán)境高溫、缺氧、重金屬中毒、氧化應(yīng)激、感染、饑餓、創(chuàng)傷、代謝毒物等條件)誘導(dǎo)下，HSPs基因激活，熱反應(yīng)休克蛋白被高效表達(dá)。應(yīng)急蛋白是環(huán)境壓力促使特定基因表達(dá)的產(chǎn)物，是細(xì)胞保護(hù)機(jī)制的重要部分，近年來(lái)被廣泛用于環(huán)境污染的早期預(yù)警指標(biāo)，五、重鉻酸鹽、銅離子污染的指示因子。蛋白計(jì)量就是要研制出熱反應(yīng)蛋白的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，最終指導(dǎo)環(huán)境中熱反應(yīng)蛋白的準(zhǔn)確測(cè)定。
3.核酸計(jì)量與環(huán)境污染監(jiān)測(cè)
正常條件下生物體內(nèi)的基因組是穩(wěn)定的，但在環(huán)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(diǎn)、堿基錯(cuò)配、插入或缺失片段、嘧啶聯(lián)合、DNA加合物、DNA鏈斷裂、甲基化損傷、DNA鏈內(nèi)和鏈間交聯(lián)等。DNA與化學(xué)物之間的作用反映了化學(xué)物環(huán)境污染物的程度。
(1)DNA加合物計(jì)量
外界物質(zhì)進(jìn)入生物體后，經(jīng)過(guò)生物體內(nèi)酶作用，轉(zhuǎn)化形成親電活性中間產(chǎn)物，該產(chǎn)物與DNA鏈上的特異位點(diǎn)相結(jié)合形成的共價(jià)化合物為DNA加合物。DNA加合物，是化學(xué)致癌、致突變過(guò)程啟動(dòng)的關(guān)鍵步驟。所以，DNA加合物是一項(xiàng)用來(lái)評(píng)價(jià)環(huán)境化學(xué)污染的參數(shù)，是生物分子標(biāo)志物研究的重要內(nèi)容之一。目前，對(duì)DNA加合物進(jìn)行檢測(cè)的主要方法有免疫化學(xué)檢測(cè)法、熒光測(cè)定法、色譜一質(zhì)譜法、核磁共振法、序列測(cè)定法、32P后標(biāo)記等。DNA加合物是一類極其重要的生物標(biāo)志物，可以作為接觸(暴露)生物標(biāo)志物，反映污染物到達(dá)靶位的實(shí)際接觸劑量，為監(jiān)測(cè)及分析環(huán)境化學(xué)污染物的暴露提供有效的手段。
(2)單細(xì)胞凝膠電泳測(cè)量
單細(xì)胞凝膠電泳(single cell microgel elect rophoresiss，SCGE)又稱彗星實(shí)驗(yàn)(comet assay)，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的檢測(cè)單細(xì)胞水平DNA損傷的新技術(shù)。由于SCGE具有簡(jiǎn)便、快速、需樣品量少、對(duì)環(huán)境污染物和致癌劑的檢測(cè)譜寬、靈敏性高等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用日益廣泛。兆利等以鯉魚(yú)腎細(xì)胞為材料，發(fā)現(xiàn)了喹乙醇和均能引起鯉魚(yú)腎細(xì)胞DNA的明顯損傷，并呈現(xiàn)出劑量-效應(yīng)關(guān)系，類似的結(jié)果在放射性核素、苯、鉛等污染物中也得到了證實(shí)。
4.代謝物計(jì)量檢測(cè)與環(huán)境污染監(jiān)測(cè)
在環(huán)境科學(xué)研究方面，代謝組學(xué)方法主要用來(lái)研究及闡明生物體對(duì)于有毒化學(xué)物質(zhì)暴露后所產(chǎn)生的生理生化反應(yīng)，用于對(duì)環(huán)境化學(xué)產(chǎn)品長(zhǎng)期作用機(jī)制的評(píng)價(jià)，其指標(biāo)可以作為全球現(xiàn)有化學(xué)制品混合物安全性監(jiān)測(cè)的合理標(biāo)準(zhǔn)，代謝產(chǎn)物水平可反映機(jī)體代謝能力，可為特異性損害或損傷診斷提供有效的指標(biāo)。美國(guó)國(guó)家環(huán)境衛(wèi)生研究中心已開(kāi)展了潛在的環(huán)境輸入與疾病之間相互影響的代謝組學(xué)研究。穆景利等開(kāi)展了魚(yú)類膽汁中PAHs代謝產(chǎn)物與海洋環(huán)境污染之間的關(guān)系研究表明，膽汁PAHs代謝產(chǎn)物不僅可以用來(lái)評(píng)價(jià)環(huán)境中PAHs污染情況，研究PAHs在魚(yú)體內(nèi)的代謝轉(zhuǎn)換機(jī)制，生物體代謝過(guò)程中的生物標(biāo)志物可以被用來(lái)定量衡量生物體的被污染程度，因此，測(cè)定生物標(biāo)志物對(duì)一系列環(huán)境刺激的應(yīng)答對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)具有重要的意義。Bundy等利用代謝組學(xué)方法研究了被污染的土壤對(duì)于蚯蚓的影響，他們利用1HNMR波譜考察了不同毒性物質(zhì)暴露時(shí)蚯蚓代謝的變化，結(jié)果表明有毒化學(xué)物質(zhì)的變化同樣可以引起蚯蚓體內(nèi)的代謝模式不同。
5.細(xì)胞計(jì)量與環(huán)境污染監(jiān)測(cè)
環(huán)境污染物的積累、代謝和毒性都是在細(xì)胞中發(fā)生作用的。細(xì)胞溶酶體脹大、溶酶體膜不穩(wěn)定是污染在細(xì)胞水平上的生物標(biāo)志物。溶酶體大小與環(huán)境污染程度有對(duì)應(yīng)關(guān)系，軟體動(dòng)物消化細(xì)胞中溶酶體脹大幅度已作為監(jiān)測(cè)環(huán)境脅迫的標(biāo)志物。溶酶體體積變化也是世界衛(wèi)生組織(WHO)和糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)用來(lái)評(píng)價(jià)環(huán)境質(zhì)量的方法之一。紅細(xì)胞微核及核異常測(cè)定是一種簡(jiǎn)便、迅速、靈敏的遺傳毒理學(xué)測(cè)定方法
Hooftman最早將微核測(cè)定法應(yīng)用于魚(yú)類，證明化學(xué)誘變劑加基磺酸乙酯能誘發(fā)泥蔭魚(yú)外周血紅細(xì)胞微核的形成。肝胰腺細(xì)胞、粘液細(xì)胞主要用于監(jiān)測(cè)陸生腹足類的生存環(huán)境。當(dāng)陸生腹足類動(dòng)物暴露于重金屬污染的環(huán)境之后，肝胰腺中重吸收細(xì)胞和嗜堿性細(xì)胞表現(xiàn)出的劑量-反應(yīng)關(guān)系，被認(rèn)為是環(huán)境污染的監(jiān)測(cè)細(xì)胞，而在蝸牛的皮膚和腸中，粘液細(xì)胞則對(duì)殺軟體動(dòng)物劑有較靈敏的反應(yīng)。近年來(lái)，細(xì)胞作為監(jiān)測(cè)環(huán)境中誘變劑、氟化物、農(nóng)藥、除草劑等化學(xué)試的一種有效手段得到了深入的研究，細(xì)胞形態(tài)學(xué)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)研究為環(huán)境污染的監(jiān)測(cè)提供了一種行之有效的生物學(xué)方法。
二、環(huán)境污染治理與生物計(jì)量
基因工程作為改造自然的一種手段得到了大量的應(yīng)用和發(fā)展?；蚬こ碳夹g(shù)在環(huán)境污染物處理中的應(yīng)用，主要是應(yīng)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(nóng)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(huán)境方面顯示了美好的應(yīng)用前景。采用生物基因工程手段處理環(huán)境污染主要優(yōu)點(diǎn)有:集中及創(chuàng)造目的基因，提供綜合性代謝新污染物的通路和細(xì)胞；針對(duì)新的污染物，通過(guò)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(yīng)過(guò)程效率。生物計(jì)量在關(guān)鍵基因的發(fā)現(xiàn)過(guò)程中起重要的作用，在功能基因的評(píng)價(jià)、檢測(cè)等方面生物計(jì)量通過(guò)對(duì)于測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)方法的控制，可以提高功能基因的開(kāi)發(fā)效率。同時(shí)通過(guò)對(duì)于目標(biāo)基因的計(jì)量監(jiān)測(cè)可以為基因工程菌環(huán)境釋放的安全性提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
三、展望
生物計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)以其*的在整體水平上研究生命現(xiàn)象的特點(diǎn)，被引入環(huán)境污染監(jiān)測(cè)和污染機(jī)理研究中，在環(huán)境生物學(xué)和生態(tài)毒理研究中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。原有的一些對(duì)環(huán)境或生物體內(nèi)污染物含量進(jìn)行定量監(jiān)測(cè)方法無(wú)法反映這些污染物對(duì)生物的效應(yīng)。生物計(jì)量監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)則是從整體、從分子水平上對(duì)于顯示污染的一個(gè)真實(shí)的反映，對(duì)于生物指標(biāo)的分析，揭示的不僅僅是單一指標(biāo)，更多的是一種協(xié)同作用，因此也就更加符合實(shí)際。因此，有理由相信隨著生物技術(shù)的迅猛發(fā)展，生物計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)方法也將不斷地完善，必將越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于環(huán)境污染物的監(jiān)測(cè)和生態(tài)修復(fù)過(guò)程。