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全氟和多氟化合物对模式动植物、微生物以及人体细胞的毒性作用机制研究认领

作者：

刘慧年

学位授予单位：

湖南大学

摘要：

全氟和多氟化合物（per-and polyfluoroalkyl substances,PFASs）作为一类典型的新污染物,在我们国家各种环境介质中陆续被检出,其中土壤和水体环境中的暴露水平甚至高于其它国家,给环境生态和人体健康构成了潜在风险。近年来,典型的长链全氟和多氟化合物全氟辛酸(perfluorooctanoic acid,PFOAC8)及其盐类已被多个国家明令禁止流通,导致其替代品的生产和使用激增,但是关于PFOAC8替代品的毒理学机制研究较少,目前其最典型的短链替代品六氟环氧丙烷-二聚酸(hexafluoropropylene oxide dimer acid,Gen XC6)生物毒性效应尚不明确。因此,亟需进一步深入研究PFOAC8和Gen XC6的毒性作用机理问题。本工作的主要研究内容与结果如下: （1）动物体内毒性研究:以模式动物斑马鱼胚胎为实验对象,从胚胎形态、细胞凋亡及其分子水平研究全氟和多氟化合物暴露对动物的毒性作用机制。研究结果表明PFOAC8、Gen XC6和PFOAC8+Gen XC6（v/v,1:1）暴露会导致胚胎生长发育和器官功能障碍,其毒性强弱为:PFOAC8>PFOAC8+Gen XC6>Gen XC6;PFOAC8、Gen XC6和PFOAC8+Gen XC6的毒性效应还会影响胚胎的孵化率、死亡率和畸形率,且PFOAC8+Gen XC6的联合暴露可能具有加性致畸效应,这些生理指标的改变与全氟和多氟化合物碳链长度、暴露浓度、暴露时间成正相关。该研究揭示了PFOAC8、Gen XC6和PFOAC8+Gen XC6暴露导致胚胎生长发育功能障碍的机理:即通过抑制细胞凋亡或自噬相关的基因表达,包括atp1b2b、laptm4b、ctsbb、mt-co2、mt-co3和mt-cyb基因,其中laptm4b和ctsbb基因与人体罹患肿瘤密切有关。（2）细胞体外毒性研究:以人体肝癌细胞系Hep G2细胞为实验对象,从细胞形态、分子和蛋白水平研究全氟和多氟化合物暴露对细胞的毒性作用机制。研究结果表明:PFOAC8、Gen XC6和PFOAC8+Gen XC6（v/v,1:1）暴露会对人体细胞产生毒性,还会导致Hep G2细胞基因多样性和基因表达水平改变,其毒性强弱可能为:PFOAC8>Gen XC6>PFOAC8+Gen XC6。此外,PFOAC8、Gen XC6和PFOAC8+Gen XC6暴露会在基因水平上引起Hep G2细胞基因功能和信号通路改变,进而影响蛋白互作;其中TNF signaling pathway和Insulin resistance信号通路在对照组（control,CK）vs PFOAC8暴露组中出现显著富集现象。（3）植物种子毒性研究:以模式植物烟草（Nicotiana benthamiana,N.benthamiana）和拟南芥（Arabidopsis thaliana,A.thaliana）为实验对象,从表型、吸收转运水平和生理生化水平研究全氟和多氟化合物暴露对种子萌发的毒性作用机制。种子萌发实验发现PFOAC8、Gen XC6和PFOAC8+Gen XC6（v/v,1:1）暴露均会对植物种子产生毒性,表现为烟草和拟南芥种子萌发均会受到抑制,其毒性强弱为:PFOAC8>PFOAC8+Gen XC6>Gen XC6。此外,PFOAC8在烟草和拟南芥中的生物累积能力比Gen XC6更强,但Gen XC6具有更强的转运能力,而且全氟和多氟化合物在烟草和拟南芥体内的富集与转化方式也有较大差异。最后,PFOAC8、Gen XC6和PFOAC8+Gen XC6暴露的毒性作用对烟草和拟南芥种子生长发育的生理生化特征有较大影响,且影响程度均与暴露浓度成正相关,其中对抗氧化酶系统的影响最为显著。（4）植物幼苗盆栽毒性研究:以烟草和拟南芥为实验对象,从植物形态、吸收转运水平、生理生化水平以及超微结构研究全氟和多氟化合物暴露对幼苗生长发育的毒性作用机制。取得如下结果:第一,盆栽实验发现PFOAC8、Gen XC6和PFOAC8+Gen XC6（v/v,1:1）暴露均会对植物幼苗生长发育产生毒性,其毒性强弱为:PFOAC8>PFOAC8+Gen XC6>Gen XC6。第二,PFOAC8、Gen XC6和PFOAC8+Gen XC6在烟草和拟南芥不同部位的转运和积累具有倾向性,如在烟草器官中,PFOAC8和Gen XC6的积累均是在根中最多,种子中最少;而在拟南芥器官中,PFOAC8和Gen XC6的积累也是根中最多,但茎中最少。第三,PFOAC8、Gen XC6和PFOAC8+Gen XC6暴露会引起烟草和拟南芥体内的微量元素、酶活性、生长周期、产量以及不同器官的微观结构发生变化,其变化幅度与全氟和多氟化合物暴露时期、暴露时长以及暴露浓度息息相关。第四,PFOAC8、Gen XC6和PFOAC8+Gen XC6在烟草和拟南芥成熟期种子中的富集,会影响后代种子萌发,可能是产生了隔代毒性效应。（5）根际微生物毒性研究:以长期受全氟和多氟化合物胁迫的烟草和拟南芥根际微生物为实验对象,从微观水平和分子生物学水平研究全氟和多氟化合物对根际微生物的毒性效应,并对微生物修复污染土壤潜力进行了初步探究。本研究通过全周期盆栽实验发现PFOAC8、Gen XC6和PFOAC8+Gen XC6（v/v,1:1）暴露会对根际微生物产生毒性效应,对微生物群落的物种多样性、物种丰度和物种组成构成了威胁,并且PFOAC8暴露对根际微生物的影响显著强于Gen XC6暴露,说明PFOAC8对根际微生物的毒性作用更大。然后,选取长期受污染的盆栽根际土壤,通过分离与纯化筛选到了三株耐受菌株Rhizobium daejeonense、Streptomyces coeruleofuscus和Sphingomonas mesophila。最终在盆栽实验中通过接种耐受菌株悬浮液,发现接种微生物后,既能促进烟草和拟南芥生长,又能提高其种子产量,还能有效减少PFOAC8在植物体内转运与累积,说明微生物处理具有一定的生态修复潜力;但这些菌株对Gen XC6在植物体内的富集转化影响不明显。综上所述,本课题研究了全氟和多氟化合物暴露对斑马鱼胚胎、人体细胞和两种模式植物及其根际微生物的毒性效应,从表型、生理生化指标、微观结构以及分子和蛋白水平阐明了全氟和多氟化合物对模式动植物和人体细胞的毒性作用机理,揭露了全氟和多氟化合物暴露对水生动物种群和陆生植物的危害,希望能引起人类对全氟和多氟化合物污染的重视。另外,该研究为人类肿瘤治疗提供了新的靶向,还为微生物修复全氟和多氟化合物污染提供了重要理论依据。

摘要译文

关键词：

全氟和多氟化合物; 胚胎发育; 细胞凋亡; 植物毒性; 根际微生物

学位年度：

2023

学位类型：

博士

学科专业：

能源与环保

导师：

李欣

中图分类号：

X171.5[污染生态学]

学科分类号：

071306[修复生态学];083001[环境科学];083003[环境健康]

D O I：

10.27135/d.cnki.ghudu.2023.000623