湘江铜锈环棱螺耐受铅镉的适应机制研究

发布时间：2020-07-21 22:08

【摘要】：目的:通过研究分析湘江中游沉积物中Pb、Cd的总量和赋存形态的含量,湘江底栖铜锈环棱螺体内Pb、Cd的含量与分布情况,并对铜锈环棱螺中Pb、Cd含量与沉积物中Pb、Cd含量进行关联性研究,人工对铜锈环棱螺进行Pb、Cd胁迫试验,研究重金属胁迫下铜锈环棱螺体内过氧化氢酶和超氧化物歧化酶的变化情况,同时,分离纯化铜锈环棱螺肠道内耐Pb、Cd微生物,探讨铜锈环棱螺对重金属的耐受和解毒机制,揭示铜锈环棱螺对Pb、Cd的适应机制,以期为湘江重金属污染的生物修复与治理提供理论基础和技术支持。方法:本实验野外部分,于采样点采集常年位于水面以下的位置进行沉积物和铜锈环棱螺;沉积物经过烘干、粉粹、过筛后,使用湿法消解提取重金属总量,使用改进的BCR三步连续提取法,提取沉积物中重金属不同赋存形态含量;铜锈环棱螺经过3d的纯水驯养,吐尽泥沙,外壳清理干净后,分解为壳、外套膜、内脏团、足四部分,低温烘干、碾碎,使用湿法消解提取重金属;待测液使用石墨炉原子吸收光谱法测定溶液重金属的浓度,进而得到沉积物和铜锈环棱螺中重金属的浓度;胁迫实验分为Pb胁迫、Cd胁迫和Pb-Cd复合胁迫三组,每组又分为4个浓度,同时设立纯水饲养铜锈环棱螺为空白对照组,在第0d、2d、4d、6d、8d,从三个组的每个浓度中取铜锈环棱螺,测定CAT、SOD的活性;在第0d、2d、4d、6d、8d,在Pb、Cd单因子胁迫组最大浓度(Pb浓度0.4 mg/L,Cd浓度0.04 mg·L~(-1))中取5-8枚(约20g)铜锈环棱螺,对其软体部分进行重金属的提取测定,在第8d,将Pb、Cd单因子胁迫组最大浓度(Pb浓度0.4 mg·L~(-1),Cd浓度0.04 mg·L~(-1))中的剩余铜锈环棱螺全部转移至纯水中饲养,并于第10d、12d、14d、16d、18d,取5-8枚(约20g)铜锈环棱螺提取测定其软体部分重金属含量,计算得到铜锈环棱螺对Pb、Cd的生物半衰期。结果:1.湘江中游沉积物中Pb、Cd都有一定的积累,7个采样点沉积物中Pb浓度为29.105-94.675 mg·kg~(-1),Cd浓度为2.988-13.245 mg·kg~(-1),7个采样点Pb和Cd的分布具有显著相关性(p0.01),说明个采样点的Pb、Cd的污染是一致的;对比《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018),Pb浓度已低于农用地土壤污染风险筛选值,一般可忽略其产生的影响,7个采样点Cd浓度远远超出农用地土壤污染风险筛选值,且除车江镇外的6个采样点的Cd浓度超过了农用地土壤污染风险管制值,为风险管制值的1.16-3.31倍,土壤污染风险极其严重。2.沉积物中Pb、Cd的主要赋存形态有所不同,Pb主要是以Fe-Mn氧化物结合态存在于沉积物中,在七个采样点此形态占比为53.29%-79.80%,Cd主要以可交换态与碳酸盐结合态存在于沉积物中,占比为51.28%-66.25%;一般认为交换态与碳酸盐结合态对环境产生更直接的危害,因此Cd污染要远远高于Pb污染;虽然Pb、Cd在沉积物中主要赋存形态不同,但是通过对四种形态对应的关联性分析发现,Pb、Cd的B1、B2、B3三种形态具有相关性(p0.05)。3.铜锈环棱螺体内Pb、Cd的分布具有很大的差异,Pb只在壳中检出,在其他组织器官中未检出,Cd主要分布在内脏团,七个采样点铜锈环棱螺内脏中Cd的浓度达到了12.825-34.375 mg·kg~(-1),占比40%以上,说明Pb在铜锈环棱螺体内易通过代谢进入壳中和体外,使其软体部位免受Pb累积的毒害,Cd也可通过代谢进入壳中和排出体外,但由于摄入量较高,使其无法通过代谢完全排出,从而在软体部分产生了高浓度的积累。分析铜锈环棱螺体内重金属含量,与沉积物中重金属总量和赋存形态的关联性发现,铜锈环棱螺体内的Pb、Cd与沉积物中的Pb、Cd总量和形态均无相关性(p0.05),说明铜锈环棱螺与沉积物中重金属含量存在差异性。4.铜锈环棱螺在Pb、Cd和Pb-Cd复合胁迫下,体内CAT、SOD活性都出现了显著的上升,随着时间的增加,酶活性也随之增加,且在三组各对应的低、中、中高、高4个浓度中,CAT和SOD的变化情况基本据具有一致性(p0.05),随着溶液中Pb、Cd浓度的升高,酶活性也随之升高,整体上看,酶活性上升速度Pb-Cd复合胁迫Cd胁迫Pb胁迫,说明Cd毒性要高于Pb,但在各胁迫组高浓度重金属胁迫下酶活性出现下降。表明,在一定范围内,可以通过CAT与SOD保护性酶活性的提高,以缓解Pb、Cd对螺造成的生物毒性;过高浓度的Pb、Cd胁迫下,酶活性下降,表明保护性酶活性的重金属毒性的缓解作用是有限的。5.在本实验条件下,Pb从铜锈环棱螺体内排出的表达式为C_(Pb)=e~(-0.0006t+1.0303),Cd从铜锈环棱螺体内排出的表达式为C_(Cd)=e~(-0.0005t-1.0985),从铜锈环棱螺排出Pb的生物半衰期(B1/2)为1155.245h,约为48.14d,排出Cd的生物半衰期(B1/2)为1386.294h,约为57.76d;铜锈环棱螺对Pb的生物半衰期比Cd的少9d,说明铜锈环棱螺对于Pb的代谢速率要比Cd的快,Cd比Pb更容易在铜锈环棱螺体内积累。6.铜锈环棱螺可以在高浓度Cd2+和Pb2+环境下正常存活,除了自身的代谢和耐受机制外,肠道菌群也参与其中,耐肠道中的微生物可以将一部分摄入消化道的Pb、Cd吸收,从而减少生物体对Pb、Cd的吸收,另外,微生物也会通过自身的代谢作用,改变重金属的价态,使Pb、Cd的毒性大大降低,降低了生物学吸收重金属后产生的毒性,从而保护了生物体的健康。结论:1.湘江中游沉积物中Pb、Cd重金属污染仍存在一定的生态风险,Cd重金属污染程度远远高于Pb重金属污染;2.铜锈环棱螺对Pb、Cd均具有富集和耐受能力,对Cd的富集能力远远高于Pb的富集能力;3.铜锈环棱螺在受到一定范围浓度Pb、Cd胁迫时体内的CAT、SOD的酶活性升高以降低Pb、Cd在体内产生的毒害作用。4.铜锈环棱螺对于Pb、Cd的代谢中,Cd的生物半衰期比Pb长,Cd更容易在铜锈环棱螺体内产生积累。5.铜锈环棱螺肠道菌群中存在多种耐受Pb、Cd的菌群,在Pb、Cd胁迫下可减少铜锈环棱螺受到的毒害。
【学位授予单位】：南华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X503.225
【图文】：

个取样点（图 1）。沉积物样品的采集通过无扰动重力底泥采样器~20cm 的沉积物，共采集到 21 个沉积物样品，用聚乙烯封口袋封实验室；采集到的底泥样品转移到洁净的搪瓷盘中自然风干，将沉、木屑、动植物残体等异物剔除，沉积物进行研磨处理后，样品全龙筛，用广口瓶密封保存备用[21]。在采样地同步进行铜锈环棱螺适中的成体铜锈环棱螺 50-80 枚，使用储物箱储存带回实验室，带在纯水中驯养 2~3 天，吐尽泥沙，清理干净外壳上的异物后，置于保存。

图 2 湘江中游沉积物 Pb、Cd 含量Fig. 2 Contents of Pb and Cd in sediments of the middle reaches of XiangjianRiver4.2 湘江沉积物 Pb、Cd 形态分析湘江中游沉积物典型重金属形态分布如图 3 所示。各采样点中 Pb 主要以锰氧化物结合态存在于沉积物中（56.23%~79.80%），Cd 主要是以可交换态与酸盐结合态为主存在于沉积物（51.28%~66.37%），经过统计学分析，Pb、Cd B1、B2 和 B3 三种形态分布具有相关性（p<0.05），且此三种形态与沉积物重属总量也存在相关性（p<0.05）。通常认为，可交换态与碳酸盐结合态容易被物所利用，对于环境的直接危害较大；铁锰氧化物结合态、有机物和硫化物结态在 pH、氧化还原电位、有机质含量等发生变化时可能被释放，存在潜在危害残渣态一般较稳定，不容易被利用。结合 4.1 中数据可知，湘江沉积物中 Cd 被动植物所利用，且由于 Cd 含量较高，对湘江水体和沿岸环境具有严重的生

图 4 湘江铜锈环棱螺壳中 Pb 浓度Fig.4 Pb concentration in the rusted shell of Xiangjiang copper rust表 6 湘江中游铜锈环棱螺 Cd 含量（mg·kg-1）Table 6 Cd content of rusted snails in the middle reaches of Xiangjiang River(mg·kg-1)地点 壳 内脏团 外套膜 足松柏镇 1.325±0.318 20.675±1.237 18.95±0.636 1.25±0.212车江镇 2.975±0.247 28.225±1.308 36.55±1.909 6.675±0.318东洲岛 2.9±0.212 34.375±1.450 - 5.05±0.495霞流镇 1.35±0.283 20.75±0.636 - 1.9±0.071

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本文编号：2764882