淮南市土壤砷分布特征及基于胰岛素途径的抗砷胁迫研究

发布时间：2020-07-08 19:58

【摘要】：煤炭开采和利用会导致大量砷释放进入地表环境。淮南市是典型的煤炭资源型城市,研究淮南市土壤中砷的来源、分布和赋存状态,为淮南土壤污染修复和质量评价提供对照和参考样本,对类似区域砷污染控制具有指导意义。砷的毒性危害巨大,砷中毒可以引起机体免疫应答和氧化应激的产生,胰岛素途径是机体内一条高度保守的信号途径,在先天免疫和氧化应激等方面均发挥调控作用。研究胰岛素途径在抗砷胁迫中的作用及机制,对砷中毒的缓解具有重要意义。本文根据淮南土地的利用途径将其划分为生活区、工业区、煤矿区和农业区4大功能区,研究了淮南市不同功能区土壤中砷的含量,探索了砷与土壤化学性质的关系,揭示了砷在土壤中的赋存形态,评价了潜在生态风险和健康风险。建立了基于秀丽隐杆线虫的抗砷胁迫模型,首先利用热激模拟“发热”反应,激活先天免疫调节功能,研究热激处理后线虫对砷耐受度的变化,探讨关键基因daf-2、hsf-1、daf-16的作用机制及下游热休克蛋白HSP-4、HSP-6、HSP-16.2、HSP-60和HSP-70的响应情况。其次,选用抗氧化剂辣椒素激活氧化应激调节功能,研究辣椒素处理后线虫在砷胁迫条件下寿命、不同品系存活时间、ROS含量(H202和02-的水平)、脂褐质积累等生理指标的变化,探索关键基因daf-2、skn-1、daf-16的作用机制及下游抗氧化酶超氧化物歧化酶-3(SOD-3)、谷胱甘肽S-转移酶-4(GST-4)和谷氨酰半胱氨酸合成酶-1(GCS-1)的表达情况。主要结论如下：1.淮南市不同功能区砷的富集特征有明显的区别,不同功能区砷含量差异巨大,均高于淮南土壤背景值和中国土壤背景值,呈现从生活区、农业区到煤矿区、工业区逐渐增加的趋势。其原因主要是由于不同功能区人为污染输入源和自然源的不同,而人为污染输入源是主要的污染来源。淮南市土壤中砷的赋存形态以残渣态和Fe-Mn氧化态为主,分别占48.3%和21.5%,有机结合态、碳酸盐结合态和可交换态分别占11.6%、11.0%和7.6%。根据风险评估指数法,淮南土壤中砷具有中等风险。2.利用生态风险评价体系和健康风险评价模型评估显示淮南市土壤中砷的生态风险和健康风险均较高。生态风险评价表明,由于煤炭的开采、运输和利用,煤矿区和工业区为中重度污染水平；健康风险评价表明工业区超出可接受范围。工业区和煤矿区是重点防控区域。3.热激可以激活胰岛素途径先天免疫调节功能,显著提高线虫对砷胁迫的耐受度。秀丽隐杆线虫48h LCso分析表明热激可以将线虫对砷的耐受度提高51.0%。缺失hsf-1、daf-16、hsp-4和hsp-16.2基因砷耐受度会降低；hsf-1基因过表达能够恢复热激对砷耐受度的提高。热激可以促进DAF-16转录因子入核的时间和比率,上调daf-16和hsf-1基因下游热休克蛋白(HSPs)的表达。提示热激处理能增强核心转录因子DAF-16的活性,增加下游HSP-4、HSP-6、HSP-16.2和HSP-70的表达,减少砷胁迫下蛋白质错误折叠和内质网、线粒体应激损伤发生。4.辣椒素可以激活胰岛素途径氧化应激调节功能,有效减轻砷暴露下线虫的氧化损伤,对砷暴露下线虫有保护作用。研究以砷中毒引起氧化应激为切入点,辣椒素作为抗氧化剂能够增加砷暴露下线虫的生存时间、降低ROS含量、减少脂褐质积累,并延缓衰老。利用不同线虫转基因品系和荧光技术实验,结果显示辣椒素可以活化DAF-16和SKN-1因子,两者独立平行发挥作用,共同提高下游抗氧化酶SOD-3、GST-4和GCS-1的表达。基于上述研究,建议对淮南市工业区和煤矿区土壤的砷污染情况予以特别关注,提出胰岛素途径可以作为砷中毒治疗的靶向途径,基于胰岛素通路的药物治疗砷中毒具有良好的应用前景,建议砷暴露后应用辣椒素作为一种辅助治疗方式。此外,需要长期对相关功能区土壤砷污染情况和环境风险进行监测,积极开展抗砷胁迫作用机理研究的基因筛选工作。为我国砷中毒的预防和治疗提供科学依据和理论基础。
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R595.2;X53

【参考文献】