海水低氧和升温背景下纳米塑料对紫贻贝的毒理效应研究

	海水低氧和升温背景下纳米塑料对紫贻贝的毒理效应研究
	王鑫
学位类型	博士
导师	赵建民
	2024-05-19
培养单位	中国科学院烟台海岸带研究所
学位授予单位	中国科学院大学
学位名称	理学博士
学位专业	海洋生物学
关键词	紫贻贝纳米塑料气候变化复合暴露毒理效应
摘要	作为一类新兴的环境污染物，纳米塑料对海洋生态系统的影响日益受到关注。相较于微塑料，纳米塑料具有更小的尺寸和更高的比表面积，这些特性可能使得纳米塑料对海洋生态系统构成了更为严重的影响。在全球气候变化背景下，海洋环境中的纳米塑料污染往往与气候变化压力源同时存在，从而对海洋生物和生态系统构成复合胁迫。然而，目前关于气候变化背景下纳米塑料的生态风险评估研究仍然非常有限。因此，亟需阐明纳米塑料和气候变化压力源对海洋生物的复合毒性效应及其作用机制，这是在不断变化的气候条件下进行纳米塑料生态风险评估和制定生态保护策略的重要环节。紫贻贝（Mytilus galloprovincialis）是沿海生态系统中重要的基础物种，附着的生活习性使其难以逃离不利的生存环境；同时，滤食特性使得它们易于吸收水中的颗粒物，这些特性使得紫贻贝成为了评估纳米塑料污染和气候变化压力源联合毒性效应的理想指示生物。鉴于此，本研究以紫贻贝为研究对象，选取聚苯乙烯纳米塑料（Polystyrene Nanoplastics, PS-NPs）为模式纳米塑料，利用传统生态毒理学、转录组学和代谢组学等技术，从个体、组织、细胞和分子多层面探究了海水低氧和升温条件下PS-NPs对紫贻贝的毒理效应及其潜在作用机制。主要研究内容和结果如下：（1）采用传统生态毒理学方法，通过测定PS-NPs的生物富集作用、标准代谢率、氧化应激生物标志物和血细胞参数，在个体、组织和细胞层面探究了PS-NPs和不同模式的低氧单独/复合暴露对紫贻贝的影响。结果表明，紫贻贝的鳃和消化腺组织均能富集海水中的PS-NPs，且消化腺中PS-NPs的富集量显著高于鳃组织。持续低氧降低了紫贻贝对PS-NPs的生物富集作用，这可能是由持续低氧条件下紫贻贝的标准代谢率降低所导致；然而，波动性低氧对紫贻贝组织内PS-NPs的富集和标准代谢率无显著影响。PS-NPs暴露和不同模式的低氧处理均能够诱导紫贻贝鳃组织产生氧化损伤现象，且波动性低氧进一步加剧了PS-NPs所导致的氧化损伤。此外，PS-NPs和波动性低氧均能够导致血细胞中活性氧含量的显著升高，而PS-NPs和持续低氧均可抑制血细胞的吞噬活性，且持续低氧能够加剧PS-NPs对吞噬活性的抑制作用。（2）整合传统生态毒理学方法和靶向代谢组学技术，探究了PS-NPs和持续低氧单独/复合暴露对紫贻贝消化腺组织内中心碳代谢的影响。结果表明，PS-NPs和/或持续低氧处理均可导致紫贻贝消化腺内中心碳代谢物的显著变化；相较于单独暴露组，复合暴露导致了更多的中心碳代谢物含量改变，提示复合暴露对紫贻贝消化腺组织内中心碳代谢造成了更严重的干扰。PS-NPs暴露导致紫贻贝消化腺三羧酸循环速率下降，但为维持细胞能量供应，电子传递链的活性相应增强以补偿三羧酸循环速率的降低。然而，在PS-NPs和持续低氧复合暴露下，尽管机体试图通过提升三羧酸循环速率来维持细胞功能和生存，但由于持续低氧条件下氧气供应受到限制，电子传递链活性降低，最终导致紫贻贝消化腺内能量的缺乏。此外，PS-NPs和持续低氧均对磷酸戊糖途径产生负面影响，磷酸戊糖途径速率的降低导致NADPH供应的减少，进而破坏了消化腺内的氧化还原稳态；其中，PS-NPs和持续低氧复合暴露组中的紫贻贝遭受了最为严重的氧化还原稳态失衡，这种失衡进一步导致了机体的核酸损伤。作为适应性响应，紫贻贝在面临低氧及复合暴露压力时，能够通过调整无氧代谢途径中关键酶的活性以应对不利环境，但这一调整可能不足以完全抵消外部压力所带来的负面影响。（3）采用传统生态毒理学方法，通过测定紫贻贝体内PS-NPs的生物富集作用、标准代谢率、氧化应激生物标志物和脂质含量，从个体、组织和细胞层面探究了PS-NPs和海水升温单独/复合暴露对紫贻贝的影响。结果表明，海水升温增加了低浓度PS-NPs暴露组消化腺中纳米塑料的积累，但对高浓度PS-NPs暴露组的积累则无显著影响，这可能与紫贻贝标准代谢率的变化策略有关。高浓度PS-NPs暴露可导致紫贻贝标准代谢率的显著降低，表明其对机体生理状态具有抑制作用；而在单独升温条件下，紫贻贝的标准代谢率会增加，以维持足够的能量摄入应对升温导致的生理压力。然而，高浓度PS-NPs与海水升温复合暴露并未导致标准代谢率的显著增加，提示高浓度纳米塑料可能阻碍了紫贻贝在海水温度升高时提高代谢率的能力。此外，在单一暴露情况下，PS-NPs和海水升温均能诱导紫贻贝消化腺中的氧化应激，而机体可通过其抗氧化系统积极响应以减少氧化应激。然而，复合暴露所导致的氧化应激可能超出了紫贻贝抗氧化防御系统可承受的范围，从而导致较高的脂质过氧化。PS-NPs和海水升温均能降低紫贻贝消化腺中甘油三酯的含量，且复合暴露组紫贻贝消化腺中的甘油三酯含量最低。此外，紫贻贝消化腺中胆固醇的含量随海水温度升高而增加，表明机体能够通过调整胆固醇含量来维持细胞膜的流动性和功能稳定。（4）整合高通量非靶向代谢组学和转录组学技术，探究了PS-NPs和海水升温单独/复合暴露对紫贻贝消化腺组织代谢过程的扰动及其潜在的分子机制。结果发现：PS-NPs处理显著影响了紫贻贝消化腺中的脂肪酸氧化、甘油磷脂代谢，以及精氨酸和脯氨酸的代谢途径。具体而言，PS-NPs能够通过增加棕榈酰肉碱含量促进脂肪酸的β-氧化，以增强能量产生；但PS-NPs也干扰了甘油磷脂代谢途径，进而导致消化腺内膜成分代谢物含量的减少。此外，PS-NPs对紫贻贝消化腺中的精氨酸和脯氨酸代谢路径产生显著影响，干扰了氨排泄和脯氨酸代谢，进而影响三羧酸循环的效率。海水升温则显著影响了紫贻贝消化腺中的多不饱和脂肪酸代谢途径，包括花生四烯酸代谢、甘油磷脂代谢、α-亚麻酸代谢和亚油酸代谢，进而抑制了与免疫和炎症调节相关的生物活性代谢物的合成，表明海水升温可显著影响紫贻贝消化腺细胞膜的功能、氧化应激的敏感性以及炎症反应。在PS-NPs与海水升温复合暴露下，甘油磷脂代谢途径中的磷脂酰胆碱和溶血磷脂酰胆碱含量发生显著改变，表明复合暴露导致了严重的氧化应激，并对细胞吞噬活动和免疫反应产生了潜在的不利影响。此外，复合暴露还抑制了紫贻贝消化腺中与蛋白质合成相关的通路，进而影响了氨基酸的利用效率，导致氨基酸的积累。综上所述，本研究初步探明了海水低氧和升温背景下PS-NPs对紫贻贝的毒性效应及其潜在作用机制，相关结果可为全球气候变化背景下纳米塑料的生态风险评估提供科学依据和数据支撑。
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.yic.ac.cn/handle/133337/35382
专题	中国科学院烟台海岸带研究所知识产出_学位论文
推荐引用方式 GB/T 7714	王鑫. 海水低氧和升温背景下纳米塑料对紫贻贝的毒理效应研究[D]. 中国科学院大学,2024.

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海水低氧和升温背景下纳米塑料对紫贻贝的毒（334347KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文