斑马鱼及其在环境保护中的应用

                                           刘在平 张松林
                         (西北师范大学地理与环境科学学院, 甘肃 兰州 730070)
 
   摘要：斑马鱼最早是作为胚胎发育生物学和遗传学的实验动物模型，被广泛地运用于早期胚胎发育基因表达调控的研究。近几年，随着对斑马鱼了解的日趋深入，其在环境保护中的应用也越来越为人们所重视。本文主要介绍了斑马鱼的概况及其在水源监测、环境激素检测、环境评价等环境领域中的应用。
    关键词：斑马鱼;环境保护;应用
    1斑马鱼概述　　
    1.1简介　
    斑马鱼（Danino rero，zebrafish），又名斑马担尼鱼（Brachydanio rerio）、蓝条鱼、花条鱼、印度斑马鱼等。原产于亚洲的印度东部、巴基斯坦、缅甸以及孟加拉国的小溪、稻田及恒河中游地区，是一种常见的热带鱼。
    1.2 特征和品种
    成年斑马鱼体长4~6厘米，头稍尖，眼大，口上翘，身体呈纺锤形，尾部稍扁。尾鳍长呈叉形，背、臀鳍位置偏后。背部橄榄色，体侧从鳃盖后直伸到尾末有数条银蓝色纵纹，臀鳍部也有与体色相似的纵纹。雄鱼为深蓝色间柠檬色纵纹，身体纤细；雌鱼是蓝色纵纹加银灰色纵纹，身体比雄鱼粗壮，腹部大[1]。 其性腺发育具有特殊性。在孵化后10~12d，无论其基因型决定的是雌或雄，它们的性腺都会先发育成卵巢，直到孵化后23~25d后，性别分化开始启动。一半的鱼将继续其卵巢发育，另一半鱼的卵巢开始退化，并逐渐转化成睾丸。在孵化后40d性别逆转过程基本完成，60d性腺成熟。
    斑马鱼的品种有10多个，主要有长鳍斑马鱼、金丝斑马鱼、豹纹斑马鱼、彩虹斑马鱼、

    基金项目：甘肃省教育厅基金项目(0801－08)；甘肃省自然科学基金(2007GS03614)和甘肃省重点学科生态经济学资助。
    闪电斑马鱼、大斑马鱼等[2]。
    1.3习性
    斑马鱼性情温和，活泼好动，几乎终日在水族箱中不停地游动。喜酸性水，适宜水温250C~310C，是热带鱼中既耐寒（100C）又耐热（400C）的鱼种。喜欢结群在上层水域活动觅食。它不攻击其他鱼，可以混养[2]。
    1.4养殖
    1.4.1一般养殖方法
    通常可用45L的玻璃箱，每箱中养殖成鱼25尾左右，控制水温为28.50C左右，超出一定范（250C~310C）斑马鱼可能会出现畸形或不能繁殖。每天换水1/3，可不使用滤水设备；如使用滤水设备，也要每周至少换水1/2。同时将水加热到所需温度。成年斑马鱼每天要喂2次，每次喂食后吸出玻璃箱中的残饵和粪便。饲养时，可在箱底放些鹅卵石，使水质清澈。
    1.4.2饵料及投喂
    斑马鱼对饲料要求不高，人工饲料及各种活饵料均能很好地利用。为了保持斑马鱼较好的繁殖和生长条件，最好使用多种饵料结合投喂。人工饵料可用颗粒、片状或粉末状的。每次不能投喂太多，以所有饲料可在5min之内被吃完为好。繁殖的成鱼最好投喂优质的活饵料，如丰年虫幼虫及成体、水蚤、果蝇幼虫和水丝蚓等。
    1.4.3养殖用水
通常情况下，成鱼可以养殖于淡水中，但斑马鱼往往偏爱软质老水，换水之后注入些雨水或蒸馏水更好。但繁殖时胚胎发育及幼鱼对水质条件的要求稍高。如孵化或养殖用水不合适可能造成鱼发育不良、对疾病的抵抗力下降以及失去繁殖能力等。一般情况下，自来水经曝气、过滤处理1d以上即可用于养殖。
    1.5繁殖
    以5月龄斑马鱼繁殖为好。繁殖用水要求pH6.5-7.5，硬度6-8。因自食其卵，所以繁殖缸中除布金丝草外，还可放些玻璃珠、小卵石或铺一层尼龙网，卵产出后即落入网下面或散落在小卵石的空隙中。斑马鱼在繁殖时通过光周期14:10（即光照14h，黑暗10h）进行，一般晚上在水族箱中放入等量的健康雌雄鱼或雌雄1：2，在第二天9~11时产卵结束。亲鱼产卵后应立即捞出，另缸饲养，过3~7d又能产卵。除了自然产卵，也可进行人工受精。
    2. 斑马鱼在环境保护中的特有应用
    斑马鱼最早被运用于发育生物学和遗传学实验。自20世纪70年代末期，国外运用其进行化学物的毒性研究。近年来，国内外开始运用斑马鱼以及转基因斑马鱼进行环境物检测，尤其在环境激素、水质等方面。
    2.1 在环境激素测试中的应用
    环境雌激素是激素类物质，它会影响生物的内分泌系统、免疫系统、神经系统、生殖和发育[3]，还有致癌作用[4]。当其进入环境后，必然对生物产生有害影响。因此有必要对其进行监测，以确保环境的安全性。
    已知的环境激素结构多样, 并有新的不断出现，这表明单从分子结构上已很难预测其干扰能力，需要借助新的技术。有研究表明，斑马鱼可成为测试环境激素的一个模型。将斑马鱼暴露在相对较低浓度的环境激素中，就会发现其性腺发育中出现了性别干扰和反转现象。如将斑马鱼暴露在17α-乙炔雌二醇( EE2) 中, 浓度低于1ng•L-1 时已出现了性别比例的变化[5]。Olsson 等[6]和Kime 等[7]将成年雌鱼暴露在17β-雌二醇（E2）和EE2中，发现其产下的胚胎发育受到抑制。另外，斑马鱼在一些多氯联苯（PCBs）及其代谢物、邻苯二甲酸-二- 2-乙基己基酯( DEHP) 等雌激素类化合物中，也发现了类似的影响[8]。
    天然雌激素较少, 雄斑马鱼和其幼鱼血浆卵黄蛋白原(VTG)水平很低，当其体内的VTG浓度增高时，表示存在着外源性雌激素。因此，通过测试斑马鱼体内VTG浓度高低，可推知环境中有无激素类物质，以便作出相应措施。
    2.2 在水质检测中的应用
    随着产业的发展，水污染问题越来越严重，并威胁着人们的身心健康。对水域污染进行检测并全面了解水污染情况是解决水源污染问题的首要前提。以前人们一直用理化方法进行检测，但该方法速度慢，误差大。而利用斑马鱼检测水质的变化，可谓是水域污染的“活检测器”。与理化分析手段相比，能更快速、真实、直观和直接反映水污染的客观状况[9]。潘力军等[10]检测被农药污染的饮用水和地表水源水, 在测试过程中发现,斑马鱼对两种农药具有较高的灵敏性,最低可以达到微克，而且速度快。随后他们[11]又用斑马鱼对几家乡镇皮革厂经过简单沉淀池处理的综合废水和某小区生活污水进行了检测。结果表明，斑马鱼可以灵敏、价廉和快速地检测工业废水和生活污水的毒性。
    解决水污染问题的根本方法不是关闭供水源，而是采取措施避免污染，这样就需要一种灵敏的检测系统，一旦有微量的有毒、有害物进入水源中就会立刻发出警报。转基因技术推动了生物“环保哨兵”的飞速发展，斑马鱼是这些生物“环保哨兵”中业绩最为突出的动物之一。宋后燕等[12]成功培育了一种可直观监测水环境雌激素污染的F1代转基因斑马鱼。这种鱼能直观、灵敏、特异、快速地显示水环境中雌激素类物质污染，即便水中环境雌激素污染达到极微量程度，转基因斑马鱼的肝脏也会发射绿色荧光。
    Carvan等[13]运用转基因斑马鱼的某些效应元件来显示其接触了特定污染物。当这些效应元件遇到其敏感的污染物时，就会被激活。转基因斑马鱼的DNA片段有芳香烃、亲电子物质、金属以及雌激素的效应元件。每个效应元件结合一个报告信号，如荧光素酶基因或绿色荧光蛋白或转红色荧光蛋白。因此，当水体中存在芳香烃、金属或其他有害化学物时，其相应效应元件因接触到敏感的有害物质而被激活，并相继激活与之结合的报告信号，从而使其发出荧光，以提示水体中存在特定毒物。美国克蒙特县的前环保顾问保罗•拉赛尔曾说过，这种发光的转基因斑马鱼可以成为名副其实的“生态灯泡”，充当成千上万个受垃圾堆威胁的饮水源的“哨兵”。并且这种鱼比起那些极其复杂而且耗费巨大的实验系统来说，对于污染的反应还要敏感得多。为此这种转基因斑马鱼可作为检测工业、市政废水以及垃圾沥出液中有害物质的敏感标志物。
    2.3评估环境中化学物质的毒性
    目前，在美国化学文摘中登记的化学物质已超过2000万种，其中有数万种通过生产、使用等途径进入人们生活的各个方面，严重地影响了人们赖以生存的环境和劳动卫生条件。随着环保工作的日益加强，在生产、应用或排放每种化学物质时，就要详细了解有关物质的毒性数据，而数据的得来就需要有试验动物模型，斑马鱼可谓是首选。
    赵春青等[14]以斑马鱼为试材,采用半静态法在室内测定了10种不同类型农药对斑马鱼的毒性，并对其进行了安全评价。根据96h的LC50值,25%氟虫腈悬浮剂和8%精喹禾灵微乳剂对斑马鱼高毒;10%吡唑草胺乳油、5%己唑醇悬浮剂、40%乙草胺可湿性粉剂、30%三环•异稻可湿性粉剂和65%噻嗪酮可湿性粉剂对斑马鱼毒性中等;25%甲霜•霜霉威可湿性粉剂、300g/ L双酰草胺乳油和35%吡•异可湿性粉剂对斑马鱼低毒。该研究不仅为药剂的安全合理使用提供了科学依据，而且也为环境保护提供了宝贵的参考资料。无独有偶，赵于丁等[15]也采用同样方法测定了其他10种农药对斑马鱼的毒性,并根据《化学农药环境安全评价试验准则》中农药对鱼类的毒性等级划分,评价10种农药对鱼类的安全性。结果表明:有2种药剂96h LC50<0.1 mg/L,属于剧毒级;5种药剂的96h LC50为0.1~1.0 mg/L,属于高毒级;1种药剂的96h LC501.0~10 mg/L,属于中毒级;2种药剂的96h LC50>10 mg/L,属于低毒级。
    由此可见，斑马鱼作为一种模式生物，可敏感地对环境污染物进行评估。
    3 展望
    斑马鱼的特性决定了其在环境保护中的独特应用，尤其是在生物技术的发展上，推动了生物“环保哨兵”的创建。利用斑马鱼及转基因斑马鱼对污染物等进行直观快速的监测再次掀起了其在环境保护中的高潮。随着研究的深入，相信其在环境保护领域中将会发挥更大的作用。

    参考文献：
    [1]唐复安. 热带鱼观赏与养殖(第二版)[M]. 北京：海洋出版社, 1990:46.
    [2]凌熙和,潘秋芬. 观赏鱼热线[M]. 北京：农村读物出版社, 2004:174.
    [3]杜克久,徐晓白. 环境雌激素研究进展[J].科学通报, 2000,45(21):2241-2251.
    [4]Matthew E,Yan Tang,Bring M,et al. effect of environmental estrogens on tumor necrosis factor-mediated apoptosis in MCF-7 cell[J]. Carcinogenesis,1999,20(11):2057-2061.
[5]Lye C M, Frid C L J , Gill M E, McCormick D. Abnormalities in the reproductive health of flounder Platichthysflesus exposed to effluent from a sewage treatment works [J]. Marine Pollution Bulletin,1997,34( 1) : 34- 41.
    [6] Olsson P E, Westerlund L, The S J , Billson K, Berg A H,Tysklind M, Nilsson J , Eriksson L O, Hinton D E.. Effects of maternal exposure to estrogen and PCB on different life stagesof zebrafish ( Danio rerio) [ J] . Ambio, 1999,28(1) : 100-106.
    [7] Kime D E, Nash J P. 1999. Gamete viability as an indicator of reproductive endocrine disruption in fish [J] . Science of the Total Environment ,1999,233( 1- 3) :123- 129.
    [8]Holm G, Hallden T, Norrgren L. Reproductive effects of di-2-ethylhexyl phthalate ( DEHP) on zebrafish, Brachydanio rerio[J].Marine Environmental Research,1995 39(1-4):357- 358.
    [9]李伟. 斑马鱼急性毒性试验在工业污染源监测中的应用[J]. 辽宁城乡环境科技,2001,21(2):36-37.
    [10]潘力军,高世荣,宋瑞金等. 应用斑马鱼对农药污染的饮用水和地表水源水毒性快速检测[J]. 中国卫生检验杂志,2007,17(1):4-5,25.
    [11]潘力军,高世荣,孙凤英等. 应用大型水蚤和斑马鱼对几种工业废水和生活污水的毒性监测[J]. 环境科学与管理,2007,32(2):180-183.
    [12]孙国根. 用转基因斑马鱼监测环境污染 该成果可作为水环境雌激素水平“生物标”[N]. 健康报, 2007-01-12第002版.）
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    [14]赵春青,钱坤,李学锋等. 不同类型农药对斑马鱼的急性毒性与安全评价[J].安徽农业科学,2008 ,36 (34) :15027 – 15028.
    [15]赵于丁,徐敦明,刘贤进,范青海. 10种农药对斑马鱼的毒性与安全评价[J].安徽农业科学，2007,35(22):6801-6802.