长期土壤污染条件下蚯蚓对重金属镉毒性的整体防御体系

This project will study the tolerance and ecological adaptability mechanism in long term soil cadmium contamination of earthworm individuals and population based on the field survey and laboratory experiments. The field survey will mainly study the effect of contaminated years, cadmium concentration etc. in different contaminated areas on the earthworm population structure and distribution; analyze the effect of cadmium on the development of earthworm populations from its whole life cycle and different generations to reveal the mechanism of earthworm population ecological adaptability to heavy metal contamination. With the laboratory microcosm experiments, the effect of cadmium on earthworm individual will be studied from the biological level of earthworm body wall and the digestive tract epidermis, the chloragogenous in the body cavity, enzymes and gene expression changes to reveal the mechanism of earthworm tolerance and adaptability to heavy metal contamination. Finally, the survey and microcosm experiment data will be analyzed with Holistic comprehensive methods to reveal the relationship between earthworm individuals and population and the heavy metal cadmium defense network system of earthworm will be established. This study will provide scientific data for the soil contamination risk assessment and ecological remediation.

本研究采用野外调查与室内微宇宙模拟试验相结合，从个体和种群两个层面研究长期镉污染条件下蚯蚓耐性机制及生态适应性。野外调查主要研究镉污染年限、镉浓度等因素对蚯蚓种群结构和数量的影响；镉对蚯蚓全生命周期及不同世代生殖发育的影响与蚯蚓种群发育的相互关系，揭示蚯蚓种群对重金属污染的生态适应性。室内土壤微宇宙模拟试验主要研究不同蚯蚓种通过体表组织（体壁外表皮和消化道内表皮）、蚯蚓在细胞和亚细胞水平及分子生化水平上对重金属镉污染的响应，在不同生物学水平上揭示蚯蚓个体对土壤镉污染的耐性机制。在上述研究结果基础上，应用整体关联法（holistic）系统分析长期重金属污染条件下蚯蚓个体的耐性机制与蚯蚓种群水平上结构和密度变化的关系, 建立蚯蚓对重金属镉污染的整体关联性网络防御体系，为土壤污染生态风险评价和生态修复提供科学依据。

本项目采用野外调查（湖南）与室内微宇宙模拟试验相结合的方式，研究蚯蚓对污染土壤重金属污染的防御机制。研究了蚯蚓种群结构特征，不同蚯蚓种对重金属的富集能力；在生化、转录和代谢水平上研究了野生蚓和不同代际蚯蚓对重金属污染的适应性和生态防御机制，为正确开展土壤污染生态风险评价和土壤修复提供科学依据。. 野外调研结果表明：长期土壤重金属污染条件下，蚯蚓群落结构趋于简单化，蚯蚓密度和Simpson多样性指数随土壤Cd含量增加而减小，发现了蚯蚓优势种加州腔蚓（M. californica），其分布广数量多，能够在较高污染地区生存和繁殖，有较强的适应能力。同时，分析不同种蚯蚓对重金属的富集，发现相同生态型蚯蚓对重金属的富集能力表现出相似规律。研究重金属在加州腔蚓各亚细胞组分的分布情况，发现Cd和Cu主要分布在细胞溶质中，起到一定解毒作用。另外，通过电镜观察蚯蚓体表变化，发现蚯蚓可通过调节角质层厚度来适应土壤污染环境。. 重金属污染土壤互换培养试验表明：低污染源加州腔蚓放入高污染土壤后，其体内主要处于解毒过程，而高污染源蚯蚓放入低污染土壤中，出现了脂质损伤等现象，且在转录水平上蚯蚓对重金属的响应主要涉及核糖体、糖酵解、碳代谢以及氨基酸生物合成等基础代谢通路，这可能是由于生态代价导致适应型蚯蚓在其他污染（或正常）条件下的适应能力下降。. 原位污土蚯蚓代际培养试验发现：F2代蚯蚓的生物量和繁殖率均低于F1代，且F2代蚯蚓SOD、POD和MDA等生理指标、产卵激素基因表达量呈下降趋势，但MTs、Hsp70基因表达显著高于F1代。在代谢水平上，F2代蚯蚓体内糖类物质减少，胆碱、甜菜碱、肌醇和其他氨基酸显著增加，表明F2代蚯蚓蛋白质合成和能量储备的消耗逐渐减缓，表现出较强的解毒能力。. 针对蚯蚓重金属的解毒代谢通路与相关差异表达基因，长期污染条件下的蚯蚓种群遗传分化，以及蚯蚓在污染土壤生态风险评估和土壤修复等方面的内容，还需进一步研究。