镉和无机砷对三疣梭子蟹毒性作用机制研究

作     者：刘鸽 

作者单位：上海海洋大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐英江

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 0713[理学-生态学] 

主      题：三疣梭子蟹 镉 砷 毒性作用机制 组学 

摘      要：近二十年来,随着经济的蓬勃发展,沿海地区工业迅速崛起,众多的重金属加工、冶炼企业飞速发展,大量携带重金属的工业污水被排入海洋环境中,使得我国近岸海域重金属污染日趋严重,更是导致近岸海域成为重金属污染物的巨型载体。不同于有机污染物,自然条件下生物不能对重金属进行有效的分解利用,极易在海洋环境中累积,具有高危性和难治理性的特点,在海洋环境中累积到一定浓度,会对海洋生物体产生毒害作用,进而对海洋生态系统产生潜在危害。本研究以我国近岸海域重金属污染现状为基础,选择检出频次较高的重金属镉(Cd)和类金属砷(As)为暴露污染物,以三疣梭子蟹为研究对象,利用基于超高效液相色谱的非靶向代谢组学、基于同位素标记定量技术(TMT)的蛋白质组学及其他分子生物学作为研究手段,探究0.05 mg/L Cd和0.3 mg/L As(Ⅲ)、As(Ⅴ)暴露96 h对三疣梭子蟹的毒性作用机制。研究结果为检测环境污染物生物效应标志物筛选和毒性效应研究提供理论依据和技术支撑。研究结果如下:(1)Cd和As对三疣梭子蟹抗氧化系统影响研究利用抗氧化酶活为指标对三疣梭子蟹鳃组织、肌肉组织和性腺组织展开Cd、As(Ⅲ)和As(Ⅴ)胁迫实验。结果显示,鳃组织、肌肉组织、性腺组织在Cd、As(Ⅲ)、As(Ⅴ)处理下抗氧化指标均发生变化。Cd、As(Ⅲ)、As(Ⅴ)暴露后三疣梭子蟹鳃组织、肌肉组织、性腺组织中超氧化物歧化酶(SOD)表现为随着暴露时间的推移,SOD活性升高,是三疣梭子蟹对重金属的适应性反应,通过调整SOD活性来应对重金属胁迫产生的活性氧(ROS),是一种急性解毒措施;丙二醛(MDA)含量在不同组织中均呈现随着时间的延长而增加的现象,说明Cd、As(Ⅲ)、As(Ⅴ)对三疣梭子蟹造成了脂质氧化损伤;还原型谷胱甘肽(GSH)含量出现下降,说明三疣梭子蟹启用自身保护措施,响应重金属胁迫产生的氧化应激反应。(2)Cd对三疣梭子蟹毒性作用机制研究基于液相色谱-质谱联用(LC-MS)技术的代谢组学研究结果显示,三疣梭子蟹经Cd暴露后共得到1032个代谢物。与对照组相比,Cd暴露组筛选出59个差异代谢物,其中上调的有38个,下调的有21个。KEGG、HMDB注释结果显示主要是辅酶Q、前列素E2、谷氨酸、磷酸胆碱、三磷酸腺苷、丙氨酸和白三烯等含量发生显著变化。利用基于TMT技术的蛋白质组学研究三疣梭子蟹蛋白质的变化,共得到102个差异蛋白,与对照组相比,发生上调的有28个,下调的有74个。差异蛋白功能和通路分析结果显示,Cd暴露抑制了三疣梭子蟹磷酸甘露糖异构酶的表达,破坏N-糖基化过程来抑制糖酵解过程;促进了三疣梭子蟹的氨基酸、蛋白质和脂质代谢;诱导了三疣梭子蟹严重的免疫、氧化应激反应与信号传导;干扰了三疣梭子蟹细胞骨架的稳定性。(3)As对三疣梭子蟹毒性作用机制研究基于LC-MS技术的代谢组学研究显示,三疣梭子蟹经As(Ⅲ)暴露后共得到1989个代谢物;与对照组相比,As(Ⅲ)暴露组共筛选到100个差异代谢物,其中上调的差异代谢物有74个,下调的有26个;KEGG、HMDB注释结果显示主要是精氨酸、丙氨酸、甘氨酸、三磷酸腺苷、犬尿氨酸和白三烯等代谢物含量发生显著变化;三疣梭子蟹经As(Ⅴ)暴露后共得到1049个代谢物。与对照组相比,As(Ⅴ)暴露组筛选出59个差异代谢物,其中上调的差异代谢物有37个,下调的有22个。注释结果显示主要是精氨酸、丙氨酸、甘氨酸、谷氨酸和甘油磷脂等代谢物含量发生显著变化。利用基于TMT技术的蛋白质组学研究三疣梭子蟹蛋白质的变化,与对照组相比,As(Ⅲ)暴露组筛选出407个差异蛋白,包括133个上调表达的蛋白和274个下调表达的蛋白;As(Ⅴ)暴露组鉴定出144个差异蛋白,上调表达蛋白和下调表达蛋白数目分别是35和109。差异蛋白功能和通路分析结果显示,As(Ⅲ)、As(Ⅴ)暴露对三疣梭子蟹的影响表现在以下方面:As(Ⅲ)、As(Ⅴ)暴露抑制了三疣梭子蟹糖酵解;促进了三疣梭子蟹的脂质代谢,并干扰了三疣梭子蟹的蛋白质降解/合成;影响了三疣梭子蟹细胞外基质相关的信号通路和Ca稳态等生理过程;影响了三疣梭子蟹细胞骨架结构;诱导了三疣梭子蟹的氧化应激和免疫反应。