淡水螺类对重金属复合污染的响应机理及其生物标志物研究-土壤学

摘 要I摘 要基于我国目前的环境情况，大量金属离子和有机污染物随工农业和生活污水排入到河流湖泊中，导致大范围严重的水污染。生物标志物应用于水环境风险评价中，反映水体重金属污染对水生生物的综合毒性效应，达到对水环境的预警作用。本文选取长江中下游代表性底栖生物铜锈环棱螺和中华圆田螺为受试生物，采用室内培养法研究铜-镉、铜-锌、及锌-镉复合污染对铜锈环棱螺的生态毒理效应，分析重金属复合暴露下，铜锈环棱螺内脏团抗氧化防御系统各指标的变化、探究底栖生物螺类内脏重金属含量与底泥污染物之间的相关性、筛选敏感的生物标志物指标；同时采用主动生物监测法（ABM ）对南京市重金属污染水域进行监测分析，对生物标志物进行综合分析，探讨了底栖生物抗氧化指标作为污染水环境预警系统的可行性。室内模拟试验表明，在底泥中 Cu 含量为 0-200mg/kg，Cd 为 0-100mg/kg的复合污染暴露下，铜锈环棱螺内脏团 Cu 富集量随时间的延长呈先上升后下降的趋势，最高值出现在（50-5（mg/kg） ）复合暴露浓度组，含量为137.840.97（mg/kg） ；Cd 含量在第 10d 表现出迅速上升的趋势。抗氧化酶活性显示：SOD 活性随时间的延长，表现出先增高后下降的趋势； MDA 含量在20d，出现了最大值；CAT 变化与 SOD 活性趋势基本一致。Cu-Zn 复合暴露试验，Cu 富集量在生物内脏团中呈现不一致的变化趋势，并且在 20d，低浓度暴露下，Cu 富集量达到了最高值为 538.92.21（mg/kg） ；Zn 富集量随时间的延长，各暴露浓度组均呈先上升后下降的趋势。SOD 活性在暴露第 20d，低浓度和高浓度组活性升高；MDA 含量在第 30d，暴露浓度为100-200mg/kg 时，达到了最高值；GST 活性整体呈现抑制作用； CAT 活性在第20d 低浓度和中浓度组活性升高。Zn-Cd 复合暴露试验表明，在暴露 10d，铜锈环棱螺内脏团 Zn 富集量呈先诱导后抑制的作用，且复合浓度为 400-100（mg/kg）暴露下，出现了最低值为116.460.54；Cd 在生物内脏团富集量较少。抗氧化酶活性显示：SOD 活性在河海大学硕士学位论文II10d 暴露下，呈先增高、后降低的变化，CAT 活性明显下降；30d，CAT 活性与 SOD 活性的变化趋势一致。MDA 含量在暴露 30d 后，其含量达到4.86（nmol/mg pr） 。GST 活性在暴露 10d，GST 活性没有受到显著诱导，暴露时间延长到 30d，各浓度组显示抑制作用，其中高浓度组抑制作用达到最大。现场动态监测结果表明，作为对照的 0 号水体（饮用水源地水库）监测点综合污染指数（IBR）为 6.79；1 号因周边生活污水的排入，且 1 号河道监测点IBR 为 9.21，底泥中 Zn 含量较高；紧临铜矿工业区的 2 号河道 IBR 为 9.48，污染程度较重，其中底泥中 Cu 含量达到了最大，含量为 460.12.35（mg/kg） 。人工放养的铜锈环棱螺抗氧化酶活性显示：SOD 活性先升后降、 MDA 含量呈不同的变化、GST 活性在 30d，1 号监测点出现显著诱导现象、 CAT 活性随时间的变化均是在降低。人工放养的中华圆田螺抗氧化酶活性表明：SOD 活性在15d 和 30d，均被轻微诱导；MDA 含量在 2 号点出现最大值；GST 活性在第15d，各监测点均出现抑制现象；CAT 活性在监测期间呈先降低后升高的趋势。关键词： 重金属；复合污染；生物标志物；铜锈环棱螺；中华圆田AbstrctIIIAbstractBased on current environmental, a large number of metal ions and organic containments discharged into rivers, resulting in serious water pollution. Biomarkers always used in the water environmental risk assessment, reflect comprehensive toxic effects of water heavy mental pollution on aquatic organisms. This paper select Bellamya aeruginosa and Cipangopaludina cahayensis in Yangtze river as test organism, take indoor cultivation measures to study Cu-Cd, Cu-Zn, Zn-Cd complex pollution to the ecological toxicology effects of Bellamya aeruginosa. And use the active biological monitoring (ABM) to monitor and analyze the river polluted by heavy metal, explore the Feasibility to use the Antioxidant index of benthos as the water pollution environmental warning system. Indoor simulation show that Cu content was 0-200mg/kg and Cd content was 0-100mg/kg , Bellamya aeruginosa visceral mass Cu enrichment was first increased and then decreased with time, the highest value in (50-5 (mg / kg), content 137.84 0.97 (mg / kg); Cd content at 10d exhibit rapid upward trend. Antioxidant Enzyme Activity Display: SOD activity with time, showing a downward trend after the first increase; MDA content in the 20d, the emergence of the maximum; CAT and SOD activity changes consistent trend.Cu-Zn composite exposure, Cu enrichment show inconsistencies in the biological visceral mass, low concentrations and in the 20d, Cu enrichment reached a maximum value of 538.9 2.21 (mg / kg); with time , Zn enrichment showed a downward trend after and first rise. SOD activity in the exposed section 20d, low concentration and high concentration group increased activity; MDA content in the first 30d, when exposed to a concentration of 100-200mg/kg, reaching the highest value; GST activity as a whole showed inhibition; CAT activity in section 20d low concentrations and elevated concentrations of group activity.Zn-Cd exposure tests show Bellamya aeruginosa visceral mass Zn enrichment 河海大学硕士学位论文IVwas suppressed after and first induction effect in 10d, compound concentration of 400-100 (mg / kg) exposure, minimum value 116.46 0.54; Cd less visceral mass in biological enrichment. Antioxidant Enzyme Activity Display: SOD activity at 10d exposure, was first increased, then decreased changes, CAT activity was significantly decreased; consistent with changes in the activity of SOD activity 30d, CAT trend. MDA levels after exposure 30d, its content reaches 4.86 (nmol / mg pr). GST activity when exposed 10d, GST activity was not affected significantly induced, prolonged exposure to 30d, each group showed inhibitory concentration, which reached maximum inhibition of the high concentration group.Scene dynamic monitoring results show that as the number 0 in control of the water (source of drinking water reservoirs) monitoring point pollution index (IBR) is 6.79; No. 1, because of sewage discharged into the surrounding, and the 1st river monitoring sites IBR 9.21, high sediment content of Zn; close to the industrial area on the 2nd copper river IBR 9.48, heavy pollution levels, which sediment Cu content reaches the maximum content of 460.1 2.35 (mg / kg). Artificial stocking Bellamya aeruginosa antioxidant enzyme activity Show: After the first lift of SOD, MDA content was different variations, GST activity in the 30d, the 1st monitoring points appear significantly induced phenomena, CAT activity changes over time are in reduced. Artificial stocking Chinese Cipangopaludina cahayensis antioxidant enzyme activity showed: SOD activity in the 15d and 30d, are slight induction; MDA reached the maximum during the 2nd point; GST activity in section 15d, the monitoring points are appear inhibition; CAT activity reduce the increasing trend after the first monitoring period was.Key words: Heavy metals; Combined pollution; Biomarkers; Bellamya aeruginosa Cipangopaludina cahayensis 目 录V目录摘 要 .IAbstract.III目录 .V第一章 绪论 .11.1 研究背景 .11.2 水体重金属污染的影响 .21.3 重金属复合污染现状 .31.4 生物标志物 .41.5 综合生物标志物响应分析 .41.6 抗氧化防御系统 .61.6.1 超氧化物歧化酶（SOD） .61.6.2 过氧化氢酶（CAT） .61.6.3 丙二醛含量（MDA） .71.6.4 谷胱甘肽硫转移酶（GST） .71.7 生物标志物研究进展 .71.8 本文研究的目的、内容及意义 .8第二章 铜、镉复合暴露对铜锈环棱螺内脏抗氧化系统的影响 .112.1 引言 .112.2 材料与方法 .112.2.1 仪器与试剂 .112.2.2 试验生物 .122.2.3 试验方法 .122.2.4 取样和样品处理 .132.2.5 抗氧化酶活性的测定 .132.2.6 铜锈环棱螺内脏 Cu2+、 Cd2+分析 .142.2.7 统计分析 .14河海大学硕士学位论文VI2.3 结果与分析 .142.3.1 Cu、Cd 在铜锈环棱螺内脏团中的富集 .142.3.2 Cu-Cd 复合暴露对铜锈环棱螺内脏团 SOD 活性的影响 .152.3.3 Cu-Cd 复合暴露对铜锈环棱螺内脏团 MDA 含量的影响 .162.3.4 Cu-Cd 复合暴露对铜锈环棱螺内脏团 GST 活性的影响 .172.3.5 Cu-Cd 复合暴露对铜锈环棱螺内脏团 CAT 活性的影响 .182.3.6 抗氧化防御系统的方差分析 .192.3.7 Cu-Cd 复合暴露对 SOD、MDA、GST 和 CAT 的激活率 .192.3.8 复合暴露 30d 铜锈环棱螺内脏组织 Cu、Cd 的交互作用 .202.4 讨论 .212.5 小结 .23第三章 铜、锌复合暴露对铜锈环棱螺内脏抗氧化系统的影响 .253.1 引言 .253.2 材料与方法 .253.3 结果与分析 .253.3.1 Cu、Zn 在铜锈环棱螺内脏团中的富集 .253.3.2 Cu-Zn 复合暴露对铜锈环棱螺内脏团 SOD 活性的影响 .273.3.3 Cu-Zn 复合暴露对铜锈环棱螺内脏团 MDA 含量的影响 .283.3.4 Cu-Zn 复合暴露对铜锈环棱螺内脏团 GST 活性的影响 .283.3.5 Cu-Zn 复合暴露对铜锈环棱螺内脏团 CAT 活性的影响 .293.3.6 抗氧化防御系统方差分析 .303.3.7 Cu-Zn 复合暴露对 SOD、MDA、GST 和 CAT 的激活率 .303.3.8 复合暴露 30d 铜锈环棱螺内脏团 Cu、Zn 的交互作用 .313.4 讨论 .323.5 小结 .33第四章 锌、镉复合暴露对铜锈环棱螺内脏抗氧化系统的影响 .354.1 引言 .354.2 材料与方法 .354.3 结果与分析 .36目 录VII4.3.1 Zn、Cd 在铜锈环棱螺内脏团中的富集 .364.3.2 Zn-Cd 复合暴露对铜锈环棱内脏团 SOD 活性的影响 .374.3.3 Zn-Cd 复合暴露对铜锈环棱螺内脏团 MDA 含量的影响 .374.3.4 Zn-Cd 复合暴露对铜锈环棱内脏团 GST 活性的影响 .384.3.5 Zn-Cd 复合暴露对铜锈环棱内脏团 CAT 活性的影响 .394.3.6 抗氧化防御系统方差分析 .394.3.7 Zn-Cd 复合暴露对 SOD、MDA、GST 和 CAT 的激活率 .404.3.8 复合暴露 30d 铜锈环棱螺内脏团 Zn、Cd 的交互作用 .404.4 讨论 .414.5 小结 .42第五章 淡水螺类生物标志物对典型重金属污染的响应机制 .435.1 引言 .435.2 材料与方法 .445.2.1 仪器与试剂 .445.2.2 试验设计 .445.2.3 试验方法 .455.2.4 数据处理 .455.2.5 IBR 综合指数评价方法 .465.3 结果与分析 .465.3.1 底泥与水样中重金属含量分析 .465.3.2 重金属在铜锈环棱螺内脏团中的富集 .475.3.3 重金属含量在中华圆田螺内脏团的富集 .485.3.4 铜锈环棱螺内脏团自由基的变化 .495.3.5 铜锈环棱螺生物标志物时空变化 .515.3.6 中华圆田螺生物标志物时空变化 .535.3.7 监测点重金属含量相关性分析 .555.3.8 综合生物标志物分析 .565.4 讨论 .58河海大学硕士学位论文VIII5.5 小结 .60第六章 结论与展望 .616.1 结论 .616.2 特色与创新点 .626.3 存在的问题与展望 .62参考文献 .63缩略词 .73致 谢 .75第一章 绪论1第一章 绪论1.1 研究背景我国湖泊、河流等水体环境中重金属污染非常严重。大量金属离子和有机污染物随着工农业和生活污水排入到自然水体中，导致大范围内严重的水污染。重金属污染来源广，残留时间长，且重金属离子具有亲脂性和高富集性，易于在水生生物体内富集，扰乱水生生物的生理生化机制。长江以及周边环境受到一些工厂、企业的排污，致使水体环境遭受到异常严重的污染 1；长江三峡库区江段受上游泥沙以及沿江城市和工厂三废排放的影响，河底沉积物已受到不同程度的重金属污染。太湖、巢湖等湖泊沉积物中重金属污染均呈现严重累积态势，存在程度不同的潜在生态风险 2。有些研究报道中，河流及湖泊等地区的重金属浓度已经远远超过了国家标准，生活在底泥中的生物体重金属的含量也超过了国家食品安全标准 3。综上，水体环境中重金属的污染已经对人类的健康和生活构成了威胁 4-5，水体重金属污染若不能提前预防，势必对人类健康构成重大威胁。重金属如铜、锌、铅、镉等在较低的浓度下污染水产动物后，即可引起机体的氧化应激和氧化损伤。国内外研究者对生物标志物在重金属污染的早期预警及其毒性效应机理方面做了很多研究。Stuart 等发现，肥鳃螺（Gillia altilis）对毒性的敏感性比金鱼和黑头呆鱼的高。研究者用鮈（Gobio gobio）肝脏中重金属和 MT 为指示物，对环境治理前后的比利时德佛兰德斯地区（历史上镉和锌污染较为严重地区）的重金属污染情况进行了监测，发现鮈的肝脏中重金属蓄积量与 MT 蛋白和 mRNA 水平之间存在显著相关，是监测重金属污染的灵敏生物指示物 6； Farombi 等对尼日利亚近工业区的奥贡河段中的非洲鲶（Clarias gariepinus）肝脏、肾脏、心脏和鳃中 MDA 含量进行了测定，发现奥贡河段中的非洲鲶被测组织中 MDA 含量显著升高，因此推断奥贡河受重金属污染严重，进而导致非洲鲶产生氧化胁迫 7。为了调查穿越巴西蒙约琳霍河中重金属污染情况，Ruas 等对捕自该河的尼罗罗非鱼（Oreochromis niloticus） 、伦氏罗非鱼（Tilapia rendalli）和巴西珠母丽鱼（Geophagus brasiliensis）全血中 GSH 水平、河海大学硕士学位论文2SOD、C