生物配体模型对于稀土金属（钐和铕）及其混合物的适用性研究

发布时间：2020-04-22 16:52

【摘要】：生物配体模型(Biotic Ligand Model, BLM)是直接定量的以生物敏感性和水体水化学为基础来评价金属的生物有效性的工具,该模型综合了生理学、化学、计算机科学以及毒理学的发展成果。BLM充分考虑了影响金属对生物毒性的3个因素：浓度、络合、竞争。也就是说,金属对生物的毒性首先取决于自由金属离子在溶液中的活度,而金属自由离子又与总金属的浓度有关,并同时受无机配体及有机配体络合的影响。稀土金属是物理化学性质相似的一组金属,虽然叫做“稀土”,但其实其在地壳中含量并不低。由于稀土金属本身具有很好的磁性、发光性能以及催化性能,因此广泛应用于高科技及清洁能源产业等领域。随着稀土元素在各个领域的广泛大量应用,稀土及其化合物将大量进入环境。目前通过农田地表径流和工业废水排放等进入自然水体的稀土量不断增加,对自然水生生态环境带来了潜在的负面影响,且有可能通过食物链影响到人体健康,故研究稀土在水体中相应的环境化学行为及其生物生态效应有重要的现实意义。本研究以BLM为研究工具,以稀土金属钐和铕为研究目标,讨论BLM对于稀土金属及其混合物的适用性。本文中,首先以稀土金属钐(Sm)做为目标金属,用单细胞藻类莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)的短期生物累积实验来验证BLM的一些假设。在没有配体存在的情况下,Sm3+的生物累积过程可以很好的用米门方程(Michaelis-Menten equation)来描述。根据BLM假设,Sm的传输位点的最大吸收通量Jmax为1.43×10-14mol cm-2s-1,该位点的半饱和系数(米门系数)Km为10-7.2M。不同的配体(柠檬酸,苹果酸,二甘醇酸)可以显著降低Sm的吸收通量,然而其吸收通量却高于BLM的预测值,这可能是由于Sm和这些配体的结合物可直接被莱茵衣藻吸收。在竞争实验中,2种硬度阳离子(Ca2+, Mg2+)和3种其他的稀土金属(La3+, Ce3+, Eu3+)对Sm的竞争作用可以很好的通过BLM假设进行解释。并通过BLM假设,求得这几种金属离子对结合位点的亲和力常数(富集常数)分别为KCa=104.0M-1, KMg=102.7M-1, KLa=106.9M-1, Kce=107.1M-1,KEu=107.2M-1。4种所研究的稀土金属的富集常数和最大吸收通量都很接近,并呈现出明显的竞争作用,这有可能是由于稀土金属之间性质相似所致。根据BLM的相关理论,这表明这些稀土金属很可能通过一个相同的传输位点进行传输。然后,以稀土金属钐(Sm)和铕(Eu)做为目标金属,用单细胞藻类莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)的短期生物累积实验(60min)主要来验证BLM中关于竞争作用的一些假设。同Sm相类似,在没有配体存在的情况下,Eu3+的生物累积过程可以很好的用米门方程(Michaelis-Menten equation)来描述,并计算出Eu的传输位点的最大吸收通量Jmax；为1.59×10-14mol cm-2s,该位点的半饱和系数(米门系数)Km为10-7-3M,均与Sm很接近。在Sm和Eu的竞争实验中,固定一种金属的浓度,其吸收通量随着另一重金属浓度的增加而降低,且其降低量与BLM预测的结果相似。在短期生物累积实验(60min)中,Sm和Eu呈现出了典型的竞争关系,表明这些不同的稀土金属很可能具有一个相同的传输位点。另外,在存在亲水性配体的实验中,络合作用并没有像BLM预测的那样有效地降低生物累积量,这可能是由于三价金属同有机配体的络合物在金属的传输位点上富集,然后在细胞表面快速的分成有机配体和金属,其中只有金属本身通过细胞膜进入生物体内。最后以稀土金属钐(Sm)和铕(Eu)做为目标金属,用单细胞藻类莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)的基因表达实验来验证BLM对于金属混合物的一些假设。在基因表达实验的同时,也测得这两种稀土金属的生物累积量。在2小时的暴露时间内,Sm和Eu呈现出了典型的竞争关系,表明这两种稀土金属很可能具有一个相同的传输位点,同前两章的结果一致。在基因表达试验中,我们选取了二价金属传输位点(DMT)和谷胱甘肽S转移酶(GSTS2)。在2小时的暴露时间内,两种mRNA两种基因在本实验条件下并未产生显著变化,可能是由于以下三种原因所致：(1)所选取的这两种基因DMT和GSTS2并不会对两种稀土金属Sm和Eu产生响应；(2)这两种基因会对稀土金属产生响应,但是并未在本实验的浓度范围内(3×10-8-3×10-7M)产生响应；(3)在稀土金属的压力下,莱茵衣藻并未产生其对应的生物调节。在这三种假设中,只有第三种假设满足BLM中对于生物不会在短期内产生生物调节的假设是一致的,即生物体在短期暴露于金属溶液中,不会由于金属进入体内而产生生物调节。钐和铕做为非必需金属,其混合物实验能够通过生物配体模型关于浓度和竞争的假设进行解释,但是生物配体模型中对于络合作用的假设并不能够解释和说明这两种非必需金属的实验结果。另外,钐和铕做为非必需金属,在我们所选的试验范围内,对相关的基因表达并未产生影响,这符合生物配体模型中关于短期生物暴露并不会引起生物调节的假设是一致的。这说明生物配体模型除了不能解释钐和铕单金属及其混合物的络合作用外,可以解释该过程中其他的浓度、竞争作用及其相关基因表达的作用。
【学位授予单位】：南开大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X171.5

【参考文献】