生物配體模型(BLM)對于評價金屬聯(lián)合毒性的適用性研究.pdf

1、在受污染的環(huán)境中,金屬通常是相互混合并且相互作用的。然而,目前對污染物的風(fēng)險評價通常還是以單一污染物的效應(yīng)評價為基礎(chǔ)的。近年來,生物配體模型(Biotic Ligand Model,BLM)由于其在金屬水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)制定以及生態(tài)風(fēng)險評價中的應(yīng)用而日益受到重視。BLM的方法具備應(yīng)用于混合金屬風(fēng)險評價的能力,但其無法被簡單直接的應(yīng)用于金屬混合物效應(yīng)的評價,而且目前仍不清楚模型的一些簡單假設(shè)能否滿足混合金屬復(fù)雜的相互作用。因此,應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎地將BLM的

2、方法應(yīng)用于金屬相互作用的模擬。本文簡要的介紹了BLM的發(fā)展以及理論基礎(chǔ),在對模型的優(yōu)勢和應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,對模型的應(yīng)用范圍進(jìn)行了探索性的研究。首先,以天津地區(qū)的一系列景觀水體與實驗室配制的模擬溶液為例,對已開發(fā)的應(yīng)用于大型溞(Daphnia magna)的急性Zn-BLM的預(yù)測能力進(jìn)行評價。其次,嘗試將BLM的方法應(yīng)用于斑馬魚胚胎毒性的預(yù)測,以探討將模型推廣到其他生物(或其他發(fā)育階段)的適用性。為探明Ca2+濃度增加是否

3、會使魚類早期發(fā)育階段對鉛毒性的敏感性升高,以及Ca2+單獨減弱鉛毒性的濃度范圍,選用斑馬魚胚胎作為實驗材料,記錄在不同的水化學(xué)參數(shù)條件下,胚胎發(fā)育過程中一些具有代表性的毒理學(xué)終點,采用相對易于觀察且敏感的指標(biāo)--72 h孵化率進(jìn)行分析。論文重點探討了量化微量營養(yǎng)元素銅(Cu)與非必需金屬鉛(Pb)積累的相互作用,以驗證BLM的一些基本假設(shè)。在人工配置的已知離子濃度的實驗溶液中,采用野生型淡水單細(xì)胞綠藻Chlamvdomonas rein

4、hardtii做短時積累實驗,暴露濃度范圍是5×10-8至5×10-6M,同時測定Pb和Cu單獨存在時的內(nèi)化通量,以使用常數(shù)的倒數(shù)來確定Michaelis-Menten穩(wěn)定常數(shù)。在此基礎(chǔ)上,論述BLM是否具有預(yù)測另一種生物效應(yīng)--基因表達(dá)的潛力。研究不同Cu和Pb的濃度下,綠藻生物積累和與金屬效應(yīng)相關(guān)的基因表達(dá)的變化。著重研究以下幾個基因,編碼:自然抵抗聯(lián)合巨噬細(xì)胞蛋白(natural resistance associated mac

5、rophage protein,nramp1),銅傳輸位點(copper transporter,ctr2),氧化壓力效應(yīng)基因--谷胱甘肽過氧(化)物酶(glutathione peroxidase,gpx5),以及谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶(glutathioneS-transferase,gsts2)。研究采用Visual MINTEQ version2.5.2進(jìn)行BLM的相關(guān)計算以及金屬與溶液中離子的化學(xué)形態(tài)分析。本文的研究結(jié)果可以用來擴展B

6、LM對于金屬混合物的預(yù)測能力,從而提高該模型預(yù)測金屬混合物毒性的能力。
　　 論文研究結(jié)果表明:
　　 (1)在測試的水化學(xué)參數(shù)范圍內(nèi),認(rèn)為以鋅對大型蚤的急性毒性數(shù)據(jù)建立起來的模型是一種有用的工具,能夠在鋅的生態(tài)風(fēng)險評價中考慮生物有效性的問題,對所有水體(包括不同稀釋倍數(shù)的水樣)的預(yù)測結(jié)果與測試結(jié)果近似,80％的實測值在預(yù)測值67％～150％范圍內(nèi)。但以魚類為基礎(chǔ)開發(fā)的,通過下調(diào)LA50被應(yīng)用于水蚤的急性Zn-BLM的預(yù)

7、測值普遍高于實測值,其實測值為預(yù)測值的約2至4倍。通過調(diào)整LA50拓展模型適用性的方法過于簡單,正受到質(zhì)疑。
　　 (2)當(dāng)Ca2+濃度從0.25 mmol/L增加到2.00 mmol/L時,導(dǎo)致了以自由鉛離子活度({Pb2+})和溶解態(tài)鉛總濃度([Pb]T)表示的72-h EC50的增加(表現(xiàn)為發(fā)育延遲),兩者之間存在良好的線性關(guān)系。通過這一線性關(guān)系,可以對Ca2+濃度對鉛毒性的影響進(jìn)行預(yù)測。這一結(jié)果支持了生物配體模型(BLM

8、)概念的假設(shè),說明在胚胎的表面,鉛離子與鈣離子可能在傳輸和毒性作用位點上存在競爭作用。而當(dāng)Ca2+濃度從2.00 mmol/L增加到4.00 mmol/L時,72-h EC50{Pb2+}和72-h EC50[Pb]T并沒有顯著的增加。
　　 (3)Cu的穩(wěn)定常數(shù)為105.8M-1,與Pb的常數(shù)(105.9M-1)相似。然而,競爭實驗沒有表現(xiàn)出直接的拮抗作用,這與BLM的預(yù)測不符。當(dāng)Pb存在時,在高濃度條件下,Cu的積累會由于P

9、b的影響而降低,但當(dāng)Cu的濃度低于10-7M時,Cu的積累不受Pb的影響。在高濃度的Cu(>1μM)條件下,Cu表現(xiàn)出競爭抑制；而在低Cu條件下,Cu對Pb的積累有協(xié)同效應(yīng),這種協(xié)同效應(yīng)無法用BLM的觀點解釋。為了解釋這一效應(yīng),進(jìn)一步進(jìn)行了細(xì)胞活動能力試驗,膜滲透性試驗以及基因表達(dá)試驗。在Pb存在的條件下,ctr2(一段編碼Cu傳輸位點的基因)的表達(dá)增加,表明生物積累是一個比模型假設(shè)更加復(fù)雜的動態(tài)過程。
　　 (4)不同基因會產(chǎn)

10、生不同的相互作用,表明每種基因都可能會產(chǎn)生其特異的細(xì)胞內(nèi)的反饋與調(diào)節(jié),這也會與不同的金屬有關(guān)。這與穩(wěn)定狀態(tài)模型的一個假設(shè)不符:在敏感位點上不會引起顯著的生物調(diào)節(jié)。即使在短時間的暴露實驗中,仍然難以滿足該假設(shè)。不同金屬傳輸位點所出現(xiàn)的效應(yīng)不同(ctr2和nramp1),表明傳輸分子發(fā)生了調(diào)解與改變。而且,BLM的假設(shè)認(rèn)為金屬的生物效應(yīng)是由于金屬富集在生物配體上所產(chǎn)生的,是金屬積累的函數(shù)。雖然金屬必須先積累在生物體中才能產(chǎn)生生物效應(yīng),但如僅