蚯蚓生態毒理生物分子標記及其作用

董欣欣

摘要：該文主要論述了蚯蚓生物分子標記研究，并對生物分子標記在土壤污染生態風險評價中的作用及發展前景進行展望。

關鍵詞：生物分子標記；土壤污染；蚯蚓

土壤污染作為重要的環境問題已經日益受到世界性關注。以化學方法評價土壤污染及其危害程度具有低估污染物生物有效性，無法追蹤代謝產物毒性、無法鑒定復合毒性等局限。因此，許多生物體特殊的分子、生化或行為等變化被用作標記指標污染物的毒性作用強度。

生物標記物有以下特點：1） 指示污染物生物有效性的積累毒性效應；2） 確定污染物暴露的風險對應關系，從機理上解釋生物體受危害的原因；3）不同營養級的生物為試驗物種可揭示不同途徑的污染生態毒性；4） 指示母體污染物與代謝產物暴露的毒性效應；5） 指示復合污染的毒性相互作用關系；6） 將不同層次生物（個體、種群、群落）的系列毒性響應綜合起來，通過生物標記物的短期變化，預測污染物的長期生態毒性效應。

一、蚯蚓生物分子標記研究

目前，蚯蚓生物分子標記主要有以下類型：

1、細胞結構和功能相關的生物標記

包括溶酶體膜穩定性免疫力檢測，DNA斷鏈的電泳彗星分析，精細胞的數量及形態變化[1]。上述生物標記屬于細胞或亞細胞水平生物標記物。

2、解毒酶系和解毒相關蛋白的毒性生物標記

包括一相解毒酶，如細胞色素P450酶；二相解毒酶，如谷胱甘肽S轉移酶（GSTs）；抗氧化相關的酶，如超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶和過氧化物酶等；金屬硫蛋白等[2]。目前，除金屬硫蛋白以外，上述解毒蛋白的研究主要集中在監測其酶活力，相應的基因轉錄影響報道則較少。部分解毒酶具有多種同工酶，如細胞色素P450，它有不同基因編碼，這些基因在外源污染物脅迫下的表達變化很可能不一致。研究其基因表達變化，更有助于揭示污染物的致毒機理。

3、間接參與解毒代謝過程的分子響應生物標記

間接參與解毒代謝過程的分子響應生物標記包括蛋白分子伴侶-熱休克蛋白家族（HSP90、HSP70、HSPLW），與蚯蚓生殖相關的生物標記（如多肽Annetocin）等。這一類生物標記有些雖然不直接參與解毒，但在保護細胞中起重要作用。目前，蚯蚓HSPs研究多采用蛋白質免疫雜交方法進行定量分析，但其基因序列表達的研究尚未見報道。

4、蛋白表達、代謝物整體變化標記

蚯蚓代謝物中小分子量代謝產物的變化，蛋白表達模式的變化研究涉及代謝組學（metabolomics）和蛋白質組學（proteomics），是近幾年發展起來的新學科。代謝組學是對某一生物或細胞中所有低分子量代謝產物進行定性和定量分析的學科，已廣泛應用于疾病及藥物研究。蛋白質組學是獨立于基因組學而發展起來的新興前沿學科，它可在特定時間和空間內研究完整生物體（或細胞）所表達的全體蛋白質特征，包括蛋白的表達水平，翻譯后的修飾，蛋白質與蛋白質相互作用等。

二、蚯蚓生物分子標記在土壤污染生態風險評價中的作用

蚯蚓的土壤污染生態毒理生物標記物的研究仍然處于發展階段，但可以看到污染對蚯蚓的影響是復雜的。差異表達基因通過各種途徑共同響應外界污染物的脅迫，涉及能量代謝、蛋白質合成、解毒與抗氧化、金屬離子調節與信號轉導、產卵生殖等方面。其中不乏找到敏感的生物標記物，理想的生物標記物應具有特異性和應用性。或許有些生物標記不十分理想，但若具有某種特異性，即對低濃度污染早期診斷具有潛在作用。污染脅迫下的基因表達響應是一個復雜的網絡，各種因素之間存在著許多關聯。研究各種差異表達基因之間的相互關系，弄清整體調控網絡，對全面了解污染物在生物體內引起的毒性效應及致毒機理具有重要意義。

三、蚯蚓生物分子標記在土壤污染生態風險評價中的發展前景

蚯蚓是土壤污染生態毒理學研究的模式生物，鑒于蚯蚓基因組尚未完成測序，篩選得到污染脅迫下蚯蚓的差異表達基因，將為土壤生態毒理基因組學的研究提供一些有益信息。快速經濟發展帶來環境污染問題越來越復雜，采用分子生物學的手段探索環境污染的生態效應，符合人類健康與社會經濟發展長遠持續發展的必然需要。蚯蚓生物標記研究可為突然生態環境風險評價提供有效的實用方法。新的發現將是對土壤污染生態學的發展做出新的貢獻。

參考文獻

[1] GIGGLEMAN M A， FITZPATRICK L C， GOVEN A J， et al. Effects of pentachlorophenol on survival of earthworms （Lumbricus terrestris） and phagocytosis by their immunoactive coelomocytes[J]. Environmental Toxicology and Chemistry， 1998， 17：2391–2394.

[2] BOOTH L H， OHALLORAN K. A comparison of biomarker responses in the earthworm Aporrectodea caliginosa to the organophosphorus insecticides diazinon and chlorpyrifos[J]. Environmental Toxicology and Chemistry， 2001， 20： 2494–2502.