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河口复杂环境下的牡蛎

发布时间:2018-02-06 浏览次数:175


国家自然科学基金重点项目(21237004)——成果系列报道

河口复杂环境下的牡蛎


在国家自然科学基金重点项目(21237004)“中国南方典型河口生物的重金属生物动力学与毒理”的资助下,研究人员开展了河口复杂环境下重金属的分配特征及重金属对牡蛎的生物效应研究,并通过原位成像技术发现了铜的特异性分布特征,为揭示铜在牡蛎体内的解毒机制提供了有利证据。

项目组采用非对称流场流分离技术方法量化了排污和水体混合过程中造成的环境动态变化和水体不同相(溶解相、颗粒相和胶体相)重金属的分配特征,并解析不同环境因子对水体中重金属的影响机制。低潮期间断废水排污会造成水体pH值和溶解氧的降低,并促使大量的悬浮颗粒相和溶解相有机碳进入河口。不同盐度条件下溶解相中Cu、Zn、Ni、Cr和Pb的不同行为表征了重金属污染来源,在混合过程中低盐度、高pH和低溶解氧会增加重金属会吸附至颗粒相上,虽然污水排放后水体中总金属浓度均显著增加,但Cu、Zn、Cr和Pb主要受控于颗粒相,胶体相中的Cu和Zn与溶解相和胶体相中有机碳浓度呈正相关关系表明会形成金属有机络合物;间断性污水排放改变了颗粒相/溶解相比和胶体态/溶解相比,这可能会进一步影响海洋生物的金属生物可利用性和潜在毒性。河口区溶解态金属主要分布与在1-10 kDa的组分中并且主要受到陆源富里酸的调控,而较大粒径的无机胶体作用较小。污水储存池是该河口微量金属以及发光类和腐殖质类溶解有机质的来源之一,小尺寸的胶体态有机复合物在痕量金属的结合和稳定过程中起主要作用。伴随污水的排放过程和生物的活动使得沉积物环境呈现明显的时空变化,为此项目组利用DGT(薄膜的扩散梯度)技术结合沉积物柱的采样分析进一步研究了该河口沉积物中痕量金属的环境行为,即金属的孔隙水动力学过程和沉积物水界面交换通量的动态变化。结果显示,金属的行为受到交界面下、次氧化层及更深层面的早期成岩反应控制,硫化物沉淀和Mn/Fe氧化物的吸附过程在重金属的清除过程中起重要作用。河口沉积物-水界面的交换通量的估算表明,上覆水是痕量金属的主要来源,而当表面再活化过程(Mn/Fe还原)占主导地位时,沉积物也可能是源头之一。因此,无论是自然水体界面交换自然和人为过程对高度动态变化河口系统中微量金属的来源、分布、转化与归趋的综合效应(Wang & Wang, 2016; Wang et al., 2017; Wang & Wang, 2017)。

重金属通过水相(渗透或胞饮)和食物相(摄食或吞噬)暴露后在生物体内富集累积,它们是如何影响牡蛎生物的生理过程呢?针对九龙江口研究团队前期发现受铜污染的“蓝牡蛎”香港巨牡蛎(Crassostrea hongkongensis)和“绿牡蛎” 熊本牡蛎(Crassostrea sikamea)开展移植两种牡蛎进行时间序列变化的研究,分析了重金属污染水平对牡蛎细胞渗透调节、能量代谢和脂代谢等响应机制。通过对比不同污染水平站点香港牡蛎发现,相较于低重金属污染环境,重金属污染严重环境下香港牡蛎显著累积大量的渗透调节物质(Osmolytes),甜菜碱Betaine和龙虾肌碱(Homarine)和累积较低能量存储化合物(糖原)。这些代谢组特征物质可作为不同重金属污染水平下的潜在生物标志物。牡蛎能通过氨基葡萄糖、糖原、氨基酸、甲酸、丙二酸酯和乳酸来达到能量供应过程。由于核磁共振代谢组学方法在表征分析生物代谢响应方面相较于传统方法拥有更高的准确性,尤其在野外环境中可指示生物体应对复杂环境的响应过程。研究团队将该技术运用到重金属污染下的牡蛎研究中发现:丙二酸盐是生物体三羧酸循环代谢中琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制物,当丙二酸盐增加时表明了牡蛎体内三羧酸循环体系中代谢生成琥珀酸的减少。胆碱激酶催化ATP和胆碱减少磷酸胆碱的合成,高含量磷酸胆碱和ATP的减少表明了重金属污染下的会减少能量代谢,包括减少糖原和葡萄糖代谢。由于丙氨酸和琥珀酸是无脊椎动物葡萄糖厌氧代谢的主要终产物,项目组证明了在不同重金属污染条件下熊本牡蛎体内存在基于三羧酸循环代谢的天冬氨酸与丙氨酸-琥珀酸的代谢转换过程,熊本牡蛎在高重金属污染环境下累积高含量的天冬氨酸与低含量的丙氨酸和琥珀酸,从而证明了熊本牡蛎会通过减少厌氧代谢过程作为应对高重金属污染环境的响应 (Cao & Wang, 2016)。牡蛎体内累积的Cu和Zn与体内过氧化氢酶和超氧化物气化酶活性呈负相关关系表明Cu和Zn在变色牡蛎中的累积是牡蛎抗氧化系统诱导形成的。Cu与Zn显著影响牡蛎的抗氧化和金属解毒系统。金属硫蛋白解毒作用并不能完全抑制香港牡蛎体内组织初期累积的高浓度重金属,溶酶体膜稳定性在不同时期存在时间效应的差异性和高敏感性,同时,两种牡蛎细胞组织在高金属污染环境下存在组织细胞水肿现象,因此在利用生物标志物指征野外生物响应时,需要考察时间效应作用(Liu & Wang,2016a, b, c)。同时,研究不同盐度条件和不同暴露方式下香港牡蛎对Cu胁迫的代谢响应过程与机制发现:Cu和盐度胁迫主要对渗透调节、能量代谢和甘油磷脂代谢相关过程产生影响,而铜的作用机制与盐度胁迫类似,当铜和盐度共同胁迫时,盐度对牡蛎的代谢物起着主导作用。不同暴露方式的结果显示,间歇暴露和连续暴露条件下的Cu的生物累积只在高浓度暴露时存在明显差异。核磁共振的代谢组学表明, 连续和间歇的铜暴露导致类似的代谢物变化模式,包括降低氨基酸、能源相关的化合物和改变渗透压调节物的含量,这些生物标志物表明无论在何种情况下,铜暴露都会引起渗透调节和能量代谢的干扰。此外,4-h间歇性铜暴露与相应的等剂量持续照射相比,产生的不良反应略少。本研究表明,为了更为准确的预测重金属污染对河口生物的毒性效应,应充分考虑盐度和暴露方式的影响(Cao and Wang, 2017a, b)。

1纳米二次离子质谱技术展示Cu等多元素原位成像

牡蛎遭受铜污染后呈现出特殊的蓝色和绿色,究竟铜元素是以何种方式存在于细胞中,它的分布特征又是如何?在高分辨率水平下进行生物样品的微量元素分布的原位成像研究非常具有挑战性,但对于深入理解生物体内金属的络合过程和解毒机制至关重要。研究团队借助国际最新的微量元素原位成像技术——纳米二次离子质谱技术 (nanoSIMS)开展了污染香港牡蛎中Cu和Zn的亚细胞水平原位成像研究。在牡蛎鳃和外套膜组织中发现三种类型的金属富集细胞包括Cu特异性血细胞,富含Cu-Zn的颗粒态血细胞以及富含Cu-Zn的钙细胞,并且首次发现了Cu在鳃组织细胞间隙的血淋巴中的明显分布,表明血淋巴可能在Cu运输过程中具有重要作用。在Cu特异性细胞和血淋巴中,Cu的分布与S和N存在明显的共定位,而在颗粒状血细胞和钙细胞中,还发现Cu、Zn与P、Ca的共同分布。Cu、Zn与大量营养元素(N、P、S)之间不同的分布关系,代表着其在牡蛎体内的不同络合形态。特别是,本研究通过对金属富集位点32S–/12C14N–和31P–/12C14N–比值的定量分析,揭示了牡蛎体内Cu和Zn由代谢活跃的蛋白结合形式向更稳定的解毒结合形式的动态转化过程 (Weng et al., 2017).

引用文献:
1.X Liu; W-X Wang. Time changes in biomarker responses in two species of oyster transplanted into a metal contaminated estuary. Science of the Total Environment, 2016a, 544:281~290.
2.C Cao; W-X Wang. Bioaccumulation and metabolomics responses in oysters Crassostrea hongkongensis impacted by different levels of metal pollution. Environmental Pollution, 2016, 216:156~165.
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5.WH Wang; W-X Wang. Phase partitioning of trace metals in a contaminated estuary influenced by industrial effluent discharge. Environmental Pollution, 2016, 214:35~44.
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7.C Cao; W-X Wang(*), Chronic effects of copper in oysters Crassostrea hongkongensis under different exposure regimes by NMR-based metabolomics. Environmental Toxicology and Chemistry, 2017a, 36:2428~2435.
8.C Cao; W-X Wang. Copper-induced metabolic variation of oysters overwhelmed by salinity effects. Chemosphere, 2017b, 174:331-341.
9.WH Wang; W-X Wang. Trace metal behavior in sediments of Jiulong River Estuary and implication for benthic exchange fluxes. Environmental Pollution, 2017, 225:598~609.
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