生物配體模型對(duì)于稀土金屬（釤和銪）及其混合物的適用性研究.pdf

1、生物配體模型(Biotic Ligand Model，BLM)是直接定量的以生物敏感性和水體水化學(xué)為基礎(chǔ)來評(píng)價(jià)金屬的生物有效性的工具，該模型綜合了生理學(xué)、化學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及毒理學(xué)的發(fā)展成果。BLM充分考慮了影響金屬對(duì)生物毒性的3個(gè)因素:濃度、絡(luò)合、競(jìng)爭(zhēng)。也就是說，金屬對(duì)生物的毒性首先取決于自由金屬離子在溶液中的活度，而金屬自由離子又與總金屬的濃度有關(guān)，并同時(shí)受無機(jī)配體及有機(jī)配體絡(luò)合的影響。
　　稀土金屬是物理化學(xué)性質(zhì)相似的一組金

2、屬，雖然叫做“稀土”，但其實(shí)其在地殼中含量并不低。由于稀土金屬本身具有很好的磁性、發(fā)光性能以及催化性能，因此廣泛應(yīng)用于高科技及清潔能源產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域。
　　隨著稀土元素在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛大量應(yīng)用，稀土及其化合物將大量進(jìn)入環(huán)境。目前通過農(nóng)田地表徑流和工業(yè)廢水排放等進(jìn)入自然水體的稀土量不斷增加，對(duì)自然水生生態(tài)環(huán)境帶來了潛在的負(fù)面影響，且有可能通過食物鏈影響到人體健康，故研究稀土在水體中相應(yīng)的環(huán)境化學(xué)行為及其生物生態(tài)效應(yīng)有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本研

3、究以BLM為研究工具，以稀土金屬釤和銪為研究目標(biāo)，討論BLM對(duì)于稀土金屬及其混合物的適用性。
　　本文中，首先以稀土金屬釤(Sm)做為目標(biāo)金屬，用單細(xì)胞藻類萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii的短期生物累積實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證BLM的一些假設(shè)。在沒有配體存在的情況下，Sm3+的生物累積過程可以很好的用米門方程(Michaelis-Menten equation)來描述。根據(jù)BLM假設(shè)，Sm的傳輸位點(diǎn)的最大吸收通量Jm

4、ax為1.43×10-14 mol cm-2 s-1，該位點(diǎn)的半飽和系數(shù)（米門系數(shù)）Km為10-7.2 M。不同的配體（檸檬酸，蘋果酸，二甘醇酸）可以顯著降低Sm的吸收通量，然而其吸收通量卻高于BLM的預(yù)測(cè)值，這可能是由于Sm和這些配體的結(jié)合物可直接被萊茵衣藻吸收。在競(jìng)爭(zhēng)實(shí)驗(yàn)中，2種硬度陽離子（Ca2+，Mg2+）和3種其他的稀土金屬（La3+，Ce3+，Eu3+）對(duì)Sm的競(jìng)爭(zhēng)作用可以很好的通過BLM假設(shè)進(jìn)行解釋。并通過BLM假設(shè)，求得

5、這幾種金屬離子對(duì)結(jié)合位點(diǎn)的親和力常數(shù)（富集常數(shù)）分別為KCa=104.0M-1，KMg=102.7 M-1，KLa=106.9 M-1，KCe=107.1M-1，KEu=107.2 M-1。4種所研究的稀土金屬的富集常數(shù)和最大吸收通量都很接近，并呈現(xiàn)出明顯的競(jìng)爭(zhēng)作用，這有可能是由于稀土金屬之間性質(zhì)相似所致。根據(jù)BLM的相關(guān)理論，這表明這些稀土金屬很可能通過一個(gè)相同的傳輸位點(diǎn)進(jìn)行傳輸。
　　然后，以稀土金屬釤(Sm)和銪(Eu)做為

6、目標(biāo)金屬，用單細(xì)胞藻類萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）的短期生物累積實(shí)驗(yàn)(60 min)主要來驗(yàn)證BLM中關(guān)于競(jìng)爭(zhēng)作用的一些假設(shè)。同Sm相類似，在沒有配體存在的情況下，Eu3+的生物累積過程可以很好的用米門方程(Michaelis-Menten equation)來描述，并計(jì)算出Eu的傳輸位點(diǎn)的最大吸收通量Jmax為1.59×10-14 mol cm-2 s-1，該位點(diǎn)的半飽和系數(shù)（米門系數(shù)）Km為10-7

7、.3M，均與Sm很接近。在Sm和Eu的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)驗(yàn)中，固定一種金屬的濃度，其吸收通量隨著另一重金屬濃度的增加而降低，且其降低量與BLM預(yù)測(cè)的結(jié)果相似。在短期生物累積實(shí)驗(yàn)(60 min)中，Sm和Eu呈現(xiàn)出了典型的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，表明這些不同的稀土金屬很可能具有一個(gè)相同的傳輸位點(diǎn)。另外，在存在親水性配體的實(shí)驗(yàn)中，絡(luò)合作用并沒有像BLM預(yù)測(cè)的那樣有效地降低生物累積量，這可能是由于三價(jià)金屬同有機(jī)配體的絡(luò)合物在金屬的傳輸位點(diǎn)上富集，然后在細(xì)胞表面快速的分

8、成有機(jī)配體和金屬，其中只有金屬本身通過細(xì)胞膜進(jìn)入生物體內(nèi)。
　　最后以稀土金屬釤(Sm)和銪(Eu)做為目標(biāo)金屬，用單細(xì)胞藻類萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）的基因表達(dá)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證BLM對(duì)于金屬混合物的一些假設(shè)。在基因表達(dá)實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，也測(cè)得這兩種稀土金屬的生物累積量。在2小時(shí)的暴露時(shí)間內(nèi)，Sm和Eu呈現(xiàn)出了典型的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，表明這兩種稀土金屬很可能具有一個(gè)相同的傳輸位點(diǎn)，同前兩章的結(jié)果一致。在基因表達(dá)試驗(yàn)

9、中，我們選取了二價(jià)金屬傳輸位點(diǎn)(DMT)和谷胱甘肽S轉(zhuǎn)移酶(GSTS2)。在2小時(shí)的暴露時(shí)間內(nèi)，兩種mRNA兩種基因在本實(shí)驗(yàn)條件下并未產(chǎn)生顯著變化，可能是由于以下三種原因所致:(1)所選取的這兩種基因DMT和GSTS2并不會(huì)對(duì)兩種稀土金屬Sm和Eu產(chǎn)生響應(yīng);(2)這兩種基因會(huì)對(duì)稀土金屬產(chǎn)生響應(yīng)，但是并未在本實(shí)驗(yàn)的濃度范圍內(nèi)（3×10-8-3×10-7 M）產(chǎn)生響應(yīng);(3)在稀土金屬的壓力下，萊茵衣藻并未產(chǎn)生其對(duì)應(yīng)的生物調(diào)節(jié)。在這三種假設(shè)

10、中，只有第三種假設(shè)滿足BLM中對(duì)于生物不會(huì)在短期內(nèi)產(chǎn)生生物調(diào)節(jié)的假設(shè)是一致的，即生物體在短期暴露于金屬溶液中，不會(huì)由于金屬進(jìn)入體內(nèi)而產(chǎn)生生物調(diào)節(jié)。
　　釤和銪做為非必需金屬，其混合物實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲ㄟ^生物配體模型關(guān)于濃度和競(jìng)爭(zhēng)的假設(shè)進(jìn)行解釋，但是生物配體模型中對(duì)于絡(luò)合作用的假設(shè)并不能夠解釋和說明這兩種非必需金屬的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。另外，釤和銪做為非必需金屬，在我們所選的試驗(yàn)范圍內(nèi)，對(duì)相關(guān)的基因表達(dá)并未產(chǎn)生影響，這符合生物配體模型中關(guān)于短期生物暴