不同形态砷和镉的毒性评价研究

作     者：齐子和 

作者单位：大连工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王海涛

授予年度：2021年

学科分类：0832[工学-食品科学与工程（可授工学、农学学位）] 08[工学] 083204[工学-水产品加工及贮藏工程] 

主      题：砷 镉 金属硫蛋白 食源性荧光纳米粒子 代谢作用水平指数(MELI) 代谢组学 脂质组学 

摘      要：重金属砷和镉能够通过生物富集作用积蓄在水产品内,是水产品中常见的重金属污染物。砷和镉在水产品内能够与多种生物大分子结合。一方面,砷与镉进入水产品后会和不同生物大分子结合形成重金属-有机复合物。另一方面,水产品热加工过程中各组分间的复杂变化也会改变重金属的赋存形态。这种砷和镉形态的改变会导致其在人体内的吸收、分布和代谢发生改变,进而造成迥然不同的毒性。因此深入研究不同形态砷和镉的毒性机制对认识重金属的危害十分重要。目前,主要通过测定水产品中重金属元素含量评估重金属污染风险,然而这并不能够准确反映出重金属对人体的毒性。针对这一问题,以水产品中主要重金属(砷和镉)污染物为研究对象,模拟砷和镉在水产品体内的两种不同存在形式,研究重金属毒性机制。以金属硫蛋白-砷复合物为例,研究重金属-有机复合物毒性机制,以荧光纳米粒子与镉复合物为例,研究水产品热加工过程中各组分间的复杂变化对重金属毒性影响,旨在阐明不同存在形态砷与镉对人体的健康风险。首先,研究了金属硫蛋白-砷复合物的毒性机制。考察了砷(As3+)与金属硫蛋白相互作用机制。两者相互作用过程中的吉布斯自由能为-25.42 kJ moL-1,说明其结合过程是自发的。砷(As3+)暴露下,细胞磷脂代谢、氨基酸代谢以及能量代谢紊乱。这进一步导致线粒体膜电位的降低以及胞内活性氧的大量累积,进而引起细胞凋亡。在砷复合物存在情况下,由砷诱导的代谢紊乱显著改变。与砷暴露相比,复合物暴露于细胞后,细胞内活性氧含量显著下降17%,线粒体膜电位显著升高,为砷处理组的1.21倍,且与正常细胞线粒体膜电位相当。同时,砷复合物暴露细胞后,G2/M期阻滞得到改善。这说明金属硫蛋白-砷复合物诱导的细胞毒性显著小于砷诱导的细胞毒性。其次,研究了水产品热加工产物对重金属毒性影响的机制。与镉单独暴露相比,荧光纳米粒子与镉联合暴露显著诱导了线粒体损伤,细胞内活性氧水平也显著升高。通过计算代谢作用水平指数(MELI)定量描述荧光纳米粒子和镉对代谢的联合作用类型。通过计算细胞中所有代谢物的MELICom值为1,接近于(MELICd2+2+MELICCDs2)1/2的值0.846,细胞中所有脂质分子的MELIComm值为0.6,高于MELICCDs+MELICd2+的值0.469,因此联合暴露对细胞的整体代谢作用类型为加和效应,对脂质代谢的整体作用类型为协同效应。以上结果说明,与镉暴露相比,荧光纳米粒子-镉复合物对细胞的毒性增强。综上所述,本研究从代谢层面阐明细胞对砷复合物与镉复合物的毒性响应,为揭示水产品中不同赋存形态重金属的毒性机制提供了重要信息。