水环境中有机磷农药生物标志物的研究进展

农业生物技术学报JournalofAgriculturalBiotechnology2008,16(2):183~189 *基金项目：国家高技术研究与发展计划（863）项目(No.2001AA635130)资助。**通讯作者。Authorforcorrespondence.博士，教授，硕士生导师，主要从事生物监测和生物净化的研究。Tel:0532­66782875;E­mail:[e-mail].收稿日期：2007­7­15接受日期：2007­9­26·专家论坛·水环境中有机磷农药生物标志物的研究进展* 孟范平 **，亢小丹（中国海洋大学环境科学与工程学院，青岛266100）摘要：有机磷农药（OPs）的大量施用导致水环境的污染，影响到非靶生物特别是鱼类的生存。需要对OPs进行快速、灵敏和准确的监测，以便及时采取必要的措施。近20年来，国内外学者在利用生物标志物监测水体OPs方面进行了大量研究。本文对这些生物标志物的分布、结构、特点及其对OPs的响应特征进行了综述，并提出了生物标志物监测水体OPs存在的问题及进一步研究的方向。关键词：水环境；有机磷农药；生物标志物中图分类号: S188 文献标识码:A 文章编号:1006­1304(2008)02­0183­07 AdvanceontheStudyofBiomarkerfortheDetectionof OrganophosphorusPesticidesinWaters MENGFan­ping**,KANGXiao­dan Organophosphoruspesticides(OPs)usedinagriculturalintensivelyhasledtothecontaminationinaquaticenvironments andaffectedthenon­targetaquaticorganisms,particularlyfish.Therefore,inspectingOPsrapidly,sensitivelyandaccuratelyareim­ portantfortakingimmediatenecessaryactiontocontrolit.Inrecent20years,manyresearchershavestudiedthebiomarkersrelatedto detectionofOPsinwater.Inthispaper,thedistribution,structureofthesebiomarkersandtheirresponsefeaturestoOPsarereviewed, theremainedproblemsinmonitoringOPsbybiomarkersandthefutureresearchdirectionarealsoproposed. aquaticenvironment;organophosphoruspesticides(OPs);biomarkers有机磷农药（organophosphrouspesticides,OPs）绝大多数属于磷酸酯类、硫代磷酸酯类以及二硫代磷酸酯类，少数属于膦酸酯、磷酸酪胺和硫代磷酰胺酯类（汤亚飞等，2004）。上世纪80年代以来，OPs由于具有药效高、应用范围广、品种多、降解快、残毒低等特点，而逐步取代曾经大量使用的有机氯农药，成为世界范围内使用最为广泛的一类杀虫剂。目前，全世界约有140多种有机磷化合物作为农药，其中绝大多数为杀虫剂，我国约有30多种已生产用于害虫防治（张一宾和孙晶，1999）。OPs在农业生产中的广泛使用，使得进入环境的OPs数量不断增加。据调查，农田中喷洒的OPs只有10%~20%附着在作物表面，大部分残留在土壤或漂浮在空气中，通过降雨、沉降和径流进入河流湖泊，并最终汇入海洋，造成地表水的OPs污染（赵润德等，2003）。在美国，农田喷洒OPs后，附近一些开放水体（unprotectedwa­ terbodies）中，监测到马拉硫磷浓度在小于0.1～460滋 g/L之间，平均13.3滋 g/L（USDA,1997）。在靠近地中海沿岸的表层海水中，已经监测到乐果的浓度大约为39.9滋 g/L。我国某水源地监测到久效磷和敌百虫的浓度分别为0.165和0.137滋 g/L（康跃惠等，2000）。虽然OPs的半衰期较短，但是也会危害非靶生物，大多数水生生物对OPs十分敏感（唐学玺，1995），某些种类的OPs降解过程中还能产生毒性更大的产物（Guilhermino ,1996）。因此，OPs的大量使用必然会给水环境带来较高的污染危险，危及到许多非靶生物的生存，对水生生态产生多方面产生不利影响。农业生物技术学报2008年动物种类Animalcategory欧洲龙虾贻贝太平洋牡蛎菲律宾蛤仔绿钩虾玻璃虾欧洲鳗鲡南美兰对虾南美白对虾真鲷美国红鱼岸蟹水蚤组织Tissue肌肉Muscle鳃Gill肌肉Muscle个体Individual胚体Embryo脑Brain淋巴Lymph个体Iindividual农药种类Pesticidecategory敌敌畏Dichlorvos毒死蜱Chlorpyrifos马拉硫磷Malathion杀螟硫磷Fenitrothion久效磷Monocrotoh­os乐果Dimethoate对硫磷Parathion农药浓度/滋 g·L ­1 Pesticide concentration 373.6 100 100 5 0.36 29.93 0.02 8 307000 250 2000 20暴露时间/h Exposure time 6 246 962496244896168 24抑制率/% Inhibition rate 508340565044163080422419来源Source Mchenery .(1996) Mchenery (1997) Bris .(1995) Murison .(1997) Karen (2001) Sancho (1997b) Lifnot (1998)贾翠红等(1999)唐学玺(1995) Lundebye (1997) Fossi .(2001)为了控制OPs对水生生态的危害，必须对水体OPs进行快速、灵敏和准确的监测。生物标志物（biomarker）是生物体暴露于亚致死剂量的有毒化合物时，在分子、细胞、个体等水平上发生异常化的信号指标（Goksoyr,1996）。这种变化往往先于个体水平上的严重伤害，适于确定生物体所处的污染状态及潜在危害，为严重毒性伤害提供早期警报。近20年来，国内外专家学者在利用生物标志物监测OPs污染方面进行了较多研究，且多为效应标志物（biomarkerofeffect），即采用生物体的内源成分指示水体中OPs的存在。本文将就水环境OPs的生物标志物研究现状进行综述，并针对现存的不足提出应进一步研究的方向。1乙酰胆碱酯酶1.1分布、结构与功能乙酰胆碱酯酶（AChE，EC3.1.1.7）是生物神经传导中的一种关键性的酶，主要分布于脑、神经细胞和肌肉等组织中（张明等，2006；林建原等，2004），以脑组织中的含量最为丰富。AChE的活性中心由3个主要区域组成：（1）酯解部位：含丝氨酸和组氨酸，能与乙酰胆碱的羰基C原子结合；（2）阴离子部位：至少含一个羰基，可能来自谷氨酸，能以静电吸引乙酰胆碱的季铵阳离子基团；（3）疏水性区域：能与酯解和季铵基团结合部位连接，由色氨酸或酪氨酸等芳香族氨基酸组成，在与芳香基底物的结合中起重要作用（何东海等，2003）。另外，立体结构分析显示，AChE最突出的结构特点是有一深而窄的峡谷，它的活性基团即位于此（Susstrian .,1991）。AChE主要位于突触后膜，邻近胆碱受体，能降解乙酰胆碱，终止神经递质对后膜的刺激作用，保证神经冲动在突触间正常传导（张明等，2006）。1.2与OPs的作用机理 OPs分子中具有亲电子的P原子和带正电荷部分，当OPs作用于神经突触中的AChE时，其正电荷部分与AChE的负矩部分(氨基酸残基的侧链羟基）相结合，亲电子的P原子则与酶活性中心丝氨酸残基上的羧基相结合，使丝氨酸发生磷酸化，生成不可逆的磷酰化酶，阻碍AChE对底物乙酰胆碱的催化水解作用，造成神经递质乙酰胆碱在突触中的积累，随之产生突触后膜去极化，使神经传导不能进行，最终导致神经传导功能的紊乱（ForgetandBoc­ quene,1999;Milesoki .,1998）。1.3对OPs的响应性能很多水生生物的AChE对OPs能够产生响应，表现为酶的活性受到抑制（表1），一定范围内的OPs浓度与AChE活性抑制程度之间具有良好的线性关系（Danet ,2000）。这是AChE可作为环境中有机磷农药生物标志物的主要原因。不同动物的AChE活性中心区的阴离子部位与酯解部位的间距不一致，导致酶的阴离子部位对有机磷化合物的附着能力不同，因而其对OPs的敏感性存在差异（徐家驹，1989）。例如，在相同条件下（表1），欧洲龙虾（）的AChE对敌敌畏的敏感性大于菲律宾蛤仔）。表1某些种类的OPs对海洋动物AChE的抑制率 Table1PercentinhibitionofAChEactivityfrommarineanimalsbyOPs 184第2期孟范平等:水环境中有机磷农药生物标志物的研究进展表2二嗪哝对鲤鱼不同器官抗氧化酶和乙酰胆碱酯酶的影响 Table2OxidativestressandAChEinhibitionindifferenttissuesof ↑表示活性升高；↓表示活性抑制。↑ ,enzymeactivityincreases; ↓ ,activityisinhibited.酶种类Enzymecategory乙酰胆碱酯酶AChE超氧化物歧化酶SOD谷胱甘肽过氧化酶GPx组织Tissue鳃Gill肌肉Muscle鳃Gill肌肉Muscle肾Kidney鳃Gill肌肉Muscle肾Kidney农药浓度/滋 g·L ­1 Pesticideconcentration 0.0036 0.0360 0.0036~0.036 0.0036 0.0180 0.0360 0.0180 0.0360 0.0036 0.0180 0.0360 0.0180 0.0360 0.0036 0.0360 0.0180暴露时间/d Exposuretime 305 5 5 5 3015酶活变化/% Changeofenzymeactivity 32.50↓ 40.00↓ 32.27~55.51↓ 102.17↑ 148.37↑ 135.87↑ 27.62↑ 48.62↑ 46.19↑ 96.09↑ 102.28↑ 33.55↑ 52.96↑ 20.59↑ 27.94↑ 17.70↓来源Source OrucandUsta(2007) OPs与AChE的反应时间也会影响酶活抑制率。在一定范围内，随作用时间延长，酶活抑制率显著上升。例如，相同条件下，电鳗鱼（）的AChE与对氧磷作用10和30min后，酶活抑制率分别为25%和70%（Danet ,2000）。一般认为，OPs与AChE作用40min后，抑制程度即可达到稳定（RodriguezandGold,2000）。2抗氧化防御系统2.1组成与功能抗氧化防御系统是需氧生物在长期进化过程中发展起来的防御过氧化损害的系统（antioxidantde­ fense），其组成包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧化酶（GPx）、谷胱甘肽硫­转移酶（GSTs）等抗氧化酶和谷胱甘肽（GSH）、维生素C等抗氧化剂（孔繁翔，2000）。当生物体内活性氧自由基生成量增加时，抗氧化酶的活性和部分抗氧化剂的合成随即增加（DiGiulio ,1989; WinstonandDiGiulio,1991）。正常生理条件下，动物体内代谢产生的活性氧可被抗氧化防御系统有效清除（Stegeman .,