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海洋酸化背景下文蛤Meretrix petechialis(Lamarck)对Cu和Cd胁迫的生理响应:抗氧化防御、免疫功能和离子平衡调节
于翔
Subtype博士
Thesis Advisor窦硕增
2023-05
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral中国科学院海洋研究所
Degree Name理学博士
Keyword海水酸化 重金属 文蛤 生理应答 生物标志物
Abstract

海洋酸化和近海污染是目前备受关注的海洋环境问题。海洋酸化不仅直接影响海洋生物的发育、存活生长和生理代谢等生命过程,而且影响重金属等污染物的化学性质和生物可利用性,进而影响其生物毒性效应。海洋贝类为典型的钙化贝壳生物,对海洋酸化和重金属毒性的生理响应敏感。本论文以我国重要经济贝类文蛤Meretrix petechialisLamarck, 1818)为研究对象,通过开展受控毒理实验,研究在海水酸化条件下文蛤的抗氧化、免疫功能和离子平衡调节对近海水域常见重金属铜(Cu)和镉(Cd)胁迫的生理响应。利用综合生物标志物响应指数、主成分分析和相关性分析等方法揭示文蛤鳃和内脏团中这三种生理功能对海洋酸化和重金属胁迫的生理响应策略,探讨其潜在的生理响应机制。一则科学认识海洋酸化和重金属胁迫对文蛤重要生理过程的毒性作用机制,为解析环境变化下经济贝类的种群数量变动和资源管理保护提供理论参考;二则筛选敏感生物标志物,为构建海洋酸化背景下重金属污染的生态风险评估技术方法提供科学依据。

为此,本研究提出以下假设:(1)海水酸化和铜、镉通过交互作用共同影响文蛤鳃和内脏团的抗氧化防御、免疫应答和离子平衡调节功能,其中胁迫水平是其生理应答的重要调节因素;海水酸化对鳃和内脏团中生理功能的影响效应因金属效应而变化,反之亦然。(2)鳃和内脏团采取组织特异性的生理响应策略应对氧化应激和免疫胁迫,维持体内离子稳态。为验证以上假设,依据IPCC对未来海洋酸化的预测情境和近海重金属污染特征,将文蛤置于不同铜、镉浓度和酸化水平组合的海水中连续暴露21天。暴露试验结束后,研究铜、镉在鳃和内脏团内的蓄积,以及与抗氧化防御(金属硫蛋白MT,还原型谷胱甘肽GSH,谷胱甘肽还原酶GR,谷胱甘肽过氧化物酶GPx,谷胱甘肽-S 转移酶GST,超氧化物歧化酶SOD和过氧化氢酶CAT)、氧化损伤(丙二醛MDA8-羟基脱氧鸟苷8-OHdG)、免疫应答(溶菌酶LZM、酸性磷酸酶ACP、碱性磷酸酶AKP和热休克蛋白70 HSP70)和离子平衡调节(碳酸酐酶CA、钙-ATPCa-ATPase和钠/-ATPNa/K-ATPase)相关的一系列生物标志物的酶活性或含量,综合分析两种生物组织在实验胁迫条件下的生理响应策略。主要研究内容和结果如下:

1. 文蛤鳃和内脏团抗氧化防御系统对海水酸化(对照组/pH 8.107.707.30)和铜(对照组,1050100 μg L-1 Cu2+)胁迫的生理响应。鳃和内脏团内的铜蓄积量与水环境铜浓度存在显著正相关,鳃中铜蓄积量明显高于内脏团;海水酸化未显著影响铜在鳃和内脏团内的蓄积量。在不同胁迫水平下,鳃和内脏团分别采取不同的抗氧化防御响应策略应对氧化应激。在未酸化海水中(pH 8.10),鳃和内脏团通过诱导MTGPxCAT的活性或含量应对铜胁迫导致的氧化应激,防止脂质过氧化(LPO)和DNA损伤,但抗氧化防御系统在高浓度铜暴露下无法有效减缓DNA损伤。整体上,海水酸化加剧了铜对鳃和内脏团的抗氧化防御功能的毒性作用,降低了GSTSODGSH等酶的活性或含量,导致其脂质过氧化水平显著增加。但是,鳃和内脏团对海水酸化下铜胁迫的抗氧化响应具有组织差异性,例如,海水酸化整体上降低了鳃内MT含量并诱导了鳃内DNA损伤增加,但未显著影响内脏团内的MT含量和DNA损伤。与内脏团相比,鳃与海水环境直接接触,解毒功能相对较弱,其抗氧化防御能力更易受到海水酸化和铜胁迫的负面影响。

2. 鳃和内脏团免疫和离子平衡调节功能对海水酸化和铜胁迫的生理响应。在免疫功能方面,在未酸化海水中,鳃和内脏团通过诱导HSP70的含量以及LZMACPAKP的活性应对铜胁迫导致的细胞毒性,增强自身免疫功能。作为生命必需金属元素和重要酶的辅助因子,铜浓度适度升高能够刺激代谢、诱导酶活性,增强免疫反应。整体上,海水酸化加剧了铜对鳃和内脏团的免疫毒性,抑制了部分酶的活性或含量,例如,鳃内的LZM活性和HSP70含量、内脏团内ACPAKP活性。鳃和内脏团对海水酸化下铜胁迫的免疫应答具有组织差异性,例如,海水酸化整体降低了内脏团内AKP的活性,但未显著影响鳃内的AKP活性。在离子平衡调节功能方面,在未酸化海水中,鳃中各种酶的活性未受铜浓度的显著影响;内脏团则通过诱导CA酶的活性应对铜胁迫,但Na/K-ATPase活性被铜抑制,影响其抗氧化防御和免疫应答。低浓度铜胁迫下,内脏团同样通过诱导CA的活性应对海水酸化胁迫,加速清除组织中积累的二氧化碳(CO2),维持体内酸碱稳态。海水酸化对铜胁迫下文蛤的离子平衡调节功能响应的影响具有组织差异性,例如,海水酸化整体上诱导了鳃内Ca-ATPaseNa/K-ATPase的活性,但未显著影响内脏团内Ca-ATPaseNa/K-ATPase的活性

3. 文蛤鳃和内脏团抗氧化防御系统对海水酸化和镉(对照组,1050100 μg L-1 Cd2+)胁迫的生理响应。鳃和内脏团内的镉蓄积量与水环境镉浓度存在显著正相关,海水酸化除显著抑制了最高镉浓度(100 μg L-1)胁迫下在鳃内的镉蓄积量外,未影响其他胁迫水平下的生物蓄积量。在不同胁迫水平下,鳃和内脏团分别采取不同的抗氧化防御响应策略应对氧化应激。在未酸化海水中,鳃通过诱导GSHGPxGSTSODCAT的活性或含量应对镉胁迫导致的氧化应激,防止脂质过氧化和DNA损伤;内脏团通过诱导GSH的含量并加快GRGSH的周转效率进行金属解毒,但内脏团抗氧化防御系统在高浓度镉暴露下无法有效缓解脂质过氧化和DNA损伤。整体上,海水酸化加剧了镉对鳃和内脏团抗氧化防御功能的毒性作用,脂质过氧化水平和DNA损伤显著增加。海水酸化对镉胁迫下抗氧化防御响应的影响具有组织差异性,例如,海水酸化整体诱导了鳃内MTGPxCAT的活性或含量,但三种酶的活性或含量在内脏团中则被抑制。此外,高度海水酸化下,随着与海水酸化相关的H+浓度升高,鳃和内脏团的酸碱平衡调节系统难以维持体内正常氧化还原状态。在此情景下,被激活的抗氧化防御系统无法有效地保护文蛤免受氧化应激,导致鳃内脂质过氧化水平和内脏团内的DNA损伤显著升高。

4. 鳃和内脏团免疫和离子平衡调节功能对海水酸化和镉胁迫的生理响应。在免疫功能方面,在未酸化海水中,鳃和内脏团通过诱导HSP70的含量应对镉胁迫导致的细胞免疫毒性,促进受损蛋白的修复和清除。鳃中LZM的活性被镉显著抑制,干扰其免疫应答。整体上,海水酸化刺激了镉胁迫下鳃内免疫因子的表达,诱导了ACPAKP酶活性以及HSP70含量。在离子平衡调节功能方面,在未酸化海水中,镉浓度的升高未显著影响内脏团中各酶的活性,但抑制了鳃内Ca-ATPaseNa/K-ATPase活性,干扰金属胁迫下的离子转运和能量利用过程。低浓度镉胁迫下,鳃和内脏团通过诱导CA的活性抵御海水酸化胁迫,加速清除组织中积累的二氧化碳(CO2),维持体内酸碱稳态。整体上,海水酸化未显著加剧镉对鳃和内脏团离子平衡调节功能的毒性作用,例如,海水酸化诱导了CA等酶活性,缓解了镉对鳃和内脏团离子平衡调节的干扰作用,促进钙、钠等离子转运,维持细胞内环境渗透压和pH的稳态。

5. 利用综合生物标志物响应指数(IBR)和主成分分析(PCA)等方法揭示文蛤抗氧化防御、免疫和离子平衡调节功能对海水酸化和铜、镉胁迫的综合响应,筛选敏感生物标志物。IBR值表明,生物标志物对海水酸化和重金属胁迫的综合响应取决于压力水平,适度的环境压力能够刺激文蛤对环境胁迫的正面响应,但在高环境压力下,生物长期处于代谢抑制状态,表现出相对较弱的综合抗氧化或免疫、离子调节响应水平。在不同胁迫水平下,各类生物标志物表现出不同的响应趋势和组织差异性;海水酸化影响CuCd胁迫下文蛤的一些生理响应,这有助于评估或筛选生物标志物对两种胁迫因子的生理响应的敏感性。PCA结果表明,在存在铜浓度效应的情况下,文蛤鳃中GRGPxCATMDALZMACP以及内脏团中GSTSODLZMHSP70等生物标志物表现出对海水酸化的敏感性,可作为评估铜胁迫下文蛤三种生理功能对海水酸化响应的敏感生物指示物。在存在镉效应的情况下,鳃中GRSODCATACPAKPHSP70CACa-ATPase以及内脏团中GRMDALZMAKPCA等生物标志物表现出对海水酸化的敏感性,在评估镉胁迫下文蛤生理功能对海水酸化响应中具有指示性作用。但是,在将本研究结果用于自然水域生态毒理学研究或环境监测时,应考虑多重环境效应的交互作用,以确定合适的生物标志物用于相关研究。

MOST Discipline Catalogue理学::海洋科学
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.qdio.ac.cn/handle/337002/181159
Collection海洋生态与环境科学重点实验室
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GB/T 7714
于翔. 海洋酸化背景下文蛤Meretrix petechialis(Lamarck)对Cu和Cd胁迫的生理响应:抗氧化防御、免疫功能和离子平衡调节[D]. 中国科学院海洋研究所. 中国科学院大学,2023.
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