基于生物配体模型解释及预测不同类型金属联合毒性作用的机制

This study the theory on the basis of the biotic ligand model, with the means of chemical analysis, chemical equilibrium model, and combined with the mathematical methods to identify the role of metal sites on the basis of the calculated to reflect the metal index on the strength of biological toxicity, such as metal and ligand complexation constant, the establishment of a biotic ligand model for multiple metals and multiple sites (MMMS-BLM). Then, the concept of toxic units, as well as the concentration or effect of the superposition model to explain and predict the combined effects of toxic metals on aquatic organisms. This study focused on theoretical innovation, and want to explore new ideas of the Joint toxicity studies at the theoretical level, through the model, improving the predictive ability of BLM ; use of molecular biology and advanced experimental methods to detect BLM method to predict the joint toxicity of heavy metals to evaluate the BLM method used to study the advantages and limitations of the joint toxicity of heavy metals. And hope to establish a framework for some of the joint toxicity of the metal to integrate the results, to explain its internal rules, to provide a theoretical basis for the more scientifically established water quality standards and improve the ecological risk assessment process.

本研究拟在生物配体模型的理论基础上，借助化学分析手段，利用化学平衡模型，并结合数学方法，在识别出金属作用位点的基础上，计算出反映金属对生物毒性强弱的指标，如金属和配体的络合常数，建立多金属多位点的生物配体模型（MMMS-BLM）。再综合毒性单位的概念，以及浓度或效应叠加模型，解释及预测有毒金属对水生生物的联合作用。本研究侧重于理论创新，希望在理论层面，通过模型的研究探索不同类型金属（生物必需元素和非必需元素）联合毒性研究的新思路，改进BLM的预测能力；利用分子生物学等先进实验手段，检测BLM的方法预测重金属联合毒性的能力，评价将BLM的方法用于研究重金属联合毒性的优势和局限性。并希望建立一个框架，将现在的一些关于金属联合毒性的研究结果整合起来，解释其内在的规律性，为更科学地建立水质标准和完善生态风险评价过程提供理论依据。

借助生物配体模型（BLM）的理论，研究了非必需金属Pb、Cd和稀土金属钐（Sm）、铕（Eu），以及必需金属Cu、Zn单一和混合暴露对单胞藻、大型溞和斑马鱼的生物学效应间的相互作用，及这些交互作用对总体毒性的影响。并将BLM中的重要的物种特征参数，即金属与生物配体络合常数KMBL，引入到金属生物积累-毒性动力学模型（TK-TD model）中。结果表明：Cd、Pb单独暴露下,莱茵衣藻体内金属的生物积累可用米门方程来描述。当固定Cd的浓度，其吸收通量随Pb的增加而显著降低；固定Pb的浓度，其吸收通量随Cd的增加略有降低。表明Pb和Cd可能存在相同的传输位点，且Pb对传输位点的结合能力要远大于Cd。在低浓度Pb和Cd的混合暴露溶液中，短时间内绿藻对Pb的生物积累量会远大于Cd。研究结果表明BLM可用于描述低浓度下Cd和Pb的竞争关系。莱茵衣藻对于钐（Sm）和铕（Eu）的单金属吸收速率也符合米门方程,且两种金属同时存在的条件下,呈现出典型的竞争关系,很好地验证了生物配体模型对浓度和竞争的假设。然而在络合实验中,络合作用并没有像 BLM 预测的那样有效地降低生物累积量。无论是Cd对Pb在幼鱼体内累积量的影响，抑或是Pb对Cd在斑马鱼幼鱼体内累积量的影响，都可以用单位结合位点竞争TK模型来解释及预测，表明这两种非必需元素是共用一种生物吸收通路。而必需元素Cu和非必需元素Cd或Pb之间生物积累的相互作用表明，在较高的Cu2+浓度下，都可以用单位结合位点竞争TK模型来预测。而在低Cu2+条件下，必需元素Cu的生物积累量与TK模型预测不相符。我们推测可能的原因是Cu存在两种吸收位点：一种是Pb或Cd非特异性的，对低浓度的Cu有高的亲和力的位点，另一种对Pb或Cd特异性的，对高浓度的Cu有低亲和力的位点。必需元素Cu与Zn之间相互竞争作用的TK模型能够预测Cu-Zn混合物暴露在幼鱼体内的积累量。修正后的TD模型能够较好的预测Cu-Cd和Cu-Pb混合物的毒性。修正后的TD模型在预测Cu-Zn混合物对幼鱼的毒性方面表现出良好的预测能力。