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        熒光素酶表達基因法(CALUX)用于二噁英檢測的研究進展

        2014-03-22 08:31:44張諾孫韶華王明泉肖芙蓉許燕賈瑞寶
        生態(tài)毒理學報 2014年3期
        關鍵詞:母乳熒光素酶污染物

        張諾,孫韶華,王明泉,肖芙蓉,許燕,賈瑞寶,*

        1. 濟南市供排水監(jiān)測中心,濟南 250021 2. 山東省圖書館,濟南 250100

        多氯代二苯并對二噁英(polychlorinated dibenzo-p-dioxins, PCDDs),多氯代二苯并呋喃(polychlorinated dibenzofurans, PCDFs),以及部分具有類二噁英性質的多氯聯(lián)苯(dioxin-like polycholorinated diphenyls, DL-PCBs)是一類統(tǒng)稱為二噁英的持久性有機污染物。全球歷史上發(fā)生過幾次重大的二噁英污染事件,比如1960年的日本米糠油事件,1998年的巴西黃油事件,1999年的比利時飼料、肉雞事件,2011年的德國毒飼料事件等,這些事件造成了嚴重的人員傷亡及經濟損失,并且影響了社會穩(wěn)定[1-2]?,F(xiàn)有研究表明,二噁英在目前已知化合物中毒性最大,廣泛分布于各種介質中,主要來自于化工生產過程的副產物、有機物焚燒過程及汽車尾氣排放等,2004年各類源二噁英類排放總量為10.2 kg TEQ,其中向空氣中排放5.0 kg TEQ,向水體排放0.041 kg TEQ,通過產品排放0.17 kg TEQ,通過殘渣、飛灰等向環(huán)境排放5.0 kg TEQ。二噁英具有難分解性和高生物蓄積性,對生物具有致癌、致畸、致突變等“三致”效應,影響生殖功能[3],并干擾內分泌系統(tǒng),被稱為“世紀之毒”,目前已被國際公約列入首批控制的12種/類持久性有機污染物的名單中,WHO國際癌癥研究中心把它歸為一級致癌物質[4]。因此,對二噁英的檢測與控制至關重要,已成為當前的環(huán)境焦點之一。

        環(huán)境中二噁英分析屬超痕量、多組分分析,對分析技術的特異性、選擇性和靈敏度的要求極高[5]。目前,二噁英的測定方法主要有美國環(huán)境保護局EPAl613和l668為代表的HRGC-HRMS[6]、基于抗原-抗體的ELISA法[7]以及基于總毒性當量(TEQ)的生物檢測法[5]等。生物檢測法所需時間短,操作簡單,檢測費用較低,同時能檢測更多的樣本。其中,熒光素酶表達基因法(CALUX)作為一種高效快速、簡易價廉的生物分析方法,是唯一得到美國EPA推薦使用的二噁英生物學檢測方法,并已被歐盟、美國、日本等國廣泛用于二噁英的篩選檢測中。

        1 熒光素酶表達基因法原理及技術優(yōu)勢

        CALUX方法首先利用基因工程技術,把哺乳動物細胞的細胞色素P450基因(CYPIAI)和螢火蟲的熒光酶合成基因,重組到大鼠肝癌細胞系(H4IIE)染色體上。脂溶性二噁英類污染物,透過細胞膜與細胞內多環(huán)芳烴受體可逆性結合,形成配體-AhR復合物,使AhR的構象發(fā)生改變,進入細胞核內。在細胞核內配體-AhR復合體和核內轉運蛋白(ARNT)結合,形成配體-AhR-ARNT復合物,特異性的與染色體上二噁英應答區(qū)域結合,并激活細胞色素P450基因和熒光合成酶基因合成熒光素。該測試系統(tǒng)合成的熒光素量及熒光強度與測定系統(tǒng)中加入的二噁英量成正相關[8-10]。

        與其它二噁英的分析檢測方法相比,CALUX法具有一系列優(yōu)勢,如表1所示。CALUX生物檢測法使用高感度的細胞,加上前處理簡單,擁有萃取、精制、分離等優(yōu)良技術,因此成為環(huán)境、食品等領域二噁英的快速檢測方法。此外,分析程序大幅度的縮短使成本大幅降低。但此類方法只能得到總的TEQ,不能了解樣品中二噁英的具體組成。

        2 熒光素酶表達基因法與同類方法用于二噁英檢測的相關性

        已有研究表明,CALUX法在牛乳樣品二噁英檢測實驗中與標準方法(HRGC-HRMS)相比結果較一致,檢測限高于活力誘導(EROD)法,線性范圍更寬,檢測限可達2.4 pm·L-1 [9,11,12]。

        為了證明CALUX方法的準確性和實用性,有研究者分別采用國際上公認的HRGC-MS方法和CALUX法測定了同一批樣品中的二噁英含量,并比較了兩種分析方法測定結果之間的相關性。其結果表明,垃圾焚燒煙塵或土壤樣品(r= 0.978)、地面水(r= 0.972)、工業(yè)廢氣(r= 0.960)、人類脂肪(r= 0.876)、母乳(r= 0.958)、卵泡液(r= 0.830)經兩種方法測定,結果之間具有很好的正相關關系(p< 0.05),其測定值具有很好的重現(xiàn)性[13-15]。此外,李瑩等[16]采用CALUX方法和HRGC-MS法測定同一樣品二噁英含量的結果之間具有很好的正相關,且具有很好的重現(xiàn)性,與HRGC-MS方法相比,CALUX法具有所需樣品量較小,測定周期短,測定成本低等優(yōu)點。金一和等[17]也分別采用HRGC-MS法和CALUX方法測定同一來源的人體脂肪、血液和母乳中二噁英毒性當量,觀察兩種不同方法測定結果間的相關性。兩種方法測定脂肪組織和母乳中二噁英毒性當量結果之間的相關系數(shù)分別為0.8675和0.9581,具有顯著的正相關關系(p< 0.05)。二噁英毒性當量>20 pg·g-1的血液樣品,兩種方法測定結果之間也具有密切的相關關系(p<0.05或<0.01)。因此,CALUX法簡化了實驗操作,降低了成本,并且由于可利用基因工程技術改進報告質粒進一步提高靈敏度,適用于一般人群的脂肪組織、乳汁樣品、二噁英暴露人群的血液以及環(huán)境水樣中二噁英的快速篩查[11,18]。周志廣等[19]應用CALUX法測定了廢氣中二噁英的濃度,并與HRGC-MS方法的測定值進行了比較,得出了二者的換算系數(shù),換算以后的CALUX值與HRGC-MS方法值具有良好的相關性,相關系數(shù)為0.9948。

        表1 熒光素酶表達基因法與其它方法的比較Table 1 The comparison results of CALUX with other methods

        許多學者還對CALUX法和AhR-DNA結合的凝膠阻滯電泳生物檢測法(GRAB法)進行了分析比較[20-22]。研究表明,CALUX法和GRAB法為我們提供了較便宜、較為迅速的二噁英檢測方法。對于二噁英,CALUX系統(tǒng)快速(~4 h)、靈敏,并且由于可在96孔板中進行,從而加大檢測通量。同時,CALUX誘導和二噁英濃度具有良好相關性[23]。

        總之,CALUX法與其它檢測方法具有一定的相關性,卻又有無可比擬的優(yōu)越性。與EROD法相比,CALUX法靈敏度較高、線性范圍較寬、檢測時間較短,為外源性基因不受轉錄后調控影響,可采用基因工程手段進一步改進質粒,進一步提高靈敏度;與HRGC-HRMS法相比,CALUX法在樣品前處理時對分析所用的試劑純度級別和實驗室環(huán)境質量條件要求相對較低,前處理操作簡便,樣品需求量少(約1/10),測定周期短(可縮短4/5),檢測成本低(可降低3/4)[24],可平行測定大量樣品;與GRAB法相比,CALUX法得到的假陽性結果少得多,靈敏度更高,特異性更強,在初步監(jiān)測成分不明的化合物以及其他樣本的AhR配體活性時,CALUX法無疑是更好的選擇[25]。

        3 熒光素酶表達基因法在二噁英檢測中的應用

        用于二噁英檢測的CALUX生物檢測方法,目前可用于檢測土壤、水、煙氣、污泥、飼料、添加劑以及生物組織中的二噁英、呋喃和多氯聯(lián)苯,該方法已得到美國(FDA和EPA)、歐盟、智利、日本等國的廣泛采用,是大量篩查二噁英的新型快速檢測技術,并成為部分國家的檢測標準。國內已有研究者利用CALUX技術對部分水環(huán)境、沉積物、食品中所含的二噁英進行檢測,但缺乏CALUX技術在中國不同水環(huán)境、食品、大氣、土壤、消費品、生物樣品中的大量應用,缺乏其中所含二噁英的系統(tǒng)調研,缺乏實質性安全評估工作的開展。并且,當前國內二噁英檢測技術與發(fā)達國家相比尚存在較大差距,CALUX技術的建立及應用可以對現(xiàn)有化學檢測方法進行補充,同時,通過系統(tǒng)調研篩查及風險評價建立二噁英的相應檢測標準與規(guī)范,將在一定程度上促進二噁英檢測方法及相應質量評價標準體系的建立和完善。

        3.1 熒光素酶表達基因法用于水環(huán)境中二噁英檢測

        Wang等[26]采用CALUX技術,對海河沉積物中的多氯二苯并二噁英和呋喃(PCDD/Fs),多氯聯(lián)苯(DL)和二噁英類多氯聯(lián)苯物質(PCBs)進行了檢測,結果發(fā)現(xiàn)海河沉積物中的PCDD/Fs比DL和PCBs高數(shù)百倍。高水平的二噁英在站點附近流入渤海灣發(fā)現(xiàn)的。二噁英污染可能與鄰近地區(qū)五氯苯酚(PCP)工業(yè)相關的活動有關。王泰等[27]采用CALUX方法對海河天津流域底泥中的二噁英污染水平進行了調研,分析了海河底泥中二噁英的分布規(guī)律和污染特征,并且使用HRGC/MS方法進行了驗證。CALUX TEQ結果表明海河入??谔幍奈廴咀顬閲乐?,且CALUX得到的TEQ值與HRGC/MS得到的TEQ值之間有很好的相關性。Murk[28]利用CALUX法檢測了底泥、水體樣品中的二噁英含量,獲得了良好效果。CALUX作為一種簡易價廉的生物分析方法,可以高效快速的應用于環(huán)境中沉積物樣品的二噁英分析。TakigamiH等[29]利用CALUX技術對大阪灣沉積物樣品中的二噁英類物質進行了分析檢測,研究結果表明其中二噁英的含量在3.7~140pg·g-1。張婷婷等[30]采用CALUX法分析北京市污水廠污泥中的二噁英,結果表明CALUX法可以有效檢出污泥中的二噁英含量,北京市區(qū)現(xiàn)運行的九大城市污水處理廠中二噁英的含量較低,未對環(huán)境造成較大危害。Kima等[31]研究了日本地表水和地下水中二噁英的類型及去除效果,在原水和凈化水中二噁英的平均濃度分別為56.45 pg·L-1和4.24 pg·L-1。地下水和凈化后的地下水二噁英含量水平均低于地表水。經過水處理后,二噁英的去除率為87%左右。

        3.2 熒光素酶表達基因法用于食品中二噁英檢測

        目前,CALUX法已被廣泛的用于牛奶、肉類、蛋類、魚和魚油、海產品等食品和動物飼料中二噁英類物質的檢測[32-33]。Hasegawa等[34]研究了魚油中PCDFs、DL-PCBs的含量,并同HRGC-HRMS法分析結果進行比較,這些分析驗證得出的結論是 CALUX法和HRGC-HRMS法測出的TEQ值具有很好的相關性和一致性,有時 CALUX法還能得到更高的 TEQ值。Chou等[35]利用CALUX法對牛奶中PCDFs含量進行測定,并且與HRGC-HRMS進行了比較,相關系數(shù)為0.953。Shyu等[36]利用CALUX法研究了臺灣雞蛋和魚油樣品中二噁英的含量,含量水平在2.0 ± 0.7 pg·g-1、0.9 ± 0.6 ng·kg-1范圍內,均低于歐盟標準。

        3.3 熒光素酶表達基因法用于生物樣品(母乳、血液)中二噁英檢測

        Croes等[37]利用CALUX法分析了來自弗蘭德斯地區(qū)的84個母乳樣品,結果表明,樣品中PCDFs的含量為10.4 pg·g-1,DL-PCBs 的含量為1.73 pg·L-1。牛穎等[38]利用CALUX法對大連地區(qū)初產婦乳汁中二噁英含量進行了調研。調研結果表明,大連地區(qū)母乳中PCDDs/PCDFs和二噁英總毒性當量的中位數(shù)(P50)分別為14.7061和15.8473 pg·g-1。金一和等[17]用CALUX法調查了我國沈陽(32例)和大連(47例)地區(qū)母乳中二噁英污染水平,結果發(fā)現(xiàn),大連地區(qū)母乳中二噁英污染物總毒性當量中位數(shù)為15.95 pg·g-1,而沈陽地區(qū)母乳中二噁英污染物總毒性當量中位數(shù)僅為7.21 pg·g-1。47例大連地區(qū)母乳樣品中,17例檢出多氯聯(lián)苯(PCB)。我國大連地區(qū)母乳中二噁英濃度雖然低于日本、美國、加拿大和德國,但高于俄羅斯、南非和以色列等國的平均值[39]。Hui等[40]利用CALUX法測定了香港人口母乳中二噁英含量水平,檢測的毒性為13 pg·g-1。Wouwea等[41]利用CALUX法和GC-HRMS法對人血液樣品中的二噁英類物質進行了測定,研究表明,CALUX法在人血液樣品中二噁英篩查方面具有良好的應用前景。

        3.4 熒光素酶表達基因法用于土壤(固體廢棄物)中二噁英檢測

        已有文獻表明,CALUX作為一種快速廉價的生物分析方法,可以用于評價受PCBs、氯丹等氯代有機物污染土壤的光致二噁英類活性變化情況。由于其能分開檢測PCDD/Fs和DL-PCBs,因此能夠為揭示二噁英類物質之間的相互轉化提供線索,減少進一步用HRGC/HRMS分析的工作量[42-43]。李雪等[44]利用CALUX法對海河流域底泥和土壤中二惡英類含量進行了測定研究,實驗結果表明,海河流域土壤中二噁英的含量(0.55~9.66 pg·g-1)低于底泥中的存在情況(0~322.22 pg·g-1),DL-PCBs(0~6.13 pg·g-1)的含量低于PCDD/Fs的含量,二噁英含量最高可達324.15 pg·g-1。并且,不同環(huán)境介質嚴格正確的前處理過程能夠有效的減少干擾因素對生物分析過程的負面影響,進而提高實驗數(shù)據(jù)的準確性。

        4 熒光素酶表達基因法用于二噁英檢測的研究方向

        隨著二噁英檢測需求的不斷提高,CALUX法用于二噁英的檢測仍需進行深入研究,主要包括樣品前處理改進、方法推廣應用及標準規(guī)范的制定等方面。

        利用CALUX法進行二噁英類物質的檢測,當前多采用液液萃取法處理樣品,但是存在著處理時間長、有機試劑消耗多,易造成二次污染的劣勢,可結合更簡單、便捷的固相萃取技術從而實現(xiàn)液液萃取前處理的替代。

        當前,CALUX法在國內的應用并不普遍,中科院環(huán)境所等少數(shù)單位采用HRGC/HRMS法進行二噁英的分析檢測工作,所檢測的二噁英物質的種類、數(shù)量和范圍有限。因此,中國尚缺乏有關環(huán)境和食品中二噁英污染狀況調查資料,且無法估算不同途徑對二噁英總攝入量的貢獻率。未來非常有必要加快CALUX法的推廣步伐,利用該法進行廣泛的二英污染狀況調查,并開展相應的健康危害評價。

        此外,與發(fā)達國家相比,我國尚未制定二噁英的國家檢測標準。因此,亟需建立一套符合中國國情的低成本、快速簡便的二噁英檢測體系,以解決二噁英檢測能力嚴重不足的問題,從而對我國二噁英的研究和污染防治工作起到積極作用。

        綜上所述,二噁英的物理性質決定了僅用一種方法不能達到準確檢測的目的。CALUX技術作為一種新興的生物檢測技術,已被認為是用于快速篩選和檢測食品、大氣、各種生物樣品、環(huán)境樣品中二噁英類物質的最好方法,也是唯一可以大規(guī)模常規(guī)快速篩選二噁英類物質的方法,具有廣闊的發(fā)展前景和較大優(yōu)勢。該法雖然不能檢測二噁英的各組分含量,但它簡便、快速、低廉、特異性高,并且能更準確的反映二噁英對機體的影響。由于二噁英對細胞芳香烴受體的聯(lián)合作用不僅僅是單純的相加作用,還存在協(xié)同和拮抗作用,因此,CALUX法不但可以測定環(huán)境樣品中二噁英的總含量,還可以檢測所有二噁英類物質對活體細胞產生的生物效應,同時還能用于分析和發(fā)現(xiàn)對人體健康有害的新的污染物[32]。實際應用中,可先用 CALUX法對污染樣品進行篩選,作初步定性檢測,再將篩選出的陽性樣品用GC/MS法和HRGC/HRMS法作進一步精確的定性定量分析。因此,CALUX法是化學分析法的有效補充,可以更合理、完善的評估環(huán)境及食品樣品中二噁英的影響,并大大的節(jié)約時間和分析費用。

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