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聚苯乙烯微塑料及芳基磷酸酯阻燃剂对海洋微藻的毒性效应机制研究认领

被引量： 7

作者：

王素春

学位授予单位：

山东大学

摘要：

微塑料和有机磷酸酯阻燃剂(OPFRs)均为海洋中的新型污染物,在海洋中分布广泛,并且随着塑料和OPFRs用量的增加,这两种污染物在海洋中的污染程度也逐渐加剧。研究表明,微塑料和OPFRs对海洋生物有毒性作用,对海洋生态系统造成了巨大威胁。并且,在海洋中,微塑料可携带并传输OPFRs,导致两种污染物对海洋生物产生的影响更加复杂多变。海洋微藻作为海洋中的初级生产者,对维持海洋生态系统的稳定具有重要意义,同时,海洋微藻也是毒理学研究中的典型受试物种。已有文献报道,微塑料及OPFRs对微藻有毒性效应,但是大多数涉及微塑料的研究仅限于对生理指标的检测,同时,OPFRs对海洋微藻的毒性研究非常有限。因此,本论文研究了微塑料及典型芳基磷酸酯阻燃剂对海洋微藻的毒性效应及作用机制,并开展了微塑料与OPFRs对海洋微藻联合毒性的评价工作,为评估微塑料及OPFRs对海洋生态系统的影响提供了基础数据及理论支撑。本论文的具体研究内容及重要结论如下:(1)明确了微塑料对杜氏盐藻的生理以及代谢通路的影响。通过聚苯乙烯(PS)和老化聚苯乙烯(A-PS)微塑料对杜氏盐藻的毒性实验,发现PS和A-PS微塑料均抑制杜氏盐藻的生长,并且浓度在50 mg/L及以上的微塑料能诱导藻细胞内生成大量活性氧(ROS),进而对藻细胞造成氧化损伤,却能促进藻细胞色素合成。非靶向代谢组学分析表明,PS和A-PS微塑料显著影响了藻细胞的代谢。代谢通路富集结果说明,PS和A-PS微塑料主要扰乱了藻细胞中与氨基酸相关的代谢途径,尤其是氨基酸生物合成和ABC转运蛋白通路均显著上调,进而促进了杜氏盐藻的氮储存和细胞膜两侧物质的跨膜转运。然而,藻细胞中跨膜运输需要消耗大量能量,过于活跃的跨膜运输会间接抑制藻细胞分裂,导致藻细胞生长缓慢。以上结果从生理和代谢水平上更全面地阐释了微塑料对海洋微藻的毒性效应及致毒机理。另外,通过对比实验结果发现,老化增加了微塑料与藻细胞的相互作用,诱导藻细胞形成了更多的ROS,进而引发了更严重的氧化损伤及更强的氧化应激反应。(2)系统地研究了磷酸-2-乙基己基二苯酯(EHDPP)、磷酸三甲苯酯(TCP)、磷酸三苯酯(TPhP)对牟氏角毛藻在生理和转录组水平上的影响,阐明了相关毒性机制。在实验浓度范围内,OPFRs对牟氏角毛藻的生长抑制作用随浓度增加而增加,并导致藻细胞畸形。生理参数测定结果表明,藻细胞的光合作用受到抑制,主要表现为叶绿素含量下降及光合电子传递受阻。电子传递受阻能诱导藻细胞内产生大量ROS,进而引发藻细胞发生膜脂过氧化,对藻细胞膜的结构和功能造成了不可逆的破坏,如细胞膜通透性增加。深入分析转录组结果发现,EHDPP、TCP、TPhP致使藻细胞内多个调控光合蛋白合成的基因表达水平显著下调,以及调控谷胱甘肽还原酶、超氧化物歧化酶及甘油磷脂分解酶合成的基因表达水平显著上调。同时,EHDPP、TCP、TPhP均能诱导编码核糖体蛋白及脯氨酸合成的关键基因表达显著下调,导致藻细胞内核糖体的结构和功能被破坏,抑制了蛋白质的合成,并且降低了藻细胞对OPFRs胁迫的抵抗能力。以上结果说明,EHDPP、TCP、TPhP对牟氏角毛藻的毒性机制为光合作用受抑制、氧化损伤及蛋白质合成受阻。另外,通过对比分析三种芳基磷酸酯阻燃剂的结构性质及其对藻细胞的毒性大小,发现疏水性越强的芳基磷酸酯阻燃剂与藻细胞的相互作用就越强,引起的毒性效应也越强。(3)在研究了微塑料和TPhP对微藻的单独毒性的基础上,本文从藻细胞生长、光合作用、氧化应激等方面评估了微塑料及TPhP对牟氏角毛藻和杜氏盐藻的联合毒性效应。PS微塑料抑制牟氏角毛藻的生长,并引发藻细胞内的氧化应激反应,造成严重的细胞膜氧化损伤。在PS微塑料的作用下,藻细胞叶绿素含量没有明显下降,且高浓度的PS微塑料显著促进了叶绿素的合成。另外,低浓度(≤ 0.8 mg/L)的TPhP在短期暴露中能刺激藻细胞生长,高浓度(≥1.6mg/L)TPhP抑制藻生长,并引发藻细胞膜过氧化损伤。除高浓度的TPhP外,TPhP对叶绿素含量及最大光能转化效率均无显著降低作用。通过进一步分析发现,PS微塑料能吸附TPhP,该作用降低了培养基中TPhP的浓度以及PS微塑料与藻细胞之间的相互作用,进而减小了 TPhP对微藻的毒性。根据指数相加和独立作用模型的评价,表明PS微塑料和TPhP对牟氏角毛藻、杜氏盐藻的联合毒性效应为拮抗作用。

摘要译文

关键词：

微塑料; 有机磷酸酯阻燃剂; 海洋微藻; 毒性效应; 代谢组学; 转录组学

学位年度：

2023

学位类型：

博士

学科专业：

海洋化学

导师：

刘光洲刘菲菲

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：

10.27272/d.cnki.gshdu.2023.000008