RNA‑seq技术在水生生物生态毒理学中的应用进展

水域是地球环境的重要组成部分,也是最易受污染的生态系统之一。水生态系统中不同营养级别的水生生物可通过摄食、接触等多种途径摄入水体中的污染物。因此,监测水域污染物对水生生物和生态系统的影响,解析污染物对不同水生生物的毒性机制,筛选敏感、有效的生物标志物对生态毒理学研究和环境风险评价具有重要意义。RNA测序（RNA sequencing,RNA?seq）技术因所需样品量少,且不需参考序列,可在整体水平上鉴定基因差异表达,成为水生生物生态毒理学研究的最佳方法之一。基于此,介绍了RNA?seq技术的基本流程与数据分析过程,对该技术在不同生态位的水生生物（如鱼类、两栖类、贝类、甲壳类等）生态毒理学中的应用展开综述,并对RNA?seq技术面临的不足、挑战及发展趋势进行探讨,以期为该技术在水生生物生态毒理学研究中的应用,尤其是水生态环境中污染物胁迫水生生物机制的阐明及污染水域生态环境恢复提供参考。     

环状RNA及其在生态毒理学研究中的应用进展

环状RNA（circular RNAs,circRNAs）是一类共价闭合环状非编码RNA,具有进化上保守、结构上稳定、组织特异性表达等特点。CircRNAs可作为miRNAs海绵影响其对基因的调控,还可与RNA结合蛋白（RNA binding proteins,RBPs）相互作用,也有研究表明某些circRNAs还具有被翻译成蛋白质的潜能。CircRNAs已被证实对某些疾病具有特异性、稳定性和调节功能,如癌症、糖尿病、心血管疾病、神经退行性疾病等,其可作为潜在的诊断、预后生物标志物和治疗靶点。最近,有研究发现circRNAs参与了环境化学污染物诱导的毒性效应发生及发展的过程。目前,生态毒理学研究中评价环境化学污染物和毒效应之间关系的毒性终点通常会受遗传多态性和表观遗传学影响,考虑到经环境化学污染物暴露后生物体内circRNAs差异性表达的现象,或许在生态毒理学研究中circRNAs也有作为生物标志物的可能性。基于此,对circRNAs的生物合成与降解、生物学功能、分析方法及其目前在生态毒理学研究中的应用展开综述,并对其作为分子生物标志物在环境污染物暴露早期诊断和生态风险评价中的应用进行了展望,以期为生态毒理学研究和环境风险评价提供参考。     

基于生物标志物指数法的海洋环境评价方法综述

生物标志物对化学污染物具有“早期预警”功能,在海洋环境评价中应用广泛.以生物标志物为基础的综合指数能够整合多种标志物对环境状况的响应,因而成为评价环境质量的有用工具.这些综合指数方法包括多生物标志物污染指数(MPI)、综合生物标志物响应指数(IBR)、生物效应评价指数(BAI)、生物标志物响应指数(BRI)、健康状态指数(HIS)等.本文从生物标志物指标体系确定、综合指数计算方法、污染程度分级、应用效果等方面对这些评价方法进行综述,并对基于生物标志物指数的海洋环境评价方法存在的问题和改进建议进行了探讨.     

污染胁迫下的蚯蚓蛋白质组学研究进展

随着蛋白质组学的发展和每年有大量环境污染物进入土壤环境中,污染胁迫模式动物的相关生物标志物受到日益关注。蚯蚓,作为土壤中最大的无脊椎动物,是研究和评价土壤生态污染良好的模式动物。研究蚯蚓的蛋白质组学,对于寻找环境生态污染相关生物标志物和阐明生态毒理学机制有着十分重要的现实意义。目前已知的污染胁迫下蚯蚓蛋白质组学研究,提供了几个特定污染物胁迫蚯蚓的蛋白表达谱。这些蛋白涉及许多生物学过程,例如信号传导、糖酵解、能量代谢、分子伴侣和转录调节,提示了相关污染物可能的生态毒理学机制,有望成为潜在的生物标志物,用于有毒污染物的监测,但其特异性需要进一步试验的验证。对蚯蚓受污染胁迫的蛋白质组表达谱及潜在生物标志物进行简要综述。     

环境污染物对水生生物产生氧化压力的分子生物标志物

为了能够建立一种简单、快速、准确的环境污染监测预警体系，人们进行了广泛的研究，其中有关环境污染物对分子生物标志物的影响已成为研究热点。生物体内的氧自由基和其它活性氧分子（ROS）对组织和细胞成分造成的伤害，称之为氧化压力，环境中的有毒物质能够对生物体产生不同程度的氧化压力。生物体内的强氧化剂或体外因素（如环境污染物）引起的强氧化物与抗氧化防御系统之间的平衡能够用于评估环境压力对生物体产生影响的程度，尤其适合于评估不同种化学物质引起氧化损伤的程度。这些抗氧化防御系统及其对氧化压力的敏感性在环境毒物学研究中占有非常重要的地位，大量研究结果表明：过渡金属、多环芳烃、有机氯和有机磷农药、多氯联苯、二氧芑和其它异型物质都能够对生物体产生氧化压力。这些有毒物质能够引起各种有害影响，如对膜脂、DNA和蛋白产生损伤；改变抗氧化酶的活性等。总结了这种氧化压力的研究进展情况，并讨论了这些分子生物标志物在水生生物中的应用。     

基于陆海统筹的九龙江-厦门湾海岸生态过渡带综合监测体系构建

海岸带是陆地和海洋之间的生态过渡带,生态保护和开发利用矛盾突出。而生态与环境监测是海岸带环境污染治理与生态保护的重要基础,是海岸带可持续发展的关键。在分析目前海岸带监测存在的问题基础上,以九龙江-厦门湾为研究对象,通过遥感和生物监测、标准衔接、采样和分析仪器以及在线监测系统研发等技术集成,构建了从污染源、环境质量到生态系统以及景观层次的一体化综合生态监测体系。该体系基于常规监测,建立了基于生态系统的河流-河口（近海）生物、水体和沉积物的生态环境一体化监测;探索制定了适用于九龙江河口不同盐度区的营养盐基准/标准系列推荐值;基于营养盐污染入海总量控制目标,构建了河流入海污染物通量在线监测系统;通过遥感监测和实地调查相结合,实现了从关键生态系统到景观的海岸带综合生态监测。基于综合监测体系,构建了兼顾陆海的河口湾区域生态安全评价指标体系,实现区域生态系统可持续发展或生态安全的动态评价。因此,通过上述系统的集成,成功实现了从陆域（流域）到河口（近海）一体化综合生态监测,可为海岸带地区的生态质量改善、污染防治、主要污染物排放总量控制、生态安全评价、生态保护与修复等提供科学支撑。     

动物生物标志物在土壤污染生态学研究中的应用

应用陆栖无脊椎动物的生物标志物对土壤生态系统中污染物的暴露和效应进行评价日益受到重视,并取得了显著的研究进展,文中介绍了溶酶体、胁迫蛋白和金属硫蛋白(MTs)3种主要生物标志物,体腔细胞内溶酶体膜稳定性用中性红保持时间(NRR)进行检测;胁迫蛋白类多采其中的Hsp70和Hsp60;金属硫蛋白不同同分异构体的定量分析可用于反映不同的金属污染胁迫,对3种生物标志物机理、特性、检测实例以及在污染土壤生态毒理诊断中的应用前景进行了评述。     

海洋微塑料污染的生态效应研究进展

海洋微塑料污染已成为全球性环境问题。微塑料粒径小,易与海洋生物发生相互作用,可通过多种途径进入海洋生物体内,并在其组织和器官中蓄积和转移,对机体产生毒害。微塑料可沿食物链进行传递,威胁海洋生态系统的健康与稳定。因此,海洋生物与微塑料的相互作用以及海洋微塑料污染的生态效应成为当前研究的热点。综述微塑料的生物附着、生物摄入、对海洋生物的毒性效应及其与化学污染物的复合毒性效应研究的基础上,提出未来微塑料生态效应研究应重点关注我国海洋环境中微塑料的污染现状及生物摄入状况、微塑料的生物效应及其毒理学机制研究、微塑料与其他污染物的复合效应、以及微塑料在海洋生态系统中的作用及其生物地球化学行为等。     

稳定性同位素探测技术在微生物生态学研究中的应用

稳定性同位素标记技术同分子生物学技术相结合而发展起来的稳定性同位素探测技术（stableisotope probing,SIP）,在对各种环境中微生物群落组成进行遗传分类学鉴定的同时,可确定其在环境过程中的功能,提供复杂群落中微生物相互作用及其代谢功能的大量信息,具有广阔的应用前景.其基本原理是：将原位或微宇宙（microcosm）的环境样品暴露于稳定性同位素富集的基质中,这些样品中存在的某些微生物能够以基质中的稳定（性同位素为碳源或氮源进行物质代谢并满足其自身生长需要,基质中的稳定性同位素被吸收同化进入微生物体内,参与各类物质如核酸（DNA和RNA）及磷脂脂肪酸（PLFA）等的生物合成,通过提取、分离、纯化、分析这些微生物体内稳定性同位素标记的生物标志物,从而将微生物的组成与其功能联系起来.在介绍稳定性同位素培养基质的选择及标记方法、合适的生物标志物的选择及提取分离方法的基础上,举例阐述了此项技术在甲基营养菌、有机污染物降解菌、根际微生物生态、互营微生物、宏基因组学等方面的应用.     

细胞凋亡相关的组合生物标志物的分子基础及其在环境毒理学中的意义

生物标志物(Biomarker)可以反映机体接触外来化学物后出现的细胞、生物化学或分子生物学改变,或个体对外来因素产生反应的易感性,因此,生物标志物作为指标具有早期预警作用,在生态毒理学、环境毒理学及流行病学研究中都受到极大的重视[1—6]。生物标志物被用于污染物影响的早期     

Whaleworms as a tag to map zones of heavy-metal pollution

Biological monitoring refers to the use of living organisms to evaluate environmental conditions. Of particular relevance to the health of marine ecosystems is the improvement of methodologies of biological monitoring to provide highly ecologically sensitive indices of exposure. We have shown that anisakid nematodes, a parasite group widely distributed in oceans that infects a wide range of host species, can accumulate essential and non-essential metals to levels far in excess of their host tissues. The fact that they could be used as biomarkers of trace-metal contamination in studies of environmental impact suggests a potential use as a monitor species in a marine ecosystem under anthropogenic stress because they might produce a warning or alert signal of high ecological relevance.     

HSP70 heat shock proteins and environmental stress in Antarctic marine organisms: A mini-review

The ability to understand and predict the effects of environmental stress on biodiversity is becoming increasingly important in our changing environment. Antarctic marine species are some of the most stenothermal on the planet and many inhabit the waters off the Antarctic Peninsula which is one of the areas where there is rapid regional climate change. Therefore these animals are highly vulnerable to changing environmental temperatures and clearly we need to understand the complexities of their response, not just at the individual species level, but also the implications for the ecosystem as a whole. Heat shock proteins have a long history of use in studies of organism stress responses and have frequently been proposed as potential universal molecular biomarkers, especially for non-model species. In this mini-review, the heat shock response and heat shock proteins (specifically the HSP70 family) are examined in Antarctic marine species alongside their physiological capabilities and limits to answer a series of questions: do these animals have a heat shock response which includes the expression of HSP70 genes? What is the relationship between their heat shock response and physiological capabilities? Can HSP70 genes be used as molecular biomarkers for these species?     

From fronds to fish: the use of indicators for ecological monitoring in marine benthic ecosystems,with case studies from temperate Western Australia

Ecological indicators are used for monitoring in marine habitats the world over. With the advent of Ecosystem Based Fisheries Management (EBFM), the need for cost effective indicators of environmental impacts and ecosystem condition has intensified. Here, we review the development, utilisation and analysis of indicators for monitoring in marine benthic habitats, and outline important advances made in recent years. We use the unique, speciose benthic system of Western Australia (WA) as a detailed case study, as the development of indicators for EBFM in this region is presently ongoing, and major environmental drivers (e.g. climate change) and fishing practices are currently influencing WA marine systems. As such, the work is biased towards, but not restricted to, indicators that may be important tools for EBFM, such as biodiversity surrogates and indicators of fishing pressure. The review aimed to: (1) provide a concise, up-to-date account of the use of ecological indicators in marine systems; (2) discuss the current, and potential, applications of indicators for ecological monitoring in WA; and (3) highlight priority areas for research and pressing knowledge gaps. We examined indicators derived from benthic primary producers, benthic invertebrates and fish to achieve these goals.     

生物标志物及其在生态系统研究中的应用

生物标志物是环境和地质体中记载着原始生物母质分子结构信息的有机化合物, 其含量可以指征特定生物来源对天然有机质的相对贡献, 其组成和同位素信息还可以记录有机质的转化及环境信息。与传统元素及组分分析相比, 生物标志物为研究天然有机质的来源、动态变化和转化特征提供了具有高度专一性和灵敏度的工具, 因此, 近年来被广泛地应用于生态学和生物地球化学研究中。特别是, 与生态系统观测以及控制实验相结合, 生物标志物在揭示微生物的活性与碳源变化、土壤有机碳的稳定机制及其对全球变化的响应等方面显示了广阔的应用前景。近些年开发的生物标志物单体同位素分析也在生态系统碳氮周转与食物网研究等方面显示了巨大的研究潜力。基于此, 该文综述了生态系统研究中常用的生物标志物的种类、分析方法和应用方向, 总结了生物标志物研究目前存在的问题, 并对未来的研究方向进行了展望, 旨在为使用生物标志物的生态学和环境科学研究者提供参考。     

基于复合生态系统理论的海洋生态监控区区划指标框架研究

海岸带是海陆生态系统的交错带,其生态系统对社会经济发展和全球变化敏感、脆弱。随着沿海各省市新一轮开发规划的实施,近岸海域生态环境面临巨大压力,海洋生态管理面临着新的经济、环境问题,海洋生态监控区需要进行适应性调整。海洋生态监控区,指依据海洋生态特征和问题冲突特点而确定的、通过生态监测和评价而提出的用于保护管理和开发利用调控的海洋区域。海洋生态监控区是基于生态系统的海洋管理的重要手段,是海洋生态系统管理的重要基础。基于复合生态系统理论,从自然视角、经济视角和社会视角3个方面深入分析了海洋生态重要性区域的内涵,并结合生态社会与生态系统服务描述了海洋生态监控区内涵;结合沿海社会经济发展新趋势和海洋生态系统管理需要,从管理学、生态学、管理对象及管理实施等方面探讨了海洋生态监控区区划的原则;分析了影响海洋生态监控区的主要因素,结合近岸海域生态系统主要服务功能,构建了区划指标体系,包括自然环境、生态系统和社会经济和三大方面14个指标。     

近十年中国海洋生物多样性研究进展

本文系统地总结了近10年中国研究人员在遗传、物种、生态系统3个层次上对海洋生物多样性研究的重要进展, 并使用VOSviewer软件对近10年中国近海生物多样性的研究成果进行文献计量分析。近年来, 中国研究人员借助新的研究方法和手段, 比如分子生物学和流式细胞术等, 可以在物种多样性水平进行更准确和快速的分类鉴定, 借此在中国近海发现了较多新的物种; 通过多学科交叉融合, 更多的是在生态系统水平探讨海洋生物多样性, 也为今后海洋生态系统的修复提供了科学依据。目前中国的海洋生物多样性研究紧跟国际科技前沿和步伐, 在深海、海山和极端环境生物类群等新兴领域有了长足发展, 新物种的发现不断更新了原有认识, 对典型海洋生态系统的监测和部分入侵物种的整治有了长足的进步。中国近海生物多样性高, 监测数据全, 通过整合空间数据资料和时间序列变化, 进行更广更深的宏观生态模式分析研究十分必要。通过探究生物多样性的多重胁迫因子及其交互作用, 可为优化海洋生物多样性的保护和管理提供帮助。     

Cumulative biomass curves describe past and present conditions of Large Marine Ecosystems

Implementing the Ecosystem Approach in marine ecosystems is moving from preliminary steps—dedicated to defining the optimal features for indicators and developing efficient indicator frameworks—towards an operational phase where multisector marine management decisions are executed using this information. Within this operational context, emergent ecosystem properties are becoming quite promising as they have been demonstrated to be globally widespread and repeatable, and to be quite effective in detecting significant state variations of complex systems. Biomass accumulation across TLs (CumB‐TL) combines two important emergent properties of an ecosystem (energy flow, in terms of transfer efficiency, and storage, expressed as biomass), both amenable to detecting rapid ecosystem change. However, for further application, it is crucial to understand which types of drivers an indicator is sensitive to and how robust it is in relation to modifications of the external conditions and/or the system state. Here we address some outstanding questions of these CumB‐TL curves related to their sensitivity to various drivers by carrying out a global scale assessment (using data from 62 LMEs) over six decades (1950–2010). We confirm the consistency of the S‐pattern across all the LMEs, independent from latitude, ecosystem, environmental conditions, and stress level. The dynamics of the curve shape showed a tendency to stretch (i.e. decrease of steepness), in the presence of external disturbance and conversely to increase in steepness and shift towards higher TL in the case of recovery from stressed conditions. Our results suggest the presence of three main types of ecosystem dynamics, those showing an almost continuous increase in ecological state over time, those showing a continuous decrease in ecological state over time, and finally those showing a mixed behaviour flipping between recovering and degrading phases. These robust patterns suggest that the CumB‐TL curve approach has some useful properties for use in further advancing the implementation of the Ecosystem Approach, allowing us to detect the state of a given marine ecosystem based on the dynamics of its curve shape, by using readily available time series data. The value of being able to identify conditions that might require management actions is quite high and, in many respects, represents the main objective in the context of an Ecosystem Approach, with large applications for detecting and responding to global changes in marine ecosystems.     

海洋外来物种入侵生态学研究

海洋外来物种入侵已成为最为严重的全球性环境问题之一。海洋生态系统类型多样、环境复杂,其生物入侵的监测、控制与管理难度相对较大。我国对陆地外来生物的入侵已开展了较为深入的研究,但对于海洋外来生物的入侵研究仍处于起步阶段,对其入侵监测、入侵机制、入侵危害的程度以及防治等问题缺乏基础数据。本文在分析国内外海洋外来生物入侵现状的基础上,概述其入侵生态学研究形势及相关成果,包括海洋外来物种的入侵途径、入侵过程、入侵生态效应以及全球变化对入侵的影响等。海洋外来生物的入侵可能对海洋生态系统造成直接或间接的影响,如种间竞争破坏生态环境、与土著种杂交造成遗传污染、病原生物及有毒藻类导致海洋生态灾害加剧等。此外,从政策和法规、入侵风险评估、监测和公共宣传教育、生物信息系统和有效管理机制等方面提出对我国海洋外来物种入侵的防治策略。本研究为我国海洋外来物种的进一步研究提供了参考。