不同摄入途径下日本鳉鱼对Cd、Zn的分子毒性响应差异及内在机理

Aquatic organisms take up metals from solution and from their diets. Studies have shown that dietary metals dominate the bioaccumulation of metals in many aquatic organisms. However, it is yet unclear the trophic transfer of metals and toxicity of dietary metals in aquatic ecosystems. Our research proposal highlights the importance of dietary metal in the bioaccumulation of metals and toxicity of trophically-tranferred metals and endeavors to differentiate the toxicity between dissolved and dietary metals. In this proposal, a radiotracer approach (109Cd and 65Zn) will be utilized to study the bioaccumulation of these two metals and toxicity in Japanese medaka (with oligachaetes Lumbriculus variegatus as its major food source). Uptake rate constant, efflux rate constant and assimilation efficiency will be determined and used to develop a dynamic multipathway bioaccumulation model for medaka. Acute and chronic toxicity of dissolved and dietary Cd and Zn on anti-oxidative physiology, apoptosis pathway and reproductive systems in Japanese medaka will be differentiated. In addition, the bioavailability of subcellular distributions of Cd and Zn to Japanese medaka will also be examined. The results of this proposal could provide valuable information on water criteria development and guidelines for aquatic food safety for our country.

摄食和水相吸收是重金属在水生生物体内积累的主要途径，有研究表明，食物相摄取是许多水生生物体内重金属积累的主要来源。金属在淡水生态系统中沿食物链转移的效率和食物相金属对水生动物的毒性尚不清楚。本项目拟利用伽玛同位素计数技术，以夹杂带丝蚓-日本鳉鱼这一典型淡水食物链为研究对象，比较不同摄入途径下Cd、Zn对日本鳉鱼抗氧化系统、细胞凋亡途径和生殖系统的影响，并测定Cd、Zn在鳉鱼体内富集的动力学参数，建立其在鳉鱼体内富集的动力学模型，并阐明金属在食物亚细胞结构中的分布对其生物可利用性的影响。项目的成功实施可以为国家制定水质标准以及保障水产品的食品安全提供重要的理论依据。

水生生物可以通过水相及食物相两个途径摄入金属。近年来食物相金属摄入得到越来越多的重视，某些元素（Se等）在水生生物体内累积主要是通过食物相途径，而且两个途径产生的效应对水生生物也有可能不同。本课题结合运用生物化学、细胞生物学、组织病理学、金属累积动力学等方法与技术，在不同生物学水平上比较了水相和食物相两条摄入途径对铬（Cr）和硒（Se）在不同水生生物体中累积及毒性。. 通过比较水相及食物相Cr在日本鳉鱼体内的累积和毒性效应分子机制的研究，发现Cr在日本鳉鱼体内的累积主要来源于水相途径。Cr主要累积在肝、鳃、肠、性腺等器官，产生氧化胁迫并对这些组织造成损伤，最终导致器官的正常生理功能下降。一个很重要的发现就是Cr可以通过母体传递到子代（受精卵和仔鱼），影响受精率和孵化率；另外，Cr在肝组织的亚细胞分布表明Cr主要分布在热稳定蛋白组分中，这在很大程度上缓解了Cr对鳉鱼的毒性，但是长期Cr暴露仍然降低了鳉鱼的生长发育，特别是繁殖能力明显降低。. Se在水生生物的累积及毒性的研究中主要弄清了其在夹杂带丝蚓体内的累积及探讨了低浓度食物相Se对小鳉鱼（Heterandria formosa）的影响。研究发现，环境相关浓度不同形态的Se在夹杂带丝蚓的累积主要通过食物相途径，其累积速率为Se-L-Met > Se(IV) > Se(VI)。Se暴露可以影响夹杂带丝蚓的抗氧化系统及Na+-K+ ATP酶的活性，同时Se的预暴露可以降低随后Cu暴露在夹杂带丝蚓体内的累积及减缓脂质过氧化。低浓度食物相Se对小鳉鱼有双重效应，有益性表现在能够提高小鳉鱼的抗氧化能力，有害性表现在会抑制Na+-K+ ATP酶的活性。同时Se的预暴露可以降低随后Cd暴露在小鳉鱼体内的累积及减缓脂质过氧化。研究表明，食物相Se摄入途径在水生生物中Se的累积占主导地位；底栖生物不仅是Se在食物链中传递的媒介，其本身也受到Se污染的影响；低浓度Se的潜在毒性不能忽视。. 综合上述结果，食物相和水相在水生生物的累积及毒性具有元素和生物特异性，未来的研究应该侧重探讨不同摄入途径下金属毒性的分子生物学机制，更清晰了解金属不同形态及亚细胞分布等对金属在水生生物个体水平上产生的生物学效应。同时，Se在食物链底层生物的研究值得更多的关注。