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有机磷酸酯（OPEs）对赤子爱胜蚓的毒性效应及机制研究认领

被引量： 35

作者：

杨扬

学位授予单位：

南京大学

摘要：

有机磷酸酯(organophosphorus esters,OPEs),作为应用最广泛的一类有机磷阻燃剂,具有品种多,价格低廉,阻燃效果好等特点,在家具、纺织品、建筑材料和电子产品中大量使用。由于OPEs主要以掺杂混合而非化学键合方式加入到材料中,其大多数具有半挥发性,因此随着OPEs的广泛使用,越来越多的OPEs释放到环境中。近年来,在水体、大气、室内以及土壤中均检测到多种OPEs的存在,其环境和健康风险亟待评估。目前,针对OPEs的生态毒性研究,主要集中在水生生物(包括斑马鱼、大型潘等)和鸟类,而对土壤生物的研究鲜有报道。本研究采用土壤无脊椎动物赤子爱胜蚓(Eisenia fetida)作为受试生物,通过滤纸接触法和人工土壤法分析了三类不同取代基类型OPEs对蚯蚓的急性毒性及毒性效应,并利用多组学技术重点研究了其中毒性最大的磷酸三正丁酯(TnBP)对蚯蚓的致毒机制。主要研究内容和结果如下:(1)通过滤纸接触法测定了三种取代基类型的OPEs对蚯蚓急性毒性指标LD50,包括氯代烷基类(磷酸三(1,3-二氯-2-丙基)酯TDCP和磷酸三(2-氯乙基)酯TCEP)、烷基类(磷酸三甲酯TMP和TnBP)和芳基类(磷酸三甲苯酯TCP),结果发现OPEs毒性大小顺序为TnBP>TCP=TMP>TDCP=TCEP。(2)利用人工土壤法分别研究了 TCEP、TCP和TnBP对蚯蚓的毒性效应,结果发现3种OPEs在10 mg/kg暴露浓度下对蚯蚓体重增长无显著影响,但能造成蚯蚓组织的损伤。3种OPEs暴露均可扰乱蚯蚓抗氧化酶系统的稳定,产生氧化应激,在1 mg/kg暴露浓度下即可引起蚯蚓体腔细胞DNA断裂。3种OPEs暴露对乙酰胆碱酯酶(AChE)活性影响差异不显著。通过计算综合毒性指数IBRv2,三种OPEs的综合毒性效应大小为TnBP>TCP>TCEP,与滤纸法相同。(3)结合转录组学和代谢组学的方法,探究了 TnBP暴露对赤子爱胜蚓肠道损伤的直接作用机制,并选择相应蛋白及基因进行验证。结果显示TnBP可在蚯蚓的肠道组织中积累,影响其结构和消化功能。TnBP使蚯蚓肠道组织内特有的表面活性剂 2-已基-5-乙烷基-呋喃-3-磺酸(2-hexyl-5-ethyl-furan-3-sulfonic acid,HEFS)含量下降,破坏了细胞膜的稳定性;Ca2+-ATPase活性下降使细胞内的Ca2+无法通过Ca2+-ATPase泵出细胞外,导致膜内渗透压升高,进而细胞结构受到破坏。小肠上皮细胞间紧密连接蛋白中的闭合蛋白(occludin)及将跨膜蛋白固定在肌动蛋白细胞骨架上的闭锁连接蛋白-1(Zonulaoccludens-l,ZO-1)表达量显著下调,使细胞间的紧密连接受损。此外,TnBP的暴露明显降低了肠道微生物的多样性,改变了肠道微生物群落结构,显著降低了两种产短链脂肪酸细菌的丰度,引起肠道产短链脂肪酸能力下降,使肠道更易发生炎症反应。(4)通过转录组学和代谢组学的方法,对腹部神经索及头部神经节分别研究,探究了 TnBP暴露对赤子爱胜蚓神经毒性的可能作用机制,并选择相应蛋白含量及基因表达量进行进一步验证。结果发现,TnBP可在蚯蚓神经组织中积累,扰乱兴奋性神经递质谷氨酸的传递,产生兴奋性神经毒性。TnBP使腹部神经索中谷氨酰胺酶的表达量上升,产生大量谷氨酸,并促进突触囊泡对谷氨酸的运输及突触前膜谷氨酸的释放,对谷氨酸受体(GluR)中的离子型受体N-甲基-D-天冬氨酸受体(NMDARs)产生过度刺激,引起神经元产生兴奋性损伤。在此过程中还会导致突触后膜Ca2+堆积,此外Ca2+-ATPase的含量降低,突触后膜的Ca2+无法及时运出胞外,从而引起钙超载,造成神经元的损伤。另一方面,TnBP的暴露会降低蚯蚓头部神经节中谷氨酰胺酶的表达,引起谷氨酸含量降低。Ca2+-ATPase含量的降低使突触后膜Ca2+无法及时运出胞外引起的钙超载,可能是头部神经元损伤的重要原因。此外,Na+/K+-ATPase的下调,使细胞内Na+和Ca2+堆积,引起细胞渗透压失衡,造成神经元损伤。本研究系统地探究了不同取代基类型的OPEs对典型土壤生物蚯蚓的生态毒性效应,并揭示OPEs引起蚯蚓致毒的分子机制,为其污染控制基准和环境评价提供理论支撑。

摘要译文

关键词：

有机磷酸酯; 赤子爱胜蚓; 急性毒性; 肠道损伤; 神经毒性

学位年度：

2018

学位类型：

博士

学科专业：

环境科学与工程

导师：

李梅

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]