【摘要】 本文主要介绍了国内外应用于实验研究的水生动物种类及其在毒理学、药理学、环境监测、胚胎学、遗传学、生理学、生物化学、内分泌学等方面的实验研究与应用进展。
1 应用于实验研究的水生动物种类
1.1 鱼类
鱼类对药物、毒物十分敏感,含极微量的成分即可引起很强的反应,是检测人工污染物和自然污染物极好的生物指示剂。
在国外,虹鳟鱼( Salmo gairdneri ) 、银大马哈鱼( Oncorhynchus kisutch) 、红大马哈鱼( O. nerka) 、大西洋鲑( Salmo salar) 、湖鳟( Salvelinus fontinalis) 等是毒理学研究中的常用种类;一些在实验室条件下容易繁殖的小型温水鱼类, 如: 胖头鲤鱼( Pimephalespromelas ) 、美洲旗鱼( Jordanella floridae ) 、斑马鱼(Brachydanio rerio) 、金鱼( Carassius ratus ) 以及蓝鳃鱼(Lepomis macrochirus) 等非鲑鳟亚目的冷水鱼类也常用于毒理学研究。
我国许多科研和环保部门多采用青、草、鲢、鳙、鲤、鲫等淡水鱼种作为毒性试验材料,由于这些鱼性成熟时间长、鱼种阶段生长快,因而试验受到季节限制。随着实验动物科学的发展,有关鱼类实验动物的研究日渐活跃,毒性试验所用的材料鱼,除了要求实验室易饲养且对毒物较为敏感外,更趋向于使用性成熟时间和性周期较短的小型鱼类,如OECD ,ISO和USEPA 等组织机构推荐使用斑马鱼( Brachydaniorerio) 和黑头软口鲦( Fathead minnow) 等小型鱼类;在污水毒性监测方面,斑马鱼的应用越来越广,大有取代传统鱼类急性实验的可能[4 ] ;此外,稀有 鲫、剑尾鱼、红鲫等由于具有生活力强、性成熟早、繁殖力强、体型小、饲养成本低等优点,满足实验动物的基本要求,近年来我国先后对其进行了纯系培育和毒理学、药理学及环境监测方面的研究。
利用鱼类开展毒理学、药理学研究,在理论上和经济上显然是有意义的。由于鱼类的流动性,鱼体中生理生化指标的变化或鱼体内污染物含量的变化是鱼体对游动沿途海区污染状况“空间匀和”后的结果,即反映沿途海区的平均状况。故将鱼类(特别是游泳能力很强的鱼类) 用作环境污染的指示生物,应特别慎重。
1.2 软体动物
贻贝由于具有下述特点:是沿海和河口生物群落的优势类群;地理分布广;固着生活;生存能力强;累积沾污物系数高;种群稳定,易于在潮间和潮下带移植和笼养,被广泛用于海洋污染的生物监测指示物,其他贝类也常有应用,如: 利用波纹巴菲蛤、毛蚶、翡翠贻贝和文蛤进行原油和燃油毒性试验[6 ] ;利用合浦珠母贝滤食率、上皮细胞组织结构和微核率等指标研究油基泥浆和消油剂对水生生物的影响;利用近江牡蛎分析沿海水体BHC、DDT含量和重金属的污染动态[8 ] ;应用疣荔枝螺性畸变监测海洋有机锡污染。
从生物学考虑,腹足类软体动物与双壳类软体动物一样,也是比较理想的指示生。
1.3 甲壳动物
甲壳动物作为毒性实验或污染监测生物的研究开展较多,如:黄韧等推荐斑节对虾、中国对虾、长毛对虾仔虾和卤虫无节幼体作为我国海洋石油勘探开发污染物的毒性监测生物;黑褐新糠虾已广泛用于赤潮、钻井液及其添加剂、有机锡化合物、重金属等方面的毒性评价;枝角类动物因为其生命周期短、生活史有孤雌生殖现象、对污染物敏感和实验室中易培养,已成为毒性试验的理想材料。
1.4 其他种类
原生动物、颤蚓、蠓类和摇蚊幼虫(摇蚊属的种类耐有机污染,前突摇蚊属的种类耐重金属污染) 等,对水体环境质量的变化有较敏感的反应,可作为水污染指示生物;盐水卤虫、折叠萝卜螺和霍甫水丝蚓等可以用来作为常用水生态毒理学试验生物的补充,以满足对污染物进行某些特殊的水生态毒理学研究和生物监测需要;多毛类具有较强的耐污性,而棘皮动物对环境污染的反应则十分敏感,多毛类对棘皮的比率可用来进行污染监测[13] ;海洋哺乳动物(如海豹、海狮等) 可用来监测海洋污染。
2 毒理学、药理学和环境监测方面的应用
毒、药物作用于水生动物通常可引起三个层次的生物效应,即:生物化学和细胞水平的变化;个体水平的生理和行为改变;种群和群落水平的变化。
2.1 生物化学和细胞水平的变化
毒、药物能引起水生动物细胞物质和功能变化,如:石油烃和多环芳烃可激发水生动物细胞内混合功能氧化酶的活性;金属可诱导水生动物细胞合成大量的金属结合蛋白;某些污染物能破坏水生动物溶酶体膜结构或引起染色体畸变、姐妹染色单体互换和微核等细胞结构的异常变化。
2.2 生物个体水平的生理和行为改变
2.2.1 毒、药物的生理学效应:毒、药物可改变水生动物摄食、呼吸、游泳等行为,影响其生长和繁殖,并可能危及生存。如:石油勘探开发中的泥浆可对鱼类、甲壳类、贝类等的呼吸、摄食、繁殖等产生明显的影响,消油剂可引起鱼类的迁徙和防御反应;环境污染可影响海洋双壳类滤食动物的摄食率、呼吸率及氨氮排泄能指标;此外,水生动物生长状况的指标,如体重、体长、壳长,增长繁殖以及产卵和孵化等,也在一定程度上反映污染压力的影响。
2.2.2 毒、药物引起的形态或病理变化:毒物(如:石油勘探开发中泥浆) 与水生动物直接、频繁地接触,可引起水生动物体表组织器官发炎、糜烂、形成肿瘤或其他的形态异常(如:甲壳类外壳破损,贝类鳃损伤,鱼体畸变、表皮组织糜烂、脊椎受损等) ,也可引起内脏组织器官产生病理学变化(如:肠胃溃疡、肝肿大、内脏器官变形等) 。
2.3 生物种群和群落水平的变化
水污染往往会导致群落结构发生更替,受污染的群落一般以小型甲藻、小型桡足类、栉水母和水母占优势,未污染的群落却以硅藻、大型桡足类和鱼类占优势[5 ] ;Raffaelli 等研究了英国沿海17 个海滩的沉积物类型、污染状况以及小型底栖动物群落发现,线虫能利用有机污染物中的有机质,而桡足类对污染反应敏感,在受污染的海滩中,线虫P桡足类的比值高。
2.4 毒药物生物效应的应用
通过这些生物效应,可开展相应的毒理学、药理学和环境监测的研究和应用,如:根据贻贝鳃组织的乙酰胆碱酯酶活性能检出环境中1μgPL 浓度的敌敌畏;根据梭鱼组织中的金属硫蛋白或双壳类消化囊组织的金属结合蛋白含量,可检测出海水中10 - 9 金属浓度的变化。
由于各种生物的结构和生理代谢途径不同,同一物质对各种生物的毒性或药理作用会有很大不同,而生物种群和群落水平的变化需要作长期的资料积累,且在相当程度上受自然环境变化的干扰,因此在毒理学、药理学和环境监测研究中,有必要发展多种简便易行的生物测试方法,包括从各种致毒角度着手的各生态位的生物毒性测试及细胞、免疫和酶活性等的生物学检测,以便对毒、药物进行更全面的毒性和药理评价。
3 胚胎学和遗传学方面的应用
国外20 世纪初,就有学者利用金鱼研究其变异和遗传,60 年代起开始鱼类细胞核移植试验,将鲑鱼等动物的RNA 注射到金鱼卵内,探求出鱼类细胞质遗传规律[1 ] ,国内有人以红鲫为实验材料,进行细胞遗传学、细胞工程学、鱼类育种学、生殖生理学、受精生物学等研究,并取得了可喜成就。
4 生理和生物化学方面的应用
水生动物多为变温动物,可用以研究生化与代谢过程速度加快或减慢的规律,如炎症发生时,通过降低其演变速度来研究炎症发展的步骤,降低体温,其炎症反应就减慢,因而可对生理、生化和病理现象形成新的认识;鱼生存的水环境差异很大,各种鱼类有不同的肾结构,可应用于生物医学研究,如:鱼的肾小管外植体用以研究肾小管的活体外模型,日本鱼可用于生理和胚胎研究,如: 卵表面的钙代谢研究。
5 肿瘤学方面的应用
鱼是理想的肿瘤研究动物模型,鱼体很多组织都可发生肿瘤病变,小型淡水鱼类在研究肿瘤的发生与环境之间的关系上有特殊的用途。早在1894年,Bateson 就指出: 金鱼将是实验生物学领域中很有应用价值的对象和材料;1987 年,漆畹生等用金鱼作为引癌对象,成功建立了金鱼肝脏肿瘤模型;据报道,在医学研究中还成功建立了金鱼白化病模型、鲤鱼营养性糖尿病模型、鳟鱼肝肿瘤模型、鳟鱼乳头状瘤模型、白斑狗鱼淋巴瘤模型、剑尾鱼和新月鱼的黑色素瘤模型等。
6 内分泌学方面的应用
大马哈鱼的降钙素比人体的对应物效应更强,可用作治疗人的变形性骨炎等疾病;食蚊鱼(俗称孔雀鱼) 可用于类固醇激素的内分泌研究。水生动物是实验动物“队伍”强大的“后备军”,水生动物的实验研究和应用具有良好的发展前景。