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生物计量是计量学的一个新的分支，主要以生物体内的分子为研究对象，通过研究制定核酸、蛋白、生物活性成分、代谢产物等物质的检测标准，指导环境、临床、医药等行业内相关物质的分析和检测工作。随着生命科学的快速发展，生物计量已经在环境科学领域得到了广泛的应用，特别是在环境污染的监测和治理方面，生物计量的重要作用正逐步显现。
一、环境污染监测与生物计量
1.环境生物污染监测与评价
环境生物污染是指由于人类生产和生活活动造成的环境中的生物体及其代谢物污染环境介质，进而影响人群健康。环境中的生物污染物主要是微生物，包括细菌、真菌、放线菌、寄生虫、藻类等及其毒素。生物污染可以发生在不同的环境介质中，如空气、水体、土壤等。不同介质所发生的生物污染由于其侵入人体的途径不同、生物体种类不同，因此引起的健康危害也不同。空气中的微生物多数是借助土壤以及人和生物体传播，或借助大气飘浮物和水滴传播。地面的微生物、大气中飘浮的微生物均可进入水中而污染水体。
如何准确测定有害微生物的种类和数量是解决问题的关键，而生物计量恰恰是解决这一问题的一把钥匙。通过研究建立有害微生物的计量学标准，可为常规生物污染物的分析提供数据支持。例如，对于空调冷却水中军团菌含量的检测，需要分离培养、革兰氏染色、生化试验、PCR分型等程序，需要的检测用计量标准有24种40个血清型及亚型。同样，对于生物污染分析检测的经典生物技术监测方法有:利用细菌总数及粪便污染指示菌监测水质；Ames实验检验物质致突变性与致癌性；用发光细菌快速检测环境毒物；通过测定水中藻类的生物量来进行水质监测或物质的霉性检测中无不需要生物计量标准的支持，生物计量是生物污染检测结果准确度的基石。蛋白质、核酸、代谢物、细胞和微生物是环境污染监测和控制的主要生物计量内容。
2.蛋白质分析与环境污染监测
(1)金属硫蛋白(Metallothionein，MT)
金属硫蛋白是1957年Margoshes和Vallee从动物器官分离出的一种蛋白质，它含有丰富的巯基，能螯合大量的金属离子。MT可作为重金属污染物、潜在重金属污染暴露和毒性效应早期预警的主要生物标志物，以及作为环境中重金属污染胁迫与风险评价以及监测的分子生态毒理学诊断指标，通过对于MT浓度的有效检测比采用单一的重金属为评价指标更为科学。目前，MT的检测技术主要包括金属亲和分析法、电化学法、免疫法、色谱分析法和MT-mRNA半定量及定量分析法，鉴于MT检测方法各不相同，检测准确度也就各有差异，导致检测结果之间往往很难直接进行比较。因此，研究MT标准物质和高准确度的计量学方法将是环境重金属污染监测的重点，而这恰恰是蛋白质计量的主要工作内容。
(2)热反应休克蛋白(Heat Shock Protein，HSP)
热反应休克蛋白又称应激蛋白，是机体细胞在一些理化因素刺激后高效表达的一组蛋白质，因最先发现于果蝇唾液腺的热应激反应中而得名，此后的研究表明，热休克蛋白广泛存在于人、动物、微生物和植物的细胞中，是一类在遗传上高度保守的分子，能保护细胞并促进细胞对各种刺激所造成的损伤进行自身修复，具有重要的生物学功能。在一些应激原(如环境高温、缺氧、重金属中毒、氧化应激、感染、饥饿、创伤、代谢毒物等条件)诱导下，HSPs基因激活，热反应休克蛋白被高效表达。应急蛋白是环境压力促使特定基因表达的产物，是细胞保护机制的重要部分，近年来被广泛用于环境污染的早期预警指标，五砷酸、重铬酸盐、铜离子污染的指示因子。蛋白计量就是要研制出热反应蛋白的检测标准，最终指导环境中热反应蛋白的准确测定。
3.核酸计量与环境污染监测
正常条件下生物体内的基因组是稳定的，但在环境污染条件下，其DNA容易遭受伤害，主要损伤形式为:碱基改变、脱碱基位点、碱基错配、插入或缺失片段、嘧啶联合、DNA加合物、DNA链断裂、甲基化损伤、DNA链内和链间交联等。DNA与化学物之间的作用反映了化学物环境污染物的程度。
(1)DNA加合物计量
外界物质进入生物体后，经过生物体内酶作用，转化形成亲电活性中间产物，该产物与DNA链上的特异位点相结合形成的共价化合物为DNA加合物。DNA加合物，是化学致癌、致突变过程启动的关键步骤。所以，DNA加合物是一项用来评价环境化学污染的参数，是生物分子标志物研究的重要内容之一。目前，对DNA加合物进行检测的主要方法有免疫化学检测法、荧光测定法、色谱一质谱法、核磁共振法、序列测定法、32P后标记等。DNA加合物是一类极其重要的生物标志物，可以作为接触(暴露)生物标志物，反映污染物到达靶位的实际接触剂量，为监测及分析环境化学污染物的暴露提供有效的手段。
(2)单细胞凝胶电泳测量
单细胞凝胶电泳(single cell microgel elect rophoresiss，SCGE)又称彗星实验(comet assay)，是近年来发展起来的检测单细胞水平DNA损伤的新技术。由于SCGE具有简便、快速、需样品量少、对环境污染物和致癌剂的检测谱宽、灵敏性高等优点，其应用日益广泛。兆利等以鲤鱼肾细胞为材料，发现了喹乙醇和土霉素均能引起鲤鱼肾细胞DNA的明显损伤，并呈现出剂量-效应关系，类似的结果在放射性核素、苯、铅等污染物中也得到了证实。
4.代谢物计量检测与环境污染监测
在环境科学研究方面，代谢组学方法主要用来研究及阐明生物体对于有毒化学物质暴露后所产生的生理生化反应，用于对环境化学产品长期作用机制的评价，其指标可以作为全球现有化学制品混合物安全性监测的合理标准，代谢产物水平可反映机体代谢能力，可为特异性损害或损伤诊断提供有效的指标。美国国家环境卫生研究中心已开展了潜在的环境输入与疾病之间相互影响的代谢组学研究。穆景利等开展了鱼类胆汁中PAHs代谢产物与海洋环境污染之间的关系研究表明，胆汁PAHs代谢产物不仅可以用来评价环境中PAHs污染情况，研究PAHs在鱼体内的代谢转换机制，生物体代谢过程中的生物标志物可以被用来定量衡量生物体的被污染程度，因此，测定生物标志物对一系列环境刺激的应答对生态风险评价具有重要的意义。Bundy等利用代谢组学方法研究了被污染的土壤对于蚯蚓的影响，他们利用1HNMR波谱考察了不同毒性物质暴露时蚯蚓代谢的变化，结果表明有毒化学物质的变化同样可以引起蚯蚓体内的代谢模式不同。
5.细胞计量与环境污染监测
环境污染物的积累、代谢和毒性都是在细胞中发生作用的。细胞溶酶体胀大、溶酶体膜不稳定是污染在细胞水平上的生物标志物。溶酶体大小与环境污染程度有对应关系，软体动物消化细胞中溶酶体胀大幅度已作为监测环境胁迫的标志物。溶酶体体积变化也是世界卫生组织(WHO)和粮食及农业组织(FAO)用来评价环境质量的方法之一。红细胞微核及核异常测定是一种简便、迅速、灵敏的遗传毒理学测定方法
Hooftman最早将微核测定法应用于鱼类，证明化学诱变剂加基磺酸乙酯能诱发泥荫鱼外周血红细胞微核的形成。肝胰腺细胞、粘液细胞主要用于监测陆生腹足类的生存环境。当陆生腹足类动物暴露于重金属污染的环境之后，肝胰腺中重吸收细胞和嗜碱性细胞表现出最明显的剂量-反应关系，被认为是环境污染的监测细胞，而在蜗牛的皮肤和肠中，粘液细胞则对杀软体动物剂有较灵敏的反应。近年来，细胞作为监测环境中诱变剂、氟化物、农药、除草剂等化学试的一种有效手段得到了深入的研究，细胞形态学计量标准研究为环境污染的监测提供了一种行之有效的生物学方法。
二、环境污染治理与生物计量
基因工程作为改造自然的一种手段得到了大量的应用和发展。基因工程技术在环境污染物处理中的应用，主要是应用改良后的基因工程菌处理污染物。如采用改造后的基因工程菌可以降解卤代芳烃、农药、纤维素废料，处理石油污染降解塑料污染等。改造后的耐辐射球菌(Deinococcus radiodurans)在放射性废料污染环境方面显示了美好的应用前景。采用生物基因工程手段处理环境污染主要优点有:集中及创造目的基因，提供综合性代谢新污染物的通路和杂种细胞；针对新的污染物，通过改变控制降解途径的限制性步骤，提高分解代谢酶的合成或其他生化反应过程效率。生物计量在关键基因的发现过程中起重要的作用，在功能基因的评价、检测等方面生物计量通过对于测量标准物质和标准方法的控制，可以提高功能基因的开发效率。同时通过对于目标基因的计量监测可以为基因工程菌环境释放的安全性提供基础数据。
三、展望
生物计量标准以其独特的在整体水平上研究生命现象的特点，被引入环境污染监测和污染机理研究中，在环境生物学和生态毒理研究中发挥着越来越重要的作用。原有的一些对环境或生物体内污染物含量进行定量监测方法无法反映这些污染物对生物的效应。生物计量监测标准则是从整体、从分子水平上对于显示污染的一个真实的反映，对于生物指标的分析，揭示的不仅仅是单一指标，更多的是一种协同作用，因此也就更加符合实际。因此，有理由相信随着生物技术的迅猛发展，生物计量标准物质和标准方法也将不断地完善，必将越来越广泛的应用于环境污染物的监测和生态修复过程。
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