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无机砷在淡水浮游植物和动物中的富集与毒性效应研究

汪宁欣  
【摘要】:砷是一种在自然界广泛分布的类金属,其在地壳中的丰度为0.0001%。虽然在水生生态系统中它的浓度范围一般在1-5mag/l之间,但在一些采矿废水中浓度可高达850mg/l,远远高于砷的现行WHO饮用水标准(10μg/l)。高浓度的无机砷会对浮游植物和浮游动物产生较强的毒性,并且可以通过食物链传递对处于更高营养级水平的生物构成威胁。此外,不同价态无机砷的致毒机理亦不相同,其中亚砷酸盐(iAsⅢ)会与生物体内的巯基蛋白结合使酶失活而产生毒性,海洋生物和哺乳动物对其比较敏感;而砷酸盐(iAsⅤ)会干扰生物体内的磷代谢,对淡水浮游植物毒性较强。有鉴于此,环境中的氮磷营养盐由于与生物体内的蛋白质合成及磷代谢有着密切关系最终会影响砷的富集与毒性。已有砷的生态毒理研究主要关注其对水生生物毒性与生物转化过程,而对砷的富集动力学及其与毒性效应间的关系研究较少。本论文深入研究了iAsⅤ及iAsⅢ往处于不同氮磷营养条件下浮游植物及浮游动物体内的富集、转化、分布与毒性,并进一步解释了无机砷对浮游生物的毒性机制,有助于建立更有效的砷的生物修复方法,同时也为更全面地评估砷的环境风险提供科学支持。我们的研究主要分为四部分(第2-5章),每部分的结果分别如下: 1)探索了正常营养条件(+NP)以及磷缺乏(-P)条件下iAsⅤ在莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)和斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)这两种绿藻中的生物富集动力学和毒性。我们发现iAsv的吸收速率随着其胞外浓度的变化符合传统的米氏模型,并且胞外及胞内磷对iAsv的吸收均有显著影响。一方面由于iAsv与磷酸盐可以通过相同的通道进入细胞,因此两者在吸收过程中存在明显竞争,胞外磷酸盐浓度的增加显著降低了iAsv的吸收。另一方面,在胞内磷缺乏状态下,细胞合成了更多的磷酸盐转运体,从而增加了对iAsv的吸收。对于两种绿藻,S.obliquus勺转运体与iAsv的结合能力更强(米氏常数较低),同时其转运体数量相对较少(最大吸收速率较低),因此该藻比C. reinhardtii对砷的富集有着更好的调控。由于胞内外磷对iAsⅤ富集的双重影响及两种藻对砷富集掌控能力的差异,iAsⅤ的毒性在磷缺乏的条件下显著增强,同时S. obliquns比C. reinhardtii具有更高的耐受性。在这种情况下,相比于胞外砷浓度及胞内砷富集,胞内砷与磷的比值与砷的毒性具有更好的相关性。此外,在磷缺乏条件下,有更多的iAsⅤ被还原为iAsⅢ。同时,当含有砷的藻转移到无污染环境后,其细胞内的iAsⅢ比例提高,表明绿藻中砷的还原也是重要的解毒机制之一。 2)研究了正常营养条件(+NP)、磷缺乏条件(-P)以及氮缺乏(-N)条件下iAsⅢ在C. reinhardtii中的富集、生物氧化与毒性效应。与iAsⅤ类似,iAsⅢ的吸收速率随其胞外浓度的变化符合米氏模型。在+NP,-P以及-N的条件下,iAsⅢ的最大吸收速率分别为0.90、0.61和1.82mg-As/(g-dw·h),相应的米氏常数分别为31.4、4.13和37.6mg-As/l。处于-P状态下的藻具有较低的米氏常数,表明磷酸盐同样会抑制iAsⅢ。的吸收。这个假设在随后的实验中得到证实。在该实验中,当外界的磷酸盐浓度从0mg-P/l增加到7.75mg-P/1时,iAsⅢ的吸收速率从0.69mg-As/(g-dw·h)降低到0.06mg-As/(g-dw·h)。除了受磷影响外,iAsⅢ的最大吸收速率在-N条件下显著增加,说明此种情况下细胞表面合成了更多的iAsⅢ转运体。iAsⅢ进入细胞后部分被氧化成iAsV。然而iAsⅢ的氧化过程主要在胞外进行,在低浓度胞外砷条件下,甚至所有的iAsⅢ都被氧化为iAsV。另一方面,在+NP,-P以及-N营养条件下,胞外iAsⅢ对C. reinhardtii的半效浓度分别为132.2、0.98和90.6mg-As/1,与之相对应的胞内砷浓度分别为2.67、2.16和14.6μg-As/g,表明iAsⅢ对-P细胞具有较高的毒性,这主要是该营养条件下胞内砷浓度增加所导致的。然而在胞内砷浓度相同时,-N状态的C. reinhardtii耐受性依然高于+NP的藻,这一现象的内在机制有待进一步研究。 3)运用放射性同位素示踪技术首次系统研究了iAsⅤ通过水相暴露与摄食途径在淡水无脊椎动物大型溞Daphnia magna中的富集动力学过程。我们发现iAsv的水相吸收速率随着外界iAsⅤ浓度的增加而增加,而后逐渐趋于平缓,然后再增加,再趋于平缓。此种现象表明iAsⅤ至少通过两种转运体进入D. magna体内。随后iAsⅤ与磷酸盐双饱和点竞争模型进一步为以上假设提供了论据。计算得到的吸收速率常数为0.035-0.35l/(g·d)范围内。对于食物相吸收,我们发现食物浓度的升高会大幅度降低iAsv的同化效率与此同时,iAsv的同化效率在食物中磷含量降低时减少,与D. magna自身的磷营养状态无关。究其原因,可能是由于低磷食物含有更高比例的iAsⅢ的缘故。此外,D. magna的排出速率常数介于0.34-0.44/d之间,且增加食物浓度会轻微促进砷的排出。对于不同排出途径,大约有51.3%-60.6%的砷被D. magna分泌(excrete)出体外。另外有24.7%-20.8%的砷通过繁殖行为进行消减,而蜕皮以及排泄活动对砷排出的贡献最小最后模型模拟结果表明食物相是iAsⅤ生物富集的主要途径,且该形态的砷在食物链中无显著生物放大现象。 4)以OECD中D. magna48h急性毒性实验为基础,交叉进行了基于水相和食物相暴露途径的iAsⅤ与iAsⅢ急性毒性实验,并在急性毒性实验中采用传统的全天暴露法以及创新的半天暴露法深入探讨急性毒性机制。通过水相吸收,在全天暴露和半天暴露条件下,iAsⅤ的半效浓度分别为1.5和36mg-As/1,而iAsⅢ的半效浓度分别为2.1和2.8mg-As/l,表明iAsⅢ的毒性要高于iAsⅤ,且两种形态的砷在传统暴露条件下毒性均比较高。通过进一步比较上述不同条件下砷在D. magna体内的富集,我们发现当死亡率相同时,半天暴露条件下的D. magna体内所富集的砷显著低于全天暴露条件下的体内砷浓度。也就是说半天暴露条件下虽然D. magna体内富集砷浓度降低,但其对砷的敏感性反而升高。与水相暴露不同,通过摄食途径进入D. magna的砷的急性毒性较低,即使在最高浓度组D. magna的死亡率依然很低,但此时其体内富集砷的浓度却不低,表明砷通过摄食途径进入D. magna体内时,其毒性较小。根据同步辐射的结果,不同吸收条件下的毒性差异可能是由于砷在生物体内的分布不同,水相暴露时砷分布于D.magna体内各个部位,而食物相进入的砷则集中分布在其肠道内。这种亚细胞分布差异对毒性效应造成的影响有待于进一步探究。 通过上述研究,系统探讨了无机砷在典型淡水浮游植物和动物中的富集动力学过程与毒性效应,同时从富集动力学角度阐明不同营养条件下砷毒性变化的内在机制。


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