代谢组学技术在环境毒理学研究中的应用

代谢组学作为系统生物学的一部分,通过考察机体受刺激后体液或组织中内源性代谢物的动态变化规律,并结合生物信息统计方法,可系统全面地揭示内因和外因作用于机体的毒性效应和机制。代谢组学技术具有快速、灵敏度高、选择性强的特点,逐渐在低剂量环境污染物长期暴露的毒性效应评估方面发挥出优势。本文综述了代谢组学技术的主要研究手段,在毒理学研究中的发展历程和优点,以及在环境毒理学研究中的应用及前景展望。重点讨论了代谢组学技术在重金属和持久性有机污染物(POPs)毒性评估以及环境胁迫耐受性评价中的应用。     

采用代谢流量分析方法评估二噁英对细胞的代谢干扰

以肝癌细胞HepG2为供试细胞,选用5个不同浓度的二噁英（0、0.001、0.01、0.1和1.0 nmol.L-1）,探讨2,3,7,8-TCDD对HepG2细胞的毒性效应.采用90%甲醇离心法实现蛋白与代谢产物的分离,建立了高效液相色谱-串联三重四极杆质谱（HPLC-MS/MS）分析胞外液中的23种代谢产物（20种氨基酸、乳酸、甘油和尿素）的方法.建立的HPLC-MS/MS分析方法对各化合物的加标回收率可达91%—105%之间,化合物浓度的标准偏差均小于10%.在此基础上,结合代谢流量分析系统研究了2,3,7,8-TCDD对HepG2细胞内代谢流的影响.结果表明,随着浓度的增高,2,3,7,8-TCDD对HepG2细胞代谢的干扰作用呈增强趋势.2,3,7,8-TCDD降低了细胞对葡萄糖的吸收,并进一步抑制了HepG2细胞糖酵解的速率.此外,2,3,7,8-TCDD导致了HepG2细胞乳酸代谢流的明显增加,由此使细胞产生了过量的乳酸.     

水泥窑除尘器捕集灰中PCDD/Fs、PCBs和PCNs的分布特征

应用同位素稀释、高分辨气相色谱-质谱联用技术测定了国内3种类型水泥窑(机械立窑、湿法旋窑和新型干法旋窑)以及生活垃圾焚烧炉和医疗垃圾焚烧炉的除尘器捕集灰中PCDD/Fs、PCBs和PCNs的浓度和毒性当量,比较了同族体和同类物的分布特征.结果表明,水泥窑除尘器捕集灰中二英及其类似物PCDD/Fs、PCBs和PCNs的总毒性当量(以TEQ计)分别在4.0～62、 0.069～3.9和0.47～2.8 ng·kg^-1之间,远小于垃圾焚烧炉除尘器捕集灰.占优势的PCDD/Fs同族体都是TCDFs,相对较多的2, 3, 7, 8位氯取代二英同类物有OCDD、 2,3,7,8-TCDF、 1,2,3,4,6,7,8-HpCDF;水泥窑除尘器捕集灰中PCBs同族体的分布特征与垃圾炉相似,占优势的同族体都是四氯联苯,含量较高的共平面PCBs同类物有PCB77、PCB105、PCB118;不同窑型水泥窑除尘器捕集灰中PCNs同族体分布特征相似,占优势的同族体都是四氯萘,没有检测到八氯萘的存在,含量较高的二英类毒性PCNs同类物是毒性最大的PCN 66/67.     

2,3,7,8-TCDD的短期暴露对HepG2肝癌细胞内小分子代谢产物的影响

为了研究二恶英对细胞的代谢毒性,探究其肝毒性的作用机制,以二恶英中毒性最强的2,3,7,8-四氯代二苯并-对-二恶英(TCDD)为代表污染物,以HepG2肝癌细胞为受试对象,采用四甲基偶氮唑蓝(MTT)法和高效液相色谱/串联质谱法考察了TC-DD的24h暴露对HepG2细胞的增殖活性以及细胞的葡萄糖、氨基酸、尿素和甘油等小分子代谢物的影响。结果显示,短暂的TCDD暴露对HepG2细胞的增殖活性无显著影响。24h的TCDD暴露对细胞的葡萄糖消耗量无显著影响,但当TCDD浓度增至1nmol·L-1时,葡萄糖的消耗量表现出一定的降低趋势。0.01nmol·L-1TCDD就会使细胞脯氨酸和谷氨酸的合成能力下降,且谷氨酸的变化表现出明显的剂量-效应关系;TCDD可刺激细胞对缬氨酸、苏氨酸、酪氨酸、甲硫氨酸以及亮氨酸与异亮氨酸的吸收,并具有明显的浓度依赖性。随着TCDD浓度的增加,甘油和尿素产生量的降低趋势逐渐明显,1nmol·L-1TCDD处理24h后,甘油和尿素的产生量仅为对照组的1%和18%。研究表明,TCDD在短时间内使HepG2细胞内的一系列小分子代谢产物发生了不同程度的改变,且呈现出一定的剂量-效应关系。可见,TCDD可通过干扰HepG2肝癌细胞的代谢过程产生毒性。     

土壤柱气相色谱法研究土壤中有机污染物的热脱附行为

采用土壤柱气相色谱法研究了四种有机污染物在土壤上的热脱附动力学特征,以及容量因子(k')同有机污染物的主要理化参数的数学关联.结果表明,有机污染物在土壤上的慢脱附过程符合双常数方程;并且随温度的升高,lg k'和拖尾因子(Tf)均呈直线降低.lg k'与lg Kow,lg Koa和lg Koc以及沸点(TB)均呈极显著的直线相关,其中,lg k'与lg Koa和TB的相关系数值很高,分别为0.978和0.966,说明二者可以很精确的预测有机污染物在土壤中的热脱附速率.     

我国东部沿海地区蔬菜中重金属累积分布特征及居民膳食暴露评估

采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)分析了我国东部北方和南方沿海地区市售叶类、根茎类、瓜果类、豆类及食用菌5类蔬菜样品中6种有害金属元素(Cr、Ni、As、Cd、Hg和Pb)及5种人体必需金属元素(Mn、Fe、Cu、Zn和Se)的累积水平,并研究了其在不同蔬菜样品中的分布特征.结果表明,所有蔬菜样品中的6种有害金属水平均远低于国家食品安全标准规定的最高限量,居民食用这些蔬菜不存在明显的非致癌风险,但因食用蔬菜导致的无机砷暴露有10^-5水平的潜在致癌风险.蔬菜对有害金属和必需金属的累积呈现出明显的同步趋势(P <0.01).相比其他蔬菜,食用菌表现出对有害金属及必需金属更高的累积水平,提醒人们需加强对食用菌中重金属污染的监测工作.     

SCR装置对焦炉煤气燃烧废气中PCDD/Fs、PCBs和PCNs的协同脱除

研究了某大型焦化厂的选择性催化还原(SCR)装置对焦炉煤气燃烧废气中典型非故意产生持久性有机污染物(UPPOPs)的脱除效果,对SCR装置入口和出口废气和SCR装置降尘中二英(PCDD/Fs)、多氯联苯(PCBs)和多氯萘(PCNs)的全部异构体进行了分析.结果表明,SCR装置对总PCDD/Fs的脱除效率最高,为94.6%,对总PCBs和总PCNs的脱除率分别为74.7%和78.4%.SCR装置入口和出口废气中UP-POPs同系物的分布模式明显不同,入口处以高氯取代为主,出口处以低氯取代为主.SCR装置对高氯取代UP-POPs有更好的脱除效果.催化还原和催化氧化降解同时发生是SCR装置脱除废气中UP-POPs的重要机制.     

氧化铜催化五氯苯生成二英的研究

研究在加热条件下,五氯苯在CuO表面催化生成二英（PCDD/Fs）的过程.结果表明,在200～350℃,PCDD/Fs的生成量随温度的升高而增加;在350～450℃,PCDD/Fs的生成量随温度的升高而减少.温度较低时（200～250℃）,生成的PCDD/Fs以高氯取代同系物为主;温度较高时（400～450℃）,则以低氯取代的同系物为主.但温度的改变并没有引起同一氯取代度PCDD/Fs中的异构体分布模式发生规律性变化.通过比较400℃条件下CuO催化五氯苯生成PCDD/Fs与CuO催化OCDD/F的脱氯降解情况,推测了五氯苯生成PCDD/Fs的途径.低氯取代的PCDDs可能主要来源于五氯苯生成的高氯取代PCDDs的进一步脱氯降解.而PCDFs则主要由五氯苯脱氯降解生成的低氯取代产物直接缩合生成.     

北戴河近岸沉积物中微生物16S rDNA的PCR-RFLP分析

采用间接法提取了北戴河地区近岸沉积物中微生物的总DNA,以细菌的通用引物27F和1492R扩增16S rDNA片段,将扩增产物克隆到T-载体上,并转化大肠杆菌感受态细胞,构建沉积物中细菌16S rDNA克隆文库.PCR扩增基因文库中插入的16S rDNA外源片段,用两种限制性内切酶Hha Ⅰ和Rsa Ⅰ分别酶切,获得该海洋沉积物131个克隆的酶切指纹图谱.结果表明:HhaⅠ和Rsa Ⅰ联合酶切产生了41个基因分型,文库的覆盖度达74.81%,Hha Ⅰ和Rsa Ⅰ单酶切产生的基因分型分别为30和22,但文库的覆盖度高:克隆文库中存在一种优势类群,占总克隆的23%.16S rDNA测序结果表明:北戴河近岸沉积物中的细菌在分类方面主要属于α-和γ-变形杆菌亚门.     

近岸海洋环境中人类致病性病毒的研究进展

海洋环境中存在着多种人类致病性病毒.本文综述了海洋环境中人类致病性病毒给公众健康、休闲娱乐带来的风险,病毒的发生及其在海水中的命运以及检测手段的进展,并对未来的发展方向进行了展望.