纳米银对水生生物的毒性效应及作用机制

发布时间：2017-09-04 19:24

  本文关键词：纳米银对水生生物的毒性效应及作用机制

  更多相关文章： 纳米银 水生生物 斑马鱼 生长发育 细胞凋亡 神经毒性

【摘要】：随着纳米科技的迅速发展,纳米材料的潜在生态环境效应引起越来越多的关注。纳米银由于独特的理化特性及优越的抗菌性能而成为生物医疗及消费品等领域中使用最多的纳米材料之一。这些产品的使用会使纳米银释放进入生活污水或工业废水,随地表径流最终进入河流湖泊或海洋等水体环境,然而其对水生生物的潜在影响目前还处于探索阶段。本文选用斑马鱼为模式生物进行实验,从三个部分探究了纳米银对斑马鱼胚胎早期阶段的毒性影响及其可能的机制,为探索纳米银对水生生物的影响提供科学依据。本文首先研究了纳米银对斑马鱼胚胎的致畸效应和粒径效应。将受精后4小时(4 hpf)的斑马鱼胚胎分别暴露于不同浓度的4 nm和10 nm纳米银的溶液中至96 hpf,通过暴露试验结果计算得到4 nm和10 nm纳米银对斑马鱼胚胎96h的半数致死浓度(LC50)分别为6.69 mg/L和11.75 mg/L,半数有效浓度(EC50)分别为4.12 mg/L和5.91 mg/L。斑马鱼胚胎的畸形率随纳米银暴露浓度的增加而增高,且暴露的斑马鱼胚胎出现体长变短,卵黄囊吸收不完全,头部变小,眼睛变小,心脏畸形以及体节消失等畸形。其中,头部变小,卵黄囊吸收不完全和体节消失出现的比例相对较高。此外,纳米银的毒性呈现粒径效应,粒径较小的纳米银(4 nm)毒性高于粒径较大的纳米银(10 nm)毒性。接着探索了纳米银如何通过诱导凋亡影响斑马鱼胚胎早期生长发育。根据体长变短和卵黄囊吸收不完全畸形,本文深入研究了纳米银对斑马鱼胚胎生长发育的影响,同时与银离子的作用机制进行比较。经测定发现实验所用的纳米银溶液中没有银离子释放,银离子对斑马鱼胚胎96 h的LC50为0.054 mg/L,表明银离子毒性远大于纳米银。纳米银和银离子均能延迟斑马鱼胚胎的孵化并且降低孵化率,使孵化出的斑马鱼体长明显变短,总蛋白含量也相应减少,表明二者均能阻碍生长发育。吖啶橙(AO)染色实验表明纳米银和银离子分别使暴露的斑马鱼胚胎躯干和卵黄囊部位出现细胞凋亡信号,检测活性氧(ROS)水平发现暴露的斑马鱼胚胎内ROS量显著高于空白对照组。进一步通过RT-PCR分析,结果表明纳米银主要是可通过caspase的内源性通路造成细胞凋亡,而银离子不但能影响斑马鱼的氧化系统相关基因,而且能激活p53基因进而造成细胞凋亡,从而影响斑马鱼胚胎的生长发育。在纳米银对斑马鱼胚胎的神经毒性部分,着重研究了头部和眼睛发育不全这些常见于神经毒性的表型。畸形表型观察发现纳米银暴露能使斑马鱼胚胎头部界限模糊,后脑发育不全,眼部色素减少。分子水平研究发现,纳米银暴露改变了斑马鱼胚胎内gfap, huC和ngnl这些神经相关基因和解毒重金属的金属硫蛋白基因MT和ABCC基因的表达,且斑马鱼胚胎头部ABCC2基因的上调表达较躯干内的更显著。这些结果表明纳米银可能影响了斑马鱼神经细胞的分化进而产生了神经毒性。暴露的斑马鱼胚胎在72 hpf时心率明显减弱,而心脏发育相关的基因Nkx2.5和Gata5表达水平却没有明显变化。此外,纳米银还改变了斑马鱼体内AhR2和Cyp1A这类介导多环芳烃毒性的基因。同时斑马鱼胚胎内纳米银的累积结果表明4 nm银的累积高于10 nm银,这与纳米银毒性的粒径效应相吻合；而且斑马鱼头部银的含量接近或略高于躯干,这可以进一步解释ABCC2基因表达的结果和纳米银表现出的神经毒性。本文研究表明,纳米银能够对水生生物产生明显的致畸效应,甚至较高浓度时能够影响其存活,并且粒径较小的纳米银毒性相对较强。纳米银对水生生物的毒性机制主要表现为能诱导细胞凋亡和氧化损伤,进而阻碍生物早期的生长发育。此外,纳米银表现出较强的神经毒性,能影响神经细胞的分化。然而,本研究中纳米银溶液中没有银离子的释放,表明纳米银的毒性不能仅仅归因于银离子,且银离子的毒性远高于纳米银。本研究通过急性暴露实验初步表明纳米银能够影响水生生物的孵化和繁殖,孵化出的生物也有体长变短等生长发育明显受抑制的现象,甚至会出现头部和眼睛发育不全等神经缺陷。据此不排除环境中的纳米银可能在低浓度长期暴露下对水生生物产生类似的慢性危害。
【关键词】：纳米银 水生生物 斑马鱼 生长发育 细胞凋亡 神经毒性
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X171.5
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-14
• 缩略词14-17
• 第1章 绪论17-34
• 1.1 纳米银简介17-23
• 1.1.1 纳米技术17
• 1.1.2 纳米银的制备17-19
• 1.1.3 纳米银的特性及应用19-20
• 1.1.4 纳米银在环境中的迁移及归趋20-23
• 1.2 斑马鱼的生态毒理学应用23-24
• 1.3 纳米银对水生生物的毒性效应的国内外研究进展24-32
• 1.3.1 纳米银粒径与毒性的关系24-25
• 1.3.2 纳米银包裹物与毒性的关系25
• 1.3.3 纳米银的致毒机制25-32
• 1.4 本文的研究目的和研究意义32-34
• 第2章 纳米银对斑马鱼胚胎的致畸效应及粒径效应34-46
• 2.1 前言34
• 2.2 材料与方法34-36
• 2.2.1 仪器与试剂34
• 2.2.2 斑马鱼的饲养及胚胎的获取34-35
• 2.2.3 纳米银的透射电镜及扫描电镜表征35
• 2.2.4 胚胎的急性暴露实验35-36
• 2.2.5 数据的处理36
• 2.3 结果36-44
• 2.3.1 纳米银的透射电镜及扫描电镜表征36-38
• 2.3.2 纳米银对斑马鱼胚胎存活的影响38-39
• 2.3.3 纳米银对斑马鱼胚胎的致畸效应39-44
• 2.4 讨论44-46
• 第3章 纳米银通过诱导凋亡影响斑马鱼胚胎早期生长发育46-64
• 3.1 前言46
• 3.2 材料与方法46-49
• 3.2.1 仪器与试剂46-47
• 3.2.2 纳米银溶液中释放的银离子的测定47
• 3.2.3 斑马鱼胚胎生长发育的暴露实验47
• 3.2.4 总蛋白含量检测47-48
• 3.2.5 吖啶橙(acridine orange,AO)染色观察胚胎细胞凋亡48
• 3.2.6 纳米银对斑马鱼胚胎氧化损伤及细胞凋亡相关基因表达的影响48-49
• 3.2.7 活性氧(ROS)水平的测定49
• 3.2.8 统计学分析49
• 3.3 结果49-61
• 3.3.1 纳米银溶液中释放的银离子49-50
• 3.3.2 纳米银和银离子对斑马鱼胚胎的急性毒性50-52
• 3.3.3 纳米银和银离子对斑马鱼生长发育的影响52-55
• 3.3.4 纳米银和银离子的致毒机制55-61
• 3.4 讨论61-64
• 第4章 纳米银对斑马鱼胚胎的神经毒性64-80
• 4.1 前言64
• 4.2 材料与方法64-67
• 4.2.1 仪器与试剂64-65
• 4.2.2 纳米银对斑马鱼胚胎神经毒性的急性暴露实验65
• 4.2.3 纳米银对斑马鱼胚胎神经、心脏等相关基因表达的影响65-66
• 4.2.4 斑马鱼胚胎内纳米银的累积66-67
• 4.2.5 统计学分析67
• 4.3 结果67-76
• 4.3.1 纳米银暴露的斑马鱼胚胎24 hpf头部畸形67-68
• 4.3.2 纳米银对神经发育相关基因表达的影响68-69
• 4.3.3 纳米银对眼胚形成相关基因表达的影响69-70
• 4.3.4 纳米银对斑马鱼心率以及心脏发育相关基因表达的影响70-72
• 4.3.5 纳米银对金属硫蛋白相关基因(MTs)和ABCC基因表达的影响72-74
• 4.3.6 纳米银对Cyp1A和AhR2基因表达的影响74-75
• 4.3.7 纳米银在斑马鱼胚胎内的累积情况75-76
• 4.4 讨论76-80
• 第5章 结论与展望80-84
• 5.1 纳米银的致死效应及粒径效应80
• 5.2 纳米银的致畸效应80
• 5.3 纳米银的毒性作用机制80-81
• 5.3.1 纳米银诱导细胞凋亡80-81
• 5.3.2 纳米银的神经毒性分子机制81
• 5.3.3 纳米银的生物累积及转运金属的相关基因的响应81
• 5.3.4 纳米银暴露对斑马鱼胚胎内Cyp1A和AhR2基因的影响81
• 5.4 纳米银对水生生物的潜在危害81-82
• 5.5 展望82-84
• 参考文献84-95
• 硕士在读期间发表的论文95-96
• 硕士在读期间参与的主要科研项目96-97
• 致谢9

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