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1、水水环境毒理境毒理学学 生物标志物在监测生物标志物在监测水环境中农药的应用水环境中农药的应用20092009级级级级 第二组第二组第二组第二组Your site hereLOGOIntroduction国国国国外水外水外水外水环环境毒理境毒理境毒理境毒理学研学研学研学研究究究究状况状况状况状况v国外在污染化学物质对水环境生物的危害性方面极为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。在过去的关注。在过去的20年间，欧、美、日等一些发达国家年间，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。的
2、优先控制的化学物质名录。v美国、日本等已建立水体有害化学物质的环境安全性美国、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。的研究。Your site hereLOGOIntroduction国内国内国内国内水水水水环环境毒理境毒理境毒理境毒理学研学研学研学研究究究究状况状况状况状况v我国系统的水环境微污染的环境安全性研究正在起步，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。但在污染物化学、生态毒理学研究方面已有一定成果。v21世纪，我国将面临有毒化
3、学品对生态环境污染和人世纪，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。品环境安全性研究。Your site hereLOGOv现在现在，化学农药的大量使用化学农药的大量使用，已对生态环境造成很多已对生态环境造成很多负面影响负面影响，对水环境的污染是其中最严重的对水环境的污染是其中最严重的，也是最也是最广泛的。农药进入水体后广泛的。农药进入水体后，除除了了毒杀水生生物外毒杀水生生物外，其其在食物链上的
4、传递及富集在食物链上的传递及富集，最终也潜在地对人体健康最终也潜在地对人体健康构成威胁。构成威胁。v在进行新的研究中在进行新的研究中，许多研究者首先从生物化学方面许多研究者首先从生物化学方面探索能反映探索能反映农药农药污染物对污染物对水生水生生物早期的影响参数生物早期的影响参数，其中其中，生物标志物法因为测定指标全面、准确且系统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而得到了世人的公认。IntroductionYour site hereLOGO生物生物生物生物标标志物志物志物志物(BiomarkerBiomarker)定定定定义义义义 v外源化学物通过生物学屏障并进入组织
5、或体液及其代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谢产物后，对该外源化学物或其生物学后果后果的测定指的测定指标标。v宿主生物材料（如人类的组织，细胞与体液）中可测宿主生物材料（如人类的组织，细胞与体液）中可测量的细胞的、生物化学的、免疫的或分子的量的细胞的、生物化学的、免疫的或分子的结构、性结构、性状和数量及其变换状和数量及其变换。这种可测量的物质是信息实体，。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。个信导。v个体暴露于次生物质后发生的亚致死性生物化学变化。个体暴露
6、于次生物质后发生的亚致死性生物化学变化。Your site hereLOGO生物标志物分类生物标志物分类v接触（暴露）标志物接触（暴露）标志物v指示生物对污染物的暴露，即指示生物对污染物的暴露，即污染物引发生物体的反应污染物引发生物体的反应v不能完全指示农药成分的毒性效应，但有助于研究一些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很难检测到的环境中的环境中不稳定化合物不稳定化合物。ve.g金属硫蛋白：指示重金属金属硫蛋白：指示重金属Your site hereLOGOv效应标志物效应标志物v指示污染物对生物体指示污染物对生物体健康状况健康状况的损害效应的损害效应v可以解释农药在
7、水环境中毒性效应的机理，从而能够可以解释农药在水环境中毒性效应的机理，从而能够预预测测水环境样品中农药成分对生物体的作用。水环境样品中农药成分对生物体的作用。ve.g 乙酰胆碱酯酶乙酰胆碱酯酶生物标志物分类生物标志物分类Your site hereLOGOv敏感性（易感性）标志物敏感性（易感性）标志物v指示生物个体对污染物的指示生物个体对污染物的敏感性敏感性，主要针对受试机体，主要针对受试机体对污染物的敏感性。对污染物的敏感性。v鉴别水生生物鉴别水生生物易感个体易感个体生物标志物分类生物标志物分类Your site hereLOGO酶在指示水环境中农药酶在指示水环境中农药的机理及应用的机理及应
8、用Your site hereLOGO酶作酶作为生物生物标志物的志物的研研究究v用用特定反应中关键酶特定反应中关键酶的变化来证实污染物的影响已有的变化来证实污染物的影响已有很长的历史。把它作为一种很长的历史。把它作为一种水水环境环境各类各类污染的生物标污染的生物标志物能够为毒物的环境伤害提供早期预警志物能够为毒物的环境伤害提供早期预警，已经受到已经受到国内外学者的普遍国内外学者的普遍关注关注。v利用酶系利用酶系来来指示农药等污染物对水生态系统所产生的指示农药等污染物对水生态系统所产生的生物学效应生物学效应，以及科学评价农药施用后的环境风险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
9、义具有重要的理论和实践意义。Your site hereLOGO酶在指示水环境中农药的机理及应用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Your site hereLOGO乙酰胆碱酯酶（乙酰胆碱酯酶（AChE）v乙酰胆碱酯酶参与细胞的发育和成熟，能促进神经元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，发育和神经再生，在神经肌肉系统的功能中具有重要在神经肌肉系统的功能中具有重要作用作用。v在生物标志物中在生物标志物中，AChE 活性的测定在活性的测定在评价水生动物评价水生动物对于神经毒剂化合物暴露效应对于神经毒剂化合物暴露
10、效应中具有重要意义。它是中具有重要意义。它是一个很经典的毒理学指标。一个很经典的毒理学指标。作用作用Your site hereLOGO乙酰胆碱酯酶（乙酰胆碱酯酶（AChE）v有机磷类农药是剧烈的神经毒剂有机磷类农药是剧烈的神经毒剂，被设计作为位于中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有效抑制剂。一般认为一般认为，20%以上的以上的AChE 抑制证明抑制证明毒害作用存在毒害作用存在，50%的的AChE 抑制表明对生物的生存抑制表明对生物的生存有危害。有危害。v因因此此，水生动物的水生动物的AChE 活性被作为生物
11、标志物用于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监测水环境中有机磷和氨基甲酸酯类农药。应用用Your site hereLOGO细胞色素细胞色素P450酶系酶系v细胞色素是广泛分布于动物、植物和微生物等不同生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物体内的一类代谢酶类。v对许多内源性和外源性的化学物质对许多内源性和外源性的化学物质，尤其是对尤其是对水水环境环境有害化合物质有害化合物质存在存在有氧氧化代谢作用有氧氧化代谢作用以实现机体的解以实现机体的解毒作用毒作用。v在某些情况下在某些情况下，外来物质可能被转化为具细胞毒性、外来物质可能被转化为具细
12、胞毒性、致突变性或致癌作用更强的物质致突变性或致癌作用更强的物质。作用作用Your site hereLOGO细胞色素细胞色素P450酶系酶系v目前常用的方法是测定目前常用的方法是测定乙氧异吩噁唑酮乙氧异吩噁唑酮-O-脱乙基酶脱乙基酶(7-ethoxyresorufin O-de-ethylase)活性活性。它是一个指示。它是一个指示多多种种水水环境污染物环境污染物极为敏感的指标极为敏感的指标，可以作为污染物存可以作为污染物存在潜在影响的早期预警信号。在潜在影响的早期预警信号。v研究结果表明鱼类、贝类研究结果表明鱼类、贝类的的P450对环境诱导的反应具对环境诱导的反应具有敏感性有敏感性，并且有
13、很好的并且有很好的剂量剂量-效应关系效应关系，指示的污染指示的污染水平与诱导反应有很好的相关性。水平与诱导反应有很好的相关性。应用用Your site hereLOGO谷胱甘肽谷胱甘肽S-转移酶转移酶(GSTs)v催化亲电子有毒化合物与催化亲电子有毒化合物与媚力肽媚力肽 GSH（一种（一种解除毒素解除毒素的特效物质）的特效物质）的结合反应的结合反应，通过这种方式将体内各种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。有潜在毒性的物质及亲脂性化合物降解排出。v促进促进过氧化氢物过氧化氢物的降解的降解，保护细胞免受在氧化代谢中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。
14、产生的潜在的有毒次生产物的危害。作用作用Your site hereLOGO谷胱甘肽谷胱甘肽S-转移酶转移酶(GSTs)v鱼类、贝类的鱼类、贝类的GSTs活性可以作为生物标志物指示有机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。磷和菊酯类农药的暴露效应。v在对在对GSTs基因的表达及调控进行更多了解的基础上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。可以预见理及相互作用关系。可以预见，GSTs测定有可能成为测定有可能成为非常有用的非常有用的生物监测生物监测手段手段。应用用Your
15、 site hereLOGO抗氧化酶系抗氧化酶系v外源性化学物质进入生物细胞后外源性化学物质进入生物细胞后，会导致大量会导致大量活性氧活性氧的的产生产生，活性氧是高活性的分子，与生物大分子如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。蛋白质和脂质相互作用而对生理过程产生影响。v过氧化氢酶过氧化氢酶(CAT)与超氧化物歧化酶与超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物、过氧化物酶酶(POD)共同组成了生物体内活性氧防御系统，在清除共同组成了生物体内活性氧防御系统，在清除超氧自由基、超氧自由基、H2O2和过氧化物和过氧化物以及阻止或减少以及阻止或减少羟基自由羟基自
16、由基基形成等方面发挥重要作用。形成等方面发挥重要作用。作用作用Your site hereLOGO抗氧化酶系抗氧化酶系v不同种农药可以引起活性氧在不同种农药可以引起活性氧在水生生物水生生物体内和体外的体内和体外的产生。产生。v目前目前，很多研究把很多研究把CAT、谷胱甘肽过氧化物酶、谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)和和SOD 作为评价外源化合物产生氧化胁迫的重要生物作为评价外源化合物产生氧化胁迫的重要生物标志物标志物，它们的一个重要特征是其活性或含量可由于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存在，因而
17、可作为环境污染胁迫的指标。因而可作为环境污染胁迫的指标。应用用Your site hereLOGODNA损伤在指示水环境损伤在指示水环境中农药的机理及应用中农药的机理及应用Your site hereLOGOv许多化学物经生物体代谢活化后许多化学物经生物体代谢活化后，作用于细胞内的作用于细胞内的DNA，对对DNA的结构和稳定性的结构和稳定性产生影响产生影响，导致导致DNA分分子的各种损伤子的各种损伤，所以，所以各种类型的各种类型的DNA损伤损伤可以作为暴可以作为暴露或效应生物标志物。露或效应生物标志物。DNA损伤的研究链断裂的检测DNA加合物的检测DNA损伤在指示水环境中农药的机理及应用损伤在
18、指示水环境中农药的机理及应用Your site hereLOGODNA 链断裂的检测链断裂的检测v正常环境中正常环境中，由于热能作用由于热能作用DNA会发生碱基的缺失会发生碱基的缺失，这种缺失能迅速得到修复这种缺失能迅速得到修复，但当这些正在修复的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损伤时，就会发生就会发生DNA链的断裂。链的断裂。机理机理Your site hereLOGODNA 链断裂的检测链断裂的检测v单细胞凝胶电泳技术单细胞凝胶电泳技术(SCGE)和彗星实验：和彗星实验：在碱处理并在碱处理并在碱性条
19、件下电泳在碱性条件下电泳，DNA解螺旋且碱变性为单链解螺旋且碱变性为单链，若若细胞细胞DNA受损受损，则会出现分子量较小的则会出现分子量较小的DNA片段。在片段。在电场中电场中，小小DNA片段会离开核片段会离开核DNA在凝胶分子筛中向在凝胶分子筛中向阳极移动阳极移动，形似彗星形似彗星，故称为彗星实验。故称为彗星实验。ve.g 蝌蚪实验：蝌蚪实验：在实验室条件下在实验室条件下，暴露于不同浓度的敌暴露于不同浓度的敌敌畏和丁草胺后敌畏和丁草胺后，随着施药浓度的增加随着施药浓度的增加，蝌蚪的蝌蚪的DNA损伤随之增加损伤随之增加；而且农药剂量与蝌蚪而且农药剂量与蝌蚪DNA损伤呈显著损伤呈显著的的线性关系
20、线性关系。v在农药对水生生态系统的风险评估中有较好的发展前在农药对水生生态系统的风险评估中有较好的发展前景。景。应用用Your site hereLOGODNA 加合物的检测加合物的检测vDNA加合物是化学毒物经生物转化后的亲电活性产物加合物是化学毒物经生物转化后的亲电活性产物与与DNA分子形成的共价结合物分子形成的共价结合物，是一种分子水平暴露是一种分子水平暴露标志物。标志物。机理机理Your site hereLOGOv通过对致癌物通过对致癌物-DNA加合物的生物监测加合物的生物监测，可以更为确切可以更为确切的评估的评估生物体接触生物体接触水水环境中环境中农药农药的剂量的剂量。DNA加合物
21、加合物的形成与暴露量及暴露的形成与暴露量及暴露时间之之间有明有明显的的剂量量-反反应关关系系和和时间-反反应关系关系。v检测检测DNA加合物能提供加合物能提供农药等毒物农药等毒物的代谢活化信息的代谢活化信息，研究研究DNA受损机理及个体对受损机理及个体对DNA损伤的修复能力损伤的修复能力。应用用DNA 加合物的检测加合物的检测Your site hereLOGO结语结语v现在现在，造成生态系统中各种生物衰减的原因之一是大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量的化学农药长期释放入环境中所致，特别是水生生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
22、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、准确地实现对测体系来高效、准确地实现对水环境中水环境中农药的生态效农药的生态效应进行评估。应进行评估。Your site hereLOGO结语结语v传统的化学检测方法仅能判断传统的化学检测方法仅能判断水水环境环境中各类中各类污染物的污染物的含量及其变化含量及其变化，并不能揭示对生物体的损害作用以及并不能揭示对生物体的损害作用以及提供预警信息提供预警信息，而生物标志物检测特别是在分子水平而生物标志物检测特别是在分子水平上上(DNA、RNA、离子通道和酶活性等、离子通道和酶活性等)的变化的变化，为揭为揭示和预测污染物对个体的早期影响和对群体以致整个示和预测污染物对个体的早期影响和对群体以致整个生态系统的影响提供了重要信息。生态系统的影响提供了重要信息。v虽然还存在一定局限性虽然还存在一定局限性，但是随着研究的进一步深入但是随着研究的进一步深入及现代分子生物学技术的发展及现代分子生物学技术的发展，生物标志物，生物标志物在在水环境水环境农药监测及生态风险评估中将起到重要作用。农药监测及生态风险评估中将起到重要作用。Your site hereLOGOThank you！