發(fā)布時(shí)間：2020-04-22 16:52

【摘要】：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(lái)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(shuō),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(wú)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(guò)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(lái)了潛在的負(fù)面影響,且有可能通過(guò)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(lèi)萊茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)的短期生物累積實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證BLM的一些假設(shè)。在沒(méi)有配體存在的情況下,Sm3+的生物累積過(guò)程可以很好的用米門(mén)方程(Michaelis-Menten equation)來(lái)描述。根據(jù)BLM假設(shè),Sm的傳輸位點(diǎn)的最大吸收通量Jmax為1.43×10-14mol cm-2s-1,該位點(diǎn)的半飽和系數(shù)(米門(mén)系數(shù))Km為10-7.2M。不同的配體(檸檬酸,蘋(píng)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(yáng)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(guò)BLM假設(shè)進(jìn)行解釋。并通過(guò)BLM假設(shè),求得這幾種金屬離子對(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=102.7M-1, KLa=106.9M-1, Kce=107.1M-1,KEu=107.2M-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(guò)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)做為目標(biāo)金屬,用單細(xì)胞藻類(lèi)萊茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)的短期生物累積實(shí)驗(yàn)(60min)主要來(lái)驗(yàn)證BLM中關(guān)于競(jìng)爭(zhēng)作用的一些假設(shè)。同Sm相類(lèi)似,在沒(méi)有配體存在的情況下,Eu3+的生物累積過(guò)程可以很好的用米門(mén)方程(Michaelis-Menten equation)來(lái)描述,并計(jì)算出Eu的傳輸位點(diǎn)的最大吸收通量Jmax；為1.59×10-14mol cm-2s,該位點(diǎn)的半飽和系數(shù)(米門(mén)系數(shù))Km為10-7-3M,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)(60min)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(méi)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)胞表面快速的分成有機(jī)配體和金屬,其中只有金屬本身通過(guò)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(lèi)萊茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)的基因表達(dá)實(shí)驗(yàn)來(lái)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)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)(3×10-8-3×10-7M)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)中,只有第三種假設(shè)滿(mǎn)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^(guò)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(shuō)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)于短期生物暴露并不會(huì)引起生物調(diào)節(jié)的假設(shè)是一致的。這說(shuō)明生物配體模型除了不能解釋釤和銪單金屬及其混合物的絡(luò)合作用外,可以解釋該過(guò)程中其他的濃度、競(jìng)爭(zhēng)作用及其相關(guān)基因表達(dá)的作用。
【學(xué)位授予單位】：南開(kāi)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：X171.5

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2636721