免费文献传递   相关文献

Application of lysosomal detection in marine pollution monitoring: Research progress.

溶酶体检测在海洋污染监测中的应用研究进展


溶酶体(lysosome)是真核细胞内重要的细胞器.近年来随着对溶酶体结构和功能研究的深入,溶酶体被认为是亚细胞水平上的有毒物质的靶点,在国外已广泛应用于海洋污染监测.本文概述了溶酶体标志酶、溶酶体自噬系统和溶酶体膜的生物学特性,在此基础上介绍了利用溶酶体检测技术进行海洋污染监测的原理和方法.双壳贝类消化腺和鱼类肝脏最适于作为溶酶体检测的敏感器官;采用溶酶体膜稳定性测定(LMS)、溶酶体中性红保留时间测定(NRRT)、溶酶体形态测量(MM)、溶酶体标志酶免疫组化测定(Ih)和电镜(EM)观察等技术,能够指示海洋污染状况,因此溶酶体可作为生物标志物监测海洋环境污染.文中还分析了溶酶体检测的优缺点以及应注意问题,对其应用前景进行了展望.
 

Lysosome is an important organelle existing in eukaryotic cells. With the development of the study on the structure and function of lysosome in recent years, lysosome is considered as a target of toxic substances on subcellular level, and has been widely applied abroad in marine pollution monitoring. This paper summarized the biological characteristics of lysosomal marker enzyme, lysosomeautophagy system, and lysosomal membrane, and introduced the principles and methods of applying lysosomal detection in marine pollution monitoring. Bivalve shellfish digestive gland and fish liver are the most sensitive organs for lysosomal detection. By adopting the lysosomal detection techniques such as lysosomal membrane stability (LMS) test, neutral red retention time (NRRT) assay, morphological measurement (MM) of lysosome, immunohistochemical (Ih) assay of lysosomal marker enzyme, and electron microscopy (EM),  the status of marine pollution can be evaluated. It was suggested that the lysosome could be used as a biomarker for monitoring marine environmental pollution. The advantages and disadvantages of lysosomal detection and some problems worthy of attention were analyzed, and the application prospects of lysosomal detection were discussed.


全 文 :溶酶体检测在海洋污染监测中的应用研究进展*
翁幼竹摇 方永强摇 张玉生**
(国家海洋局第三海洋研究所, 福建厦门 361005)
摘摇 要摇 溶酶体( lysosome)是真核细胞内重要的细胞器.近年来随着对溶酶体结构和功能研
究的深入,溶酶体被认为是亚细胞水平上的有毒物质的靶点,在国外已广泛应用于海洋污染
监测.本文概述了溶酶体标志酶、溶酶体鄄自噬系统和溶酶体膜的生物学特性,在此基础上介
绍了利用溶酶体检测技术进行海洋污染监测的原理和方法.双壳贝类消化腺和鱼类肝脏最适
于作为溶酶体检测的敏感器官;采用溶酶体膜稳定性测定(LMS)、溶酶体中性红保留时间测
定(NRRT)、溶酶体形态测量(MM)、溶酶体标志酶免疫组化测定( Ih)和电镜(EM)观察等技
术,能够指示海洋污染状况,因此溶酶体可作为生物标志物监测海洋环境污染.文中还分析了
溶酶体检测的优缺点以及应注意问题,对其应用前景进行了展望.
关键词摇 溶酶体摇 污染摇 生物标志物摇 溶酶体膜稳定性摇 中性红保留时间
文章编号摇 1001-9332(2013)11-3318-07摇 中图分类号摇 X55摇 文献标识码摇 A
Application of lysosomal detection in marine pollution monitoring: Research progress. WENG
You鄄zhu, FANG Yong鄄qiang, ZHANG Yu鄄sheng (Third Institute of Oceanography, State Oceanic
Administration, Xiamen 361005, Fujian, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2013,24(11): 3318-3324.
Abstract: Lysosome is an important organelle existing in eukaryotic cells. With the development of
the study on the structure and function of lysosome in recent years, lysosome is considered as a tar鄄
get of toxic substances on subcellular level, and has been widely applied abroad in marine pollution
monitoring. This paper summarized the biological characteristics of lysosomal marker enzyme, lyso鄄
some鄄autophagy system, and lysosomal membrane, and introduced the principles and methods of
applying lysosomal detection in marine pollution monitoring. Bivalve shellfish digestive gland and
fish liver are the most sensitive organs for lysosomal detection. By adopting the lysosomal detection
techniques such as lysosomal membrane stability (LMS) test, neutral red retention time (NRRT)
assay, morphological measurement (MM) of lysosome, immunohistochemical (Ih) assay of lysoso鄄
mal marker enzyme, and electron microscopy ( EM), the status of marine pollution can be
evaluated. It was suggested that the lysosome could be used as a biomarker for monitoring marine
environmental pollution. The advantages and disadvantages of lysosomal detection and some prob鄄
lems worthy of attention were analyzed, and the application prospects of lysosomal detection were
discussed.
Key words: lysosome; pollution; biomarker; lysosomal membrane stability; neutral red retention
time.
*海洋公益性行业科研专项(201005016)资助.
**通讯作者. E鄄mail: ys. zhang@ 163. com
2013鄄01鄄30 收稿,2013鄄09鄄05 接受.
摇 摇 溶酶体是存在于真核细胞内重要的细胞器. 长
期以来,溶酶体受到世界各国研究者的关注并开展
了多学科的研究,对溶酶体的发生、酶的组成与释
放、形态结构、功能以及与疾病关系等有了比较深入
的了解.本文就近年来国外对溶酶体在海洋污染监
测中的应用的理论和技术做一介绍,目的在于使人
们更深刻了解溶酶体检测应用于我国海洋污染监测
的必要性及其优点,从而在我国推广应用.
1摇 溶酶体特性
1955 年生物学家 de Duve等[1]用差速离心法在
分离大鼠肝组织匀浆时最先发现了溶酶体( lyso鄄
some).溶酶体是由单层膜包裹的胞质内细胞器,其
主要化学成分为蛋白质和脂类,内含多种酸性水解
酶类.溶酶体的主要生理功能为细胞内正常消化作
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 11 月摇 第 24 卷摇 第 11 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Nov. 2013,24(11): 3318-3324
用、自体吞噬作用和自溶作用.根据溶酶体所处的完
成生理功能的不同阶段,可分为初级溶酶体、次级溶
酶体和残余体;根据所消化物质来源不同,可分为异
噬溶酶体和自噬溶酶体[2] .
1郾 1摇 溶酶体酶
溶酶体内富含多种水解酶,专司水解各种外源
性和内源性的大分子物质. 目前已发现溶酶体内含
有 60 多种水解酶,主要包括:蛋白酶、酯酶、糖苷酶、
磷酸酶和核酸酶等,这些酶在溶酶体内能降解所有
类型的大分子,表明溶酶体是细胞中具有最大降解
能力的细胞器,是细胞质量控制应答体系的主要组
成部分[3-4] .根据溶酶体所特有的酶类,采用酶组织
化学特异性反应,可对溶酶体进行定位和定性.最经
典的溶酶体标志酶是酸性磷酸酶(acid phosphatase,
AcP).随着溶酶体研究的深入,N鄄乙酰鄄茁鄄氨基已糖
苷酶(N鄄acetyl鄄b鄄hexosaminidase, Hex)和 茁鄄葡糖苷
酸酶(b鄄glucuronidase, b鄄Gus)等被更广泛地作为溶
酶体组织化学反应的标志酶.
1郾 2摇 溶酶体膜
溶酶体表面包裹着一层膜,把溶酶体酶与细胞
内的各种细胞成分隔开,可保护细胞本身不受溶酶
体酶的分解破坏.溶酶体膜好似一个具有独特的过
滤性质的筛,对于像肽或碳水化合物这类亲水性物
质,只容许分子量在 200 以下的物质通过;而对疏水
性物质,则可通过分子量更大些,即筛孔更大. 溶酶
体膜的这种特性对溶酶体的功能十分重要,它不仅
能把溶酶体水解酶这样一些大分子禁锢在溶酶体
内,使其在正常情况下不致危害周围的胞质,而且使
一些进入溶酶体的大分子不能随便逸出,直到它们
在溶酶体内被消化成小分子终产物,才能通过溶酶
体膜进入胞质其他部位,参与新的代谢过程.
溶酶体膜上存在多种重要的运输系统,包括氨
基酸运输系统、糖运输系统、核苷运输系统、无机离
子运输系统和重金属运输系统等,这些系统支持溶
酶体完成运输各种内源性和外源性大分子到溶酶体
内降解,或通过胞质中含硫醇(thiol鄄containing)化合
物如谷胱甘肽和金属硫蛋白(metallothionein),以高
亲和力与重金属结合,然后穿过溶酶体膜进入,使溶
酶体产生固体金属磷或硫凝固物,这种凝固物可保
留在细胞的整个生命周期或经胞吐作用而排除,此
过程溶酶体储存重金属,并对重金属起螯合和解毒
作用[5-8] .
在正常情况下,溶酶体膜必须稳定,才能完成溶
酶体正常的消化功能并保持自身细胞的完整. 溶酶
体膜稳定性与其结构成分相关:溶酶体膜中嵌有质
子泵(H+ 鄄ATP酶)可将胞质中的 H+泵入溶酶体内,
使溶酶体内的酸性环境得以维持;膜内含有各种不
同酸性的、高度糖基化膜整合蛋白,可防止自身膜蛋
白的降解;膜含有较高的胆固醇,可维持膜结构的稳
定性[9] .而当机体受到外来污染物的攻击时,溶酶
体膜的渗透性会发生改变,从而降低溶酶体膜稳定
性,使溶酶体酶溢出,损害细胞甚至发生自溶而
死亡.
1郾 3摇 溶酶体的异噬、自噬和自溶作用
溶酶体是细胞内的消化和防御体系,具有复杂
的生理功能[10] .溶酶体的第一功能是参与细胞内正
常消化作用.溶酶体对外源性物质的消化过程称为
异噬作用(heterophagy).细胞外物质(如作为营养成
分的大分子颗粒物质、细菌、病毒等)通过两种方式
进入细胞:较大的固体颗粒物质与细胞质膜上特异
性受体结合,之后质膜内陷、包围入侵颗粒,继而发
生膜融合形成吞噬体(phagosome);液体或极小的颗
粒物质以胞饮鄄液态相(pinocytosis鄄fluid phase)的非
特异性方式与细胞质膜互相作用形成胞饮泡(pino鄄
cytic vesicle).初级溶酶体与这些吞噬体或胞饮泡融
合后成为次级溶酶体,大分子物质在次级溶酶体内
的各种水解酶作用下,分解为小分子物质,再转运到
细胞质中,供应细胞代谢使用.
溶酶体还具有自噬作用(autophagy),即细胞内
原有的一些衰老或破损的细胞成分如线粒体、内质
网碎片、核蛋白体、过氧化物体、糖元和分泌粒等,被
包入溶酶体内进行水解清除.
此外,溶酶体的自溶作用是指溶酶体的酶被释
放出来将自身细胞降解,是细胞的自我毁灭.在正常
情况下,溶酶体的膜是十分稳定的,不会对细胞自身
造成伤害.如果细胞受到严重损伤,造成溶酶体破
裂,那么细胞就会在溶酶体酶的作用下被降解.
2摇 采用溶酶体技术检测海洋环境污染
研究表明,溶酶体是许多环境污染物,如有毒金
属和有机生物异源物质(如工业污染物、杀虫剂等)
的共同靶点.根据溶酶体的生物学特性,国外学者以
溶酶体完整性为突破口,对污染物诱发导致的海洋
动物细胞溶酶体膜稳定性降低、溶酶体酶活性变化
以及溶酶体形态改变的污染生物效应进行研究和分
析,并建立了相关检测方法. 1981 年 Lowe 等[11]首
先利用溶酶体的特性来检测海水中原油对贻贝
(Mytilus edulis)消化细胞溶酶体的影响.
913311 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 翁幼竹等: 溶酶体检测在海洋污染监测中的应用研究进展摇 摇 摇 摇 摇 摇
2郾 1摇 溶酶体技术的原理
海洋动物细胞溶酶体容易积累高水平的污染物
而成为环境污染物的靶,因此溶酶体的完整性可作
为污染物暴露的一种非特异性生物标志物. 海洋中
化学污染物对细胞溶酶体完整性的损伤主要表现在
使溶酶体膜稳定性降低、溶酶体水解酶活性增加和
溶酶体形态结构发生变化.这些污染物主要有两种:
一是重金属,包括铁、锌、锰、钴、铬、镉、铜、镍、汞和
铅,其中铁、锌和铜是细胞蛋白质的重要成分,其他
金属如镉、铬、铅和汞等没有生物学作用,但当它们
存在于生物系统就会干扰机体正常生理活动,严重
时可能导致病变[8];二是各种无机与有机化学污染
物,包括多环芳烃、多氯联苯、有机磷化合物和碳氢
化合物如石油烃等的污染已成为海洋环境治理的主
要难题.研究证实,溶酶体系统对化学污染物高度敏
感,可利用溶酶体对环境污染物的应答来预测水生
生物细胞功能状态[12] .污染物诱发的溶酶体变化的
应激效应,无论在实验室或是现场条件下均是敏感
的,可作为监测环境污染的生物标志物[13-14] .
通过对溶酶体标志酶的定性和定位能够体现溶
酶体形态功能的变化. Patel 等[15]用生物化学方法
在亚细胞水平上发现泥蚶(Anadara granosa)溶酶体
中芳基硫酸酯酶(arylsulfatase)和酸性磷酸酶(AcP)
的特性,并提出溶酶体标志酶的概念.现已报道的关
于溶酶体对水体污染物应答的大多数研究主要就是
利用溶酶体标志酶,如 N鄄乙酰鄄茁鄄氨基已糖苷酶
(Hex)、茁鄄葡糖苷酸酶(b鄄Gus)和酸性磷酸酶(AcP)
等作为细胞化学的标志物,通过标志酶反应的差异
来体现溶酶体状态的好坏,从而监测和评估海
域[16-19]和港湾[20-22]的水质状况.
2郾 2摇 适用于溶酶体检测的海洋动物的筛选
溶酶体检测可采用不同种类海洋动物,包括环
节动物、软体动物、甲壳动物和鱼类等. 这些动物的
消化腺细胞或肝细胞的溶酶体对环境污染物均能产
生应激反应[13,23-24] . 经过比较研究,筛选并确定软
体动物和鱼类这两类不同进化水平的动物最适合作
为检测海洋环境污染的试验模式动物.
双壳类软体动物如固着生活的牡蛎,生活在沉
积物鄄水界面,其生活环境特点是广盐性和广温性,
经常忍受环境的突然变化,很适于作为研究变迁环
境下生理变化的模式生物.此外,双壳类动物暴露于
化学污染物后可以出现一致性应答反应,已被广泛
应用在环境生物检测程序中,还被联合国环境规划
署等一致推荐为海洋污染监测的哨兵生物(sentinel
organisms) [25-26] .
鱼类内部的疾病鄄肝脏病理学研究表明,硬骨鱼
肝脏是有机生物异源物质( xenobiotics)生物转化、
有害痕量金属排泄、食物消化和储存以及性激素代
谢的主要器官.由于许多污染物倾向于积累在肝脏,
使得肝脏暴露的污染物级别比在其他环境和器官高
得多,因此鱼类肝脏对环境污染物十分敏感[13] . 海
洋中污染物对鱼类肝溶酶体的扰乱及其潜在反映的
肝脏病理学,比在无脊椎动物所观察到的更复杂和
更类似于哺乳类肝脏中毒性病理损伤与致癌作
用[27] .研究表明,组织化学方法检测肝溶酶体变化
可作为快速、成本低和敏感的生物标志物,能精确确
定毒性影响,评估对鱼类健康和生存的危害.某些污
染物如多环芳烃、芳族胺、亚硝基化合物和偶氮化合
物是鱼类肝致癌物,污染物与肝溶酶体反应之间呈
现良好的剂量鄄效应相关性[28] .
需要指出的是,软体动物双壳类消化腺细胞与
鱼类肝细胞的溶酶体对环境紧张性刺激的应答有所
不同[29] .前者对污染物应答首先是水解酶被激活并
释放到胞质,接着才出现溶酶体膜去稳定导致增加
溶酶体膜的融合和扩张[11,30] . 相反地,鱼类对污染
物应答是先使溶酶体膜去稳定,然后释放水解
酶[31] .可见,利用双壳类和鱼类溶酶体对污染物应
答反应的差别来检测海洋化学污染各有特色,很适
合作为用溶酶体监测海洋环境污染的试验动物.
2郾 3摇 溶酶体检测方法
溶酶体对环境污染物的主要应答包括溶酶体膜
去稳定、溶酶体酶活性增加和溶酶体扩张形态结构
变化.应用溶酶体检测进行海洋污染的监测已有不
少文献报道(表 1),溶酶体检测的常用方法有以下
5 种:
1)溶酶体膜稳定性(lysosomal membrane stabili鄄
ty, LMS)试验.采用细胞化学方法来显示双壳类消
化腺细胞和鱼类肝细胞溶酶体标志酶 Hex 或b鄄Gus
的活性,通过检测溶酶体对反应底物的渗透性来确
定溶酶体膜的不稳定性程度,用去稳定性时间( labi鄄
lization period,LP)长短来评估溶酶体膜稳定性,LP
越短则表明溶酶体膜越不稳定、损伤越严重[32-33] .
该方法可用于监测海区不同站位污染的差别[34] .
LMS已被公认推荐作为最可靠的评价水质质量的
生物标志物之一[35],现已广泛应用在野外现场研
究[25,36]和实验室研究[16] .
2)中性红保留时间( neutral red retention time,
NRRT)测定.这是通过检测双壳类血细胞或者鱼肝
0233 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
图 1摇 贻贝血细胞中性红染色光学显微镜图
Fig. 1摇 Light microscopic views of neutral red鄄stained hemocytes of mussels Mytilus galloprovincialis[34] .
中性红测定值为中性红加入到血细胞(a、b)后,观察到出现细胞溶酶体膨胀(c、d,箭头)或者染料似乎从溶酶体完全消失扩散到胞质中表征着
细胞死亡(e、f)之间的间隔时间 The values of the NRR assay represented the time when the hemocytes (shown in a, b) displayed enlarged lysosomes
(c, d, arrows) after the influence of the neutral red staining or the time when the staining seemed to be entirely diffused in the cytoplasm indicating the
death of the hemocyte (e, f) . 标尺 Scale 14 滋m.
细胞溶酶体的中性红保留时间(NRRT)来反映污染
物引起溶酶体膜扩张和溶酶体膜稳定性即渗透性改
变的客观指标[37-38] . 血细胞 NRRT 的测定可参照
Koukouzika等[34]描述进行,其结果如图 1 显示,在
加入中性红后到第一次出现染色从溶酶体消失扩散
到胞浆中的间隔时间,代表贻贝的 NRRT. NRRT 越
短则表明溶酶体膜损伤越严重.
摇 摇 对鱼肝细胞的中性红染色,可检测肝细胞溶酶
体是否受到损伤,以判断取样鱼体受污染的程度.
Lowe等[39]从希腊北海设置的清洁和污染站位分别
采集黄盖鲽(Limanda limanda)进行离体肝细胞中
性红染色,结果如图 2 所示. 从中可以看出,从站位
5 和 6 取得的样品显示中性红保持在溶酶体,提示
无污染(图 2a),而从站位 3 取得样品的 NRRT 最
短,提示污染严重(图 2b).表明鱼肝细胞染色方法
可以直接用于海区污染状况调查.
摇 摇 3)用溶酶体形态测量(morphological measure鄄
ment, MM)来描述溶酶体的变化. 采用酶组织化学
和图像分析相结合来测量贝类消化腺细胞[20,40]或
鱼类肝细胞[41] 溶酶体的形态. 例如, Marigomez
等[20]从污染地和对照地采集贻贝,先是在消化腺冰
图 2摇 欧洲黄盖鲽分离的肝细胞染色
Fig. 2摇 Stained liver cells of Limanda limanda (伊1900).
a)中性红保持在溶酶体(RL) Isolated hepatocytes showing neutral red
retained within the lysosomes (RL); b)中性红扩散到整个胞质(RC)
Isolated hepatocytes showing neutral red diffused throughout cytoplasn
(RC) [39] .
冻切片显示b鄄Gus 酶活性,然后采用自动图像分析
和计算溶酶体形态的 4 种参数,即体积密度(Vv)、
表面密度(Sv)、数量密度(Nv)和表面 /体积(S / V)
来评估和比较溶酶体形态变化,结果显示,污染地比
对照地有较高的 Vv 和 Sv 以及较低的 S / V,说明溶
酶体发生肿胀损害,表明溶酶体形态变化能够用于
检测沿海和港湾水质.
4)免疫组织化学( immunohistochemistry, Ih)方
法结合免疫印迹显示溶酶体标志酶活性变化. Le鄄
kube等[18]使用商业化的溶酶体标志酶 茁鄄Gus 的多
克隆抗体进行免疫组织化学染色,发现在贻贝
(Mytilus galloprovincialis)消化腺、鲻 (Mugil cepha鄄
lus)肝脏和岸蟹(Carcinus maenas)肝胰腺的切片上
存在特异性交叉反应;采用免疫印迹法检测发现,镉
处理的贻贝消化腺中 茁鄄Gus 蛋白水平比对照组更
高,表明 茁鄄Gus 抗体可适用在基于免疫的方法来检
测污染物诱导的溶酶体酶活性变化. AcP 酶也有类
似的变化.
5)电子显微镜技术( electron microscope, EM)
直接观察溶酶体膜形态结构变化. 对于污染物诱发
溶酶体膜结构的变化用光学显微镜难以揭示,这是
因为用常规方法制备的消化细胞会产生低反差图像
且损伤溶酶体膜[42] . Nott 等[43]观察了两种同质异构
多环芳烃———蒽和菲对贻贝消化细胞超微结构的影
响,发现菲能导致细胞次级溶酶体界膜出现多层并带
有不连续和重叠,还引起滑面内质网增多.上述可见
电镜技术的应用有助于了解污染物的影响机制.
2郾 4摇 不同检测方法的优缺点及应注意问题
上述采用溶酶体检测海洋污染技术既成熟又可
靠,在国外已广泛应用于海水污染现场和实验室对
多种有机污染物(如芳香烃、农药、杀虫剂等)、重金
属和疏浚物的检测和监控,被认为是检测海洋污染
123311 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 翁幼竹等: 溶酶体检测在海洋污染监测中的应用研究进展摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 1摇 溶酶体检测环境污染物一览表
Table 1摇 List of oceanic environmental pollutants by lysosomal detection techniques
污染物
Pollutant
检测技术
Detection technology
检测动物
Animal species
参考文献
Reference
原油 Crude oil 电镜 EM 贻贝 Mytilus edulis [11]
原油 Crude oil 形态测量 MM 紫贻贝 M. galloprovincialis [44]
润滑油、镉 Lubricant and Cd 溶酶体膜稳定性、免疫组化 LMS andIh 紫贻贝 M. galloprovincialis [16]
荧蒽 Fluoranthene 溶酶体膜稳定性、中性红保留时间
LMS and NRRT
贻贝 M. edulis [37]
蒽、菲 Anthracene and phenanthrene 电镜 EM 贻贝 M. edulis [42-43]
苯并(匮)芘、镉 Benzo[a]pyrene and cd 形态测量 MM 紫贻贝 M. galloprovincialis [45]
多环芳烃 PAH 溶酶体膜稳定性 LMS 贻贝 M. edulis [46]
疏浚物 Dredged material 中性红保留时间 NRRT 文蛤、岸蟹 Ruditapes decussatus and Carcinus
maenas
[47]
有机污染物 Organic pollutant 中性红保留时间、形态测量 NRRT and
MM
蜗牛 Eobonia vermiculata [17]
有机和无机污染物 Organic and
inorganic pollutant
溶酶体膜稳定性 LMS 欧洲川鲽 Platichthys flesus [31]
重金属 Heavy metal 形态测量 MM 大菱鲆 Scophthalmus maximus [41]
铜 Cu 中性红保留时间 NRRT 帽贝、岸蟹 Patella vulgata and C. maenas [48]
物暴露的简易灵敏指标. 然而,正如 Au[13]指出的,
每种生物标记物的效果和实际应用需要依据一系列
的客观标准进行评价,这些标准包括:生态相关性、
敏感性、特异性、剂量鄄效应关系、混杂因子、技术难
度和成本效率.根据这些规则,发现溶酶体检测也存
在一些缺点:1)常用检测对象贻贝消化腺溶酶体会
受到内在生理因素,如生殖周期的影响. Harding
等[49]指出,养殖贻贝 NRRT 在产卵后下降(夏季早
期),而在秋季(早冬)上升,表明 NRRT与生殖周期
相关,可能出现应激效应的季节性模式,此情况提示
用贻贝测定 NRRT时,必须考虑生殖周期的影响.另
外,还要注意环境因素变化(如食物丰度季节性、水
温、盐度等)可能的影响. Hagger等[50]指出 NRRT测
定在野外受不同季节和不同环境变化等多因素的影
响.但 Castro等[51]发现沿葡萄牙海岸的紫贻贝 NR鄄
RT没有明显的季节性差异(冬鄄春 /夏),以及 Nesto
等[52]指出贻贝的 NRRT 整年类似. Ringwood 等[53]
在夏季和冬季测定 6 个研究站位的 NRRT,结果有 5
个站位没有显示季节性差异.总之,从上述实例难以
做出 NRRT是否受到季节性影响的精确判断,但也
是值得注意的问题. 2)鱼类暴露在环境污染物中,
其肝脏发生组织鄄细胞病理学改变已有一些报
道[31,41,54-55] .应用鱼类肝细胞溶酶体检测和评估海
洋环境污染的严重性,虽然具有敏感性高、准确和重
复性好的优点,但缺点是通常肝组织受污染物的病
理损害有非特异性和特异性,因而不是适于用所有
野生鱼进行鉴定.所以,选择何种鱼类肝细胞用于溶
酶体检测海洋污染,必须预先了解所选择对象对污
染物是否有特异性.
3摇 溶酶体技术检测海洋污染的应用展望
研究表明,中国工业化和城市化进程反映了快
速的经济发展,但也导致严重的环境污染[56-58] . 要
解决海洋污染问题,单靠传统的化学分析方法和毒
理学测试方法等,已经不能够担负检测严重的污染
问题,而需要采用更加灵敏、准确和重复性好的新方
法,其中应用溶酶体检测的方法已成为当前的研究
热点.近年来国内外的相关研究证实,溶酶体膜稳定
性检测可以作为监测洋海洋环境污染的生物标志
物,这在国外已有广泛报道,但国内相关的研究才刚
刚起步,但我们相信在不久的将来溶酶体检测海洋
污染技术必定在我国得到推广. 双壳类消化腺细胞
和鱼类肝细胞的溶酶体检测是一种敏感性高、准确
和重复性好的实用技术,还可应用于监测和预报海
洋生态系统环境质量和水产养殖环境[59-62],从而避
免突发事件的发生.同时,为了避免环境因素对溶酶
体生物标志物的影响,人们建议采用综合学科研究
法(multidisciplinary approach)和综合检测技术,如
采用溶酶体检测,还有微核技术、分子生物标志物等
多种检测手段,以确保海洋环境污染效应能够快速
和客观地诊断和预报,并对海洋环境污染状况进行
全面和科学的评价.
参考文献
[1]摇 de Duve C, Pressman BC, Gianetto R, et al. Tissue
fraction studies. 6. Intracellular distribution patterns of
enzymes in rat liver tissue. Biochemical Journal, 1955,
60: 604-617
[2]摇 Wang H鄄J (王海杰), Tan Y鄄Z (谭玉珍). Functional
2233 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
implications of lymsosomal pathways for cell autophagy.
Chinese Bulletin of Life Science (生命科学), 2011, 23
(8): 723-729 (in Chinese)
[3]摇 L俟llmann鄄Rauch R. Organelles history and morphology
of the lysosome. Eureakah Bioscience, 2005, 1: 251 -
258
[4]摇 Orenstein SJ, Cuervo AM. Changes in lysosomes and
their autophagic function in aging: The comparative of ly鄄
sosomal function / / Wolf NS, ed. The Comparative Biolo鄄
gy of Aging. New York: Springer, 2010: 201-226
[5]摇 De Duve C, Wattiaux R. Function of lysosomes. Annual
Review of Physiology, 1966, 28: 435-492
[6]摇 Ahearn GA, Sterling KM, Mandal PK, et al. Heavy
metal transport and detoxification by crustacean epitheli鄄
al lysosomes / / Gerencser GA, ed. Epithelial Transport
Physiology. Totowa, NJ: Humana Press Inc. , 2010:
49-71
[7]摇 Sterling KM, Roggenbeck B, Aheam GA. Dual control
of cytosolic metal by lysosomal transporters in lobster
hepatopancreas. Journal of Experimental Biology, 2010,
213: 769-774
[8]摇 Chavez鄄Crooker P, Garrido N, Pozo P, et al. Copper
transport by lobster (Homarus americanus) hepatopan鄄
creatic lysosomes. Comparative Biochemistry and Physi鄄
ology C, 2003, 135: 107-118
[9]摇 Zhong X (钟 摇 啸). Progress in lysosome. Chinese
Journal of Biologicals (中国生物制品学杂志), 2008,
21(9): 827-829 (in Chinese)
[10]摇 Havelaar C, de Gast IL, Snijders S, et al. Characteriza鄄
tion of a heavy metal ion transporter in the lysosomal
membrane. FEBS Letters, 1998, 436: 223-227
[11]摇 Lowe DM, Moore MN, Clarke C. Effects of oil on diges鄄
tive cells in mussels: Quantitative alterations in cellular
and lysosomal structure. Aquatic Toxicology, 1981, 1:
213-226
[12]摇 Moore MN, Allen JL, McVeigh A, et al. Lysosomal and
autophagic reactions as predictive indicators of environ鄄
mental impact in aquatic animals. Autophagy, 2006, 2:
217-220
[13]摇 Au DWT. The application of histo鄄cytopathological bio鄄
markers in marine pollution monitoring: A review. Ma鄄
rine Pollution Bulletin, 2004, 48: 817-834
[14]摇 Marig佼mez I, Orbea A, Olabarrieta I, et al. Structural
changes in the digestive gland lysosomal system of senti鄄
nel mussels as biomarkers of environmental stress in
mussel鄄watch programmes. Comparative Biochemistry
and Physiology C, 1996, 113: 291-297
[15]摇 Patel S, Patel B. Effect of environmental parameters on
lysosomal marker enzymes in the tropical clam Anadara
granosa. Marine Biology, 1985, 85: 245-252
[16]摇 Izagirre U, Ruiz P, Marigomez I. Time鄄course study of
the early lysosomal responses to pollutants in mussel di鄄
gestive cells using acid phosphatase as lysosomal marker
enzyme. Comparative Biochemistry and Physiology C,
2009, 149: 587-597
[17] 摇 Itziou A, Dimitriadis VK. Effects of organic pollutants
on Eobania vermiculata measured with five biomarkers.
Ecotoxicology, 2012, 21: 1484-1494
[18]摇 Lekube X, Cajaraville MP, Marig佼mez IM. Use of poly鄄
clonal antibodies for the detection of changes induced by
cadmium in lysosomes of aquatic organisms. Science of
the Total Environment, 2000, 247: 201-212
[19]摇 Marigomez I, Baybay鄄Villacorta L. Pollutant鄄specific
and general lysosomal responses in digestive cells of
mussels exposed to model organic chemicals. Aquatic
Toxicology, 2003, 64: 235-257
[20]摇 Marigomez I, Lekube X, Cajaraville MP, et al. Short
communication: Comparison of cytochemical procedures
to estimate lysosomal biomarkers in mussel digestive
cells. Aquatic Toxicology, 2005, 75: 86-95
[21]摇 Moschino V, Delaney E, Meneghetti F, et al. Biomoni鄄
toring approach with mussel Mytilus galloprovincialis
(Lmk) and clam Ruditapes philippinarum (Adams and
Reeve, 1850) in the Lagoon of Venice. Environmental
Monitoring and Assessment, 2011, 177: 649-663
[22] 摇 Moreira SM, Moreira鄄Santo M, Ribeiro R. The “Coral
Bulker冶 fuel oil spill on the north coast of Portugal:
Spatial and temporal biomarker responses in Mytilus gal鄄
loprovincialis. Ecotoxicology, 2004, 13: 619-630
[23]摇 Dallinger R, Prosi F. Heavy metals in the terrestrial iso鄄
pod porcellio scaber latreille. 域. Subcellular fractiona鄄
tion of metal鄄accumulating lysosomes from hepatopancre鄄
as. Cell Biology and Toxicology, 1988, 4: 97-109
[24]摇 Moore MN, Allen JI, McVeigh A. Environmental prog鄄
nostics: An integrated model supporting lysosomal stress
responses as predictive biomarkers of animal health sta鄄
tus. Marine Environmental Research, 2006, 61: 278 -
304
[25]摇 Franzellitti S, Buratti S, Donnini F, et al. Exposure of
mussels to a polluted environment: Insights into stress
syndrome development. Comparative Biochemistry and
Physiology C, 2010, 152: 24-33
[26]摇 Viarengo A, Lowe D, Bolognesi F, et al. The use of bi鄄
omarkers in biomonitoring: A 2鄄tier approach assessing
the level of pollutant鄄induced stress syndrome in sentinel
organisms. Comparative Biochemistry and Physiology C,
2007, 146: 281-300
[27]摇 K觟hler A, Van Noorden CJF. Initial velocities in situ of
G6PDH and PGDH and expression of proliferating cell
nuclear antigen (PCNA): Sensitive diagnostic markers
of environmentally induced hepatocellular carcinogenesis
in a marine flatfish ( Platichthys flesus L. ). Aquatic
Toxicology, 1998, 40: 233-252
[28]摇 K觟hler A, Wahl E, S觟ffker K. Functional and morpho鄄
logical changes of lysosomes as prognostic biomarkers of
toxic liver injury in a marine flatfish (Platichthys flesus
( L. )). Environmental Toxicology and Chemistry,
2002, 21: 2434-2444
[29]摇 Tremblay LR, Pellerin鄄Massicotte J. Effect of the tidal
cycle on lysosomal membrane stability in the digestive
gland of Mya arenaria and Mytilus edulis. Comparative
Biochemistry and Physiology A, 1997, 117: 99-104
[30]摇 Moore MN, Clarke KR. Use of microstereology and
quantitative cytochemistry to determine the effects of
crude oil鄄derived aromatic hydrocarbons on lysosomal
structure and function in a marine bivalve mollusk,
Mytilus edulis. Histochemical Journal, 1982, 14: 713-
718
[31]摇 K觟hler A. Lysosomal perturbations in fish liver as indi鄄
cators for toxic effects of environmental pollution. Com鄄
parative Biochemistry and Physiology C, 1991, 100:
123-127
[32]摇 Moore MN. Cytochemical demonstration of latency of ly鄄
sosomal hydrolases in digestive cells of the common mus鄄
sel, Mytilus edulis, and changes induced by thermal
stress. Cell and Tissue Research, 1976, 175: 279-287
[33]摇 Moore MN. Cytochemical responses of the lysosomal
system and NADPH鄄ferrihemoprotein reductase in mol鄄
luscan digestive cells to environmental and experimental
exposure to xenobiotics. Marine Ecology Progress Series,
1988, 46: 81-89
[34]摇 Koukouzika N, Dimitriadis VK. Multiple biomarker
323311 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 翁幼竹等: 溶酶体检测在海洋污染监测中的应用研究进展摇 摇 摇 摇 摇 摇
comparison in Mytilus galloprovincialis from the greece
coast: Lysosomal membrane stability, neutral red reten鄄
tion, micronucleus frequency and stress on stress. Eco鄄
toxicology, 2005, 14: 449-463
[35]摇 UNEP(United Nations Environment Programme). Inter鄄
comparison Exercise Concerning Lysosomal Membrane
Stability and Metallothionein Analysis. UNEP(OCA) /
MED WG. 132 / 5. Athens, Greece, 1997: 1-12
[36]摇 Nesto N, Romano S, Moschino V, et al. Bioaccumula鄄
tion and biomarker responses of trace metals and micro鄄
organic pollutants in mussels and fish from the Lagoon of
Venice, Italy. Marine Pollution Bulletin, 2007, 55:
469-484
[37]摇 Lowe DM, Pipe RK. Contaminant induced lysosomal
membrane damage in marine mussel digestive cells: An
in vitro study. Aquatic Toxicology, 1994, 30: 357-365
[38]摇 Falfushynska HI, Gnatyshyna LL, Farkas A, et al. Vul鄄
nerability of biomarkers in the indigenous mollusk An鄄
odonta cygnea to spontaneous pollution in a transition
country. Chemosphere, 2010, 81: 1342-1351
[39]摇 Lowe DM, Moore MN, Evans BM. Contaminant impact
on interactions of molecular probe with lysosomes in liv鄄
ing hepatocytes from dab Limanda limanda. Marine
Ecology Progress Series, 1992, 91: 135-140
[40]摇 Izagirre U, Marigomez I. Lysosomal enlargement and ly鄄
sosomal membrane destabilisation in mussel digestive
cells measured by an integrative index. Environmental
Pollution, 2009, 157: 1544-1553
[41]摇 Alvarado NE, Buxens A, Maz爷on LI, et al. Cellular bi鄄
omarkers of exposure and biological effect in hepatocytes
of turbot (Scophthalmus maximus) exposed to Cd, Cu
and Zn and after depuration. Aquatic Toxicology, 2005,
74: 110-125
[42] 摇 Nott JA, Moore MN, Mavin LJ, et al. The fine struc鄄
ture of lysosomal membranes and endoplasmic reticulum
in the digestive cells of Mytilus edulis exposed to anthra鄄
cene and phenanthrene. Marine Environmental Re鄄
search, 1985, 17: 226-229
[43]摇 Nott JA, Moore MN. Effects of polycyclic aromatic hy鄄
drocarbons on molluscan lysosomes and endoplasmic re鄄
ticulum. Histochemical Journal, 1987, 19: 357-368
[44]摇 Cajaraville MP, Abascal I, Etxeberria M, et al. Lyso鄄
somes as cellular markers of environmental pollution:
Time鄄 and dose鄄dependent responses of the digestive ly鄄
sosomal system of mussels after petroleum hydrocarbon
exposure. Environmental Toxicology and Water Quality,
1995, 10: 1-8
[45]摇 Marig佼mez I, Izagirre U, Lekube X. Lysosomal enlarge鄄
ment in digestive cells of mussels exposed to cadmium,
benzo[a]pyrene and their combination. Comparative Bi鄄
ochemistry and Physiology C, 2005, 141: 188-193
[46]摇 Buratti S, Ramos鄄G佼mez J, Fabbri E, et al. Application
of neutral red retention assay to caged clam (Ruditapes
decussates) and crabs (Carcinus maenas) in the assess鄄
ment of dredged material. Ecotoxicology, 2012, 21:
75-86
[47]摇 Aarab N, Pampanin DM, Naevdal A, et al. Histopa鄄
thology alterations and histochemistry measurements in
mussel, Mytilus edulis collected offshore from an alumin鄄
ium smelter industry (Norway). Marine Pollution Bulle鄄
tin, 2008, 57: 569-574
[48]摇 Brown RJ, Galloway TS, Lowe D, et al. Differential
sensitivity of three marine invertebrates to copper as鄄
sessed using multiple biomarkers. Aquatic Toxicology,
2004, 66: 267-278
[49]摇 Harding JM, Couturier C, Parsons GJ, et al. Evaluation
of the neutral red retention assay as a stress response in鄄
dicator in cultivated mussels (Mytilus spp. ) in relation
to seasonal and environmental conditions. Journal of
Shellfish Research, 2004, 23: 745-751
[50]摇 Hagger JA, Lowe D, Dissanayake A, et al. The influ鄄
ence of seasonality on biomarker responses in Mytilus
edulis. Ecotoxicology, 2010, 19: 953-962
[51]摇 Castro M, Santos MM, Monteiro NM, et al. Measuring
lysosomal stability as an effective tool for marine coastal
environmental monitoring. 12th International Symposium
on Pollutant Responses in Marine Organisms ( PRIMO
12). Florida, USA, 2003: 741-745
[52]摇 Nesto N, Bertoldo M, Nasci C, et al. Spatial and tem鄄
poral variation of biomarkers in mussels (Mytilus gallo鄄
provincialis) from the Lagoon of Venice, Italy. 12th In鄄
ternational Symposium on Pollutant Responses in Marine
Organisms (PRIMO 12). Florida, USA, 2003: 287 -
291
[53]摇 Ringwood AH, Hoguet J, Keppler CJ. Seasonal varia鄄
tion in lysosomal destabilization in oysters, Crassostrea
virginica. Marine Environmental Research, 2002, 54:
793-797
[54]摇 Braunbeck T. Cytological alterations in fish hepatocytes
following in vivo and in vitro sublethal exposure to xeno鄄
biotics structural biomarkers of environmental contamina鄄
tion / / Braunbeck T, Streit B, Hinton DE, eds. Fish
Ecotoxicology. Basel, Switzerland: Birkhauser Verlag,
1998: 61-140
[55] 摇 Woodworth JG, Munday BL, Campin D. Evaluation of
biomarkers for exposure of fish to eucalypt鄄based pulp
mill effluent for determination of routes of exposure. En鄄
vironmental Toxicology and Chemistry, 1998, 13: 285-
296
[56]摇 Gu JD, Wang Y. Environmental feedback: Lessons from
pollution problems in China. Ecotoxicology, 2012, 21:
1583-1584
[57]摇 Zhang W (张 摇 薇), Song Y鄄F (宋玉芳), Sun T鄄H
(孙铁珩), et al. Soil nematode as a bioindicator of en鄄
vironment pollution. Chinese Journal of Applied Ecology
(应用生态学报), 2004, 15 (10): 1973 - 1978 ( in
Chinese)
[58]摇 Xu N鄄J (徐年军), Yan X鄄J (严小军). Research ad鄄
vances in chemical ecology of marine microorganisms.
Chinese Journal of Applied Ecology (应用生态学报),
2006, 17(12): 2436-2440 (in Chinese)
[59]摇 Etxeberria M, Cajaraville ME, Marigomez I. Changes in
digestive cell lysosomal structure in mussels as biomark鄄
ers of environmental stress in the Urdaibai estuary
(Biscay coast, Iberian Peninsula). Marine Pollution
Bulletin, 1995, 30: 599-603
[60]摇 McVeigh A. Environmental prognostics: An integrated
model supporting lysosomal stress responses as predictive
biomarkers of animal health status. Marine Environment
Research, 2006, 61: 278-304
[61]摇 Sarkar A, Ray D, Amulya N, et al. Molecular biomark鄄
ers: Their significance and application. Ecotoxicology,
2006, 15: 333-340
[62]摇 Zhao C, Li X, Luo S, et al. Assessments of lysosomal
membrane responses to stresses with neutral red reten鄄
tion assay and its potential application in the improve鄄
ment of bivalve aquaculture. African Journal of Biotech鄄
nology, 2011, 10: 13968-13973
作者简介摇 翁幼竹,女,1968 年生,研究员.主要从事海洋生
物生态效应研究. E鄄mail: xmwyz0592@ 163. com
责任编辑摇 肖摇 红
4233 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷