两种蚯蚓对土壤中四溴双酚A和镉的敏感性差异及机理

发布时间：2020-07-16 12:22

【摘要】：土壤质量特别是农田土壤质量直接关系食品安全、人类健康和经济、社会的可持续发展。2014年全国土壤污染状况调查公报显示,镉(Cd)是我国土壤中的主要污染物,因其对农田生态系统的影响关系到农产品安全已受到广泛关注。四溴双酚A(TBBPA)是世界上使用量最大的溴代阻燃剂(BFRs),已经在环境介质中被普遍检出。但是由于TBBPA易于形成结合残留态和转化降解,传统技术手段限制了对其环境行为的研究,对于TBBPA生物过程和效应的研究更是鲜见报道。此外,电子废弃物是增速最快的城市固废之一,含有高浓度的Cd和TBBPA,无序的处理方式容易导致这两种污染物释放进入土壤,并以复合污染形式出现。目前,对于有机污染物和重金属的复合污染研究主要集中在传统有机污染物(如农药和多环芳烃),对于BFRs有少量报道,但也以多溴二苯醚为主。另外,在土壤生态毒理研究中,通常采用标准蚯蚓种Eisenia fetida作为指示生物,但是该蚓种非典型土壤生物且对污染物耐性高,不能反映真实的土壤污染风险。针对上述问题,本文选取了表栖型E.fetida和深栖型Metaphire guillelmi作为目标生物,以土壤Cd和TBBPA的单一及复合污染为研究对象,考察了污染物在土壤中的生物有效性、在蚯蚓体内的富集、分布和/或代谢以及对蚯蚓的毒性效应(致死率、体重变化和氧化应激效应),重点研究了两种蚯蚓对污染物的敏感性差异,并从污染物的体内行为阐明造成蚯蚓敏感性差异的内在机理。主要的研究结果如下:(1)在Cd的单一污染研究中,通过比较一系列的生化指标,发现活性氧(ROS)和蛋白羰基是最敏感的生物标志物,根据其响应阈值可知M.guillelmi比E.fetida对Cd更为敏感。三种抗氧化酶在E.fetida体内(超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽转硫酶(GST))呈现类兴奋效应的U形剂量效应关系;而在M guilelmi体内(SOD、谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)和GST)则呈现倒U型关系。生物富集饱和模型拟合结果表明,Cd在蚯蚓体内的浓度(包括总浓度和亚细胞组分浓度)与土壤有效态Cd浓度(采用梯度扩散薄膜技术(DGT)测定)存在很好的相关关系(R20.9)。根据拟合所得的结合参数发现,相对于E.fetida,虽然M.guillelmi整体的富集容量较低,但是在热稳定蛋白(即生物解毒组分)的结合容量低2.7倍,而在热变性蛋白(即金属敏感组分)的结合亲和力高3.0倍,表明M.guilelmi对Cd的解毒能力差且更敏感。(2)采用~(14)C标记的TBBPA研究了 TBBPA在蚯蚓体内的行为。结果表明,~(14)C在M.guillelmi体内的稳态生物-土壤富集系数(BSAF)是E.fetida的1.3倍,并且前者体内能形成更多的结合残留态。~(14)C主要分布在M.guillelmi的肠道和E.fetida的表皮,这揭示了两种蚯蚓不同的吸收途径,即分别通过肠道作用和表皮吸收。TBBPA在蚯蚓体内被快速代谢,主要产物是TBBPA甲基化形成的单和双甲基醚(MeO-TBBPA和diMeO-TBBPA),以及部分极性代谢物,并且M.guillelmi对TBBPA的代谢能力高于E.fetida。为了区分TBBPA母体和代谢物的毒性,合成了 MeO-TBBPA和diMeO-TBBPA用于毒性实验。急性和亚急性毒性实验结果均显示TBBPA母体和代谢物的毒性顺序为:TBBPAMeO-TBBPAdiMeO-TBBPA,表明TBBPA在蚯蚓体内的甲基化代谢也是解毒过程。低浓度TBBPA胁迫下,M.guillelmi具有更高的解毒能力。通过土壤暴露实验,进一步考察了 TBBPA对两种蚯蚓的整体毒性效应。结果表明,两种蚯蚓对低剂量(≤10 mg kg-1)暴露的敏感性相近,但是高剂量(≥50mgkg-1)对M.guillelmi产生了更严重的氧化胁迫,更高剂量(≥250mg kg-1)对M.guillelmi产生了急性毒性,而E.fetida则表现出很高的耐性。从TBBPA体内代谢情况来看,低剂量时M guillelmi保持了很高的甲基化代谢能力,而高剂量胁迫却引起代谢能力急剧下降。可见蚯蚓对TBBPA的敏感性与其代谢能力相关。(3)在土壤TBBPA-Cd复合污染条件下,Cd(≤10mgkg-1)对TBBPA在蚯蚓体内的行为几乎无影响,同样TBBPA(≤10 mg kg-1)对Cd的体内行为也未产生明显影响。但是这两种污染物在土壤中的归趋存在交互作用,蚯蚓的加入导致这种作用更为复杂。总体来看,由于M.guillelmi对土壤的生物扰动比E.fetida更大,所以其对污染物环境归趋的影响也更明显。M.guillelmi处理过土壤中TBBPA的矿化和结合态(主要是胡敏素结合态)显著减少,并且该蚯蚓可大量吸收TBBPA导致土壤中残留量(主要是可提取态)的减少,此外该蚯蚓的存在还使得土壤Cd有效性大幅下降。进一步加大TBBPA的剂量,研究TBBPA-Cd复合污染的生物效应。结果表明,高剂量TBBPA(≥50 mg kg-1)能抑制E.fetida对Cd的吸收而促进M.guillelmi对Cd的吸收,这与土壤Cd有效性的降低和蚯蚓不同的暴露途径有关,并且还影响了 Cd在蚯蚓体内的亚细胞分布。相对于单一污染,TBBPA-Cd复合污染引起更高的急性毒性、抑制了蚯蚓生长、加重了体壁组织病变和产生更严重的氧化胁迫,包括ROS的累积、抗氧化系统变化(SOD和CAT/GPx活性和/或基因表达的抑制及热应激蛋白(HSP70)基因水平的上调)和氧化损伤的加剧(丙二醛的增加)。从蚯蚓种类来看,M.guillelmi对复合污染的敏感性高于E.fetida。综合可得,对于土壤中的TBBPA和Cd的单一及复合污染,M.guillelmi均表现出比标准蚓种E.fetida更高的敏感性,而污染物在两种蚯蚓体内不同的生物过程(吸收、富集、分布和/或代谢)造成了蚯蚓间的敏感性差异。因此在生态毒理学研究中引入M.guilelmi对于准确评价TBBPA和Cd污染土壤风险具有积极意义。本文也为敏感蚓种的筛选提供了理论依据。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X53;X174
【图文】：

学物质对环境和人体健康潜在风险的关键指标。目前对于生物有效性还没有统一逡逑的定义。土壤和沉积物污染物生物有效性委员会提出了用“生物有效性过程”来概逡逑述环境污染物的溶解、转运和被受体生物吸收的机理＠３丨加故３丨．，２００８）。如图１－逡逑１所示。逡逑目前还没有评价生物有效性的标准方法。常用的方法有单一提取法（如以水、逡逑ＥＤＴＡ、ＣａＣｌ２、ＨＡＣ等为提取剂），但受土壤性质的限制，而连续提取法（如逡逑Ｔｅｓｓｉｅｒ法和ＢＣＲ法）过于繁琐，而且对于具有生物有效性的形态类别也不明确。逡逑这里主要介绍一种原位被动采样技术一梯度薄膜扩散技术（Ｄｉｆｆｕｓｉｖｅ邋ｇｒａｄｉｅｎｔｓ邋ｉｎ逡逑ｔｈｉｎ－ｆｉｌｍｓ邋ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ＤＧＴ）。ＤＧＴ装置结构及工作原理如图１－２所示。将ＤＧＴ逡逑装置放入土壤中后，最外层的滤膜可以阻隔外界土壤颗粒和大分子胶体，防止对逡逑内部凝胶层的损伤和污染，土壤中的溶液态（自由态或小分子络合态）离子经扩逡逑散膜扩散，继而到达吸附膜被固定和富集。一般用于重金属离子测定的吸附膜采逡逑细胞膜逡逑，逦邋Ｉ邋Ｉ逡逑＊结合态逦ｃ逦：逡逑１Ａ}

学物质对环境和人体健康潜在风险的关键指标。目前对于生物有效性还没有统一逡逑的定义。土壤和沉积物污染物生物有效性委员会提出了用“生物有效性过程”来概逡逑述环境污染物的溶解、转运和被受体生物吸收的机理＠３丨加故３丨．，２００８）。如图１－逡逑１所示。逡逑目前还没有评价生物有效性的标准方法。常用的方法有单一提取法（如以水、逡逑ＥＤＴＡ、ＣａＣｌ２、ＨＡＣ等为提取剂），但受土壤性质的限制，而连续提取法（如逡逑Ｔｅｓｓｉｅｒ法和ＢＣＲ法）过于繁琐，而且对于具有生物有效性的形态类别也不明确。逡逑这里主要介绍一种原位被动采样技术一梯度薄膜扩散技术（Ｄｉｆｆｕｓｉｖｅ邋ｇｒａｄｉｅｎｔｓ邋ｉｎ逡逑ｔｈｉｎ－ｆｉｌｍｓ邋ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ＤＧＴ）。ＤＧＴ装置结构及工作原理如图１－２所示。将ＤＧＴ逡逑装置放入土壤中后，最外层的滤膜可以阻隔外界土壤颗粒和大分子胶体，防止对逡逑内部凝胶层的损伤和污染，土壤中的溶液态（自由态或小分子络合态）离子经扩逡逑散膜扩散，继而到达吸附膜被固定和富集。一般用于重金属离子测定的吸附膜采逡逑细胞膜逡逑，逦邋Ｉ邋Ｉ逡逑＊结合态逦ｃ逦：逡逑１Ａ}

图１－５．技术路线图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１—５．邋Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ邋ａｐｐｒｏａｃｈ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ逡逑

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