海水酸化条件下纳米二氧化钛对厚壳贻贝的生态毒性效应研究

发布时间：2020-08-05 22:17

【摘要】：随着沿海地区经济建设的快速发展和城市化水平的不断提高,来自工业、农业和日常生活的各类污染物会不可避免地汇入海洋,导致海洋成为几乎所有污染物的终极“汇”集地。纳米二氧化钛是应用广泛且毒性较低的纳米材料之一,它极易在水环境中凝聚并沉积到泥沙表面。因此与其他生物相比,生活在潮间带的滤食性贝类暴露在纳米粒子中的风险更高。除此之外,全球气候变化导致海洋生态系统正面临着多重环境胁迫,海洋酸化是其中之一。鉴于pH值是影响纳米颗粒分散和聚集行为的关键因素之一,且海水酸化与纳米二氧化钛污染同时存在于自然界中,因此阐明纳米颗粒在海水酸化条件下对海洋生物的复合生态毒性效应刻不容缓。本研究以典型沿海经济贝类——厚壳贻贝Mytilus coruscus为研究对象,基于生态毒理学方法,首次系统地揭示了厚壳贻贝在海水酸化条件下应对纳米二氧化钛污染的生理适应机制,为科学评估纳米颗粒的海洋环境风险提供了理论依据。厚壳贻贝于不同粒径(25 nm和100 nm)和浓度(0.1,1和10 mg L~(-1))纳米二氧化钛溶液中连续暴露21天后,采用流式细胞仪(Flow Cytometry)检测厚壳贻贝血淋巴细胞免疫参数的变化。在整个实验中,随着纳米二氧化钛粒径的减小和浓度的增加,贻贝总细胞数目、吞噬活性、非特异性酯酶活性、溶酶体含量、线粒体含量和线粒体膜电位大体呈现降低趋势,而细胞死亡率和活性氧产量则受到明显诱导。进一步的分析结果表明,小粒径(25 nm)纳米颗粒在高浓度(10 mg L~(-1))暴露条件下对大多数血细胞参数均具有明显的协同作用。通过加富CO_2的方式模拟并分析了在未来海洋酸化(pH 7.3)情况下,不同浓度纳米二氧化钛(25 nm,2.5和10 mg L~(-1))的14天连续室内养殖对厚壳贻贝个体能量代谢的影响。研究发现,纳米二氧化钛对机体清除率、吸收率、耗氧率和氧氮比的抑制效应要显著高于酸化(pH 7.3),而排氨率和粪便有机物比例的变化趋势则刚好相反。在暴露后期,酸化(pH 7.3)会加剧纳米颗粒对厚壳贻贝能量收支的负面影响,严重时个体呈负生长。为了探明纳米二氧化钛和海洋酸化导致厚壳贻贝生长与代谢变慢的影响机制,本研究评估了贻贝鳃/消化腺抗氧化能力和血细胞免疫防御在未来海洋酸化(pH 7.3)情况下对不同浓度纳米二氧化钛(25 nm,2.5和10 mg L~(-1))暴露条件的响应。实验持续21天,包括前14天的酸化和纳米颗粒暴露期和后7天的正常养殖环境恢复期。纳米二氧化钛和海水酸化(pH 7.3)的胁迫环境明显激活了厚壳贻贝鳃和消化腺组织中过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶和谷胱甘肽-硫-转移酶的活性,但随着暴露时间延长,超氧化物歧化酶活性和谷胱甘肽含量均呈现先升高后降低的趋势,表明机体应对压力的调节能力有限。丙二醛含量在整个暴露期间逐渐上升说明厚壳贻贝的抗氧化系统遭到了破坏,且酸化(pH 7.3)会加重机体在纳米颗粒暴露环境下的脂质过氧化损伤程度。总得来说,鳃组织的氧化应激反应比消化腺组织更为敏感。在实验的恢复期,厚壳贻贝对大部分生理指标无法恢复到对照组水平,说明机体受到的负面影响在短时间内不可逆。纳米二氧化钛和海水酸化(pH 7.3)的胁迫环境明显导致了血细胞吞噬活性、非特异性酯酶活性和溶酶体含量的降低,而细胞死亡率和活性氧产量的变化趋势则刚好相反,以上扰动在一定程度上直接导致了血细胞总数目的减少,意味着厚壳贻贝的免疫防御功能会被显著削弱,不太可能对应激源作出有效的免疫应答。高浓度纳米二氧化钛(25 nm,10 mg L~(-1))对血细胞免疫功能的抑制效应比低pH(7.3)更显著,但二者的显著交互作用仅存在于暴露实验后期(第7和14天)。在实验的恢复期,血细胞总数、细胞死亡率、吞噬活性和溶酶体含量均被观察到轻微的恢复现象。综上所述,纳米二氧化钛暴露会抑制厚壳贻贝的个体能量代谢,破坏鳃和消化腺组织的抗氧化系统,削弱血细胞免疫防御能力;且高浓度的小粒径纳米二氧化钛(25 nm,10 mg L~(-1))和海水酸化(pH 7.3)对厚壳贻贝相关生理生化指标具有显著交互作用和短期遗留效应。
【学位授予单位】：上海海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X171.5
【图文】：

直方图,纳米二氧化钛,扫描电子显微镜,图像测量

如图 3-1C 所示，纳米二氧化钛的主要晶相为锐钛矿（70%）和金红石（30%），与产品信息一致。通过透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）确定了纳米二氧化钛形状为典型不规则球体（图3-1A&B）。基于 TEM 图像的颗粒尺寸直方图显示了相对不均匀的颗粒组合物，其中大部分颗粒的粒径为20-30nm（图3-1D）。

纳米二氧化钛,清除率,氧氮比,吸收率

32-2 不同浓度纳米二氧化钛（0, 2.5 和 10 mg L-1）和不同海水 pH（7.3 和 8.1）条件厚壳贻贝个体清除率（CR,A）、吸收率（AE, B）和粪便有机物比例（E, C）的影-2. Clearance rate (CR,A),Absorption efficiency (AE, B) and Faecal organic weight ra. coruscus exposed to six combinations of nano-TiO2(0, 2.5 and 10 mg L-1) and pH (7.38.1) for 14 days.氧率（RR）、排氨率（ER）和氧氮比贻贝的耗氧率（RR）、排氨率（ER）和氧氮比均受到纳米二氧化钛和海响，且在实验期间观察到二者对 RR（第 1 和 3 天），ER（第 7 天）和3, 7 和 14 天）的显著交互作用（表 3-3，图 3-3 A，B & C，P < 0.05）。下， ER 均随着纳米颗粒浓度的增加而显著升高；但由低 pH 引起的 ER

氧氮比,排氨率,纳米二氧化钛,耗氧率

-3 不同浓度纳米二氧化钛（0, 2.5 和 10 mg L-1）和不同海水 pH（7.3 和 8.1）露 14 天对厚壳贻贝耗氧率（RR, A）、排氨率（ER, B）和氧氮比（C）的影响。-3. Respiration rate (RR, A), ammonia excretion rate (ER, B) and O:N ratio (C) of Mto six combinations of nano-TiO2(0, 2.5 and 10 mg L-1) and pH (7.3 and 8.1) for 14

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