大型海藻对铜高累积的动力学机制

Coastal and estuary environments of China are now facing increasing challenges of copper contamination. The high bioaccumulation of heavy metals in macroalgae is important to the environment protection and food safety. However, the regulatory mechanisms of the high bioaccumulation in macroalgae remain unclear. By using the ecotoxicological theories and methods--kinetic model, stable isotope tracing technique and heavy metal subcellular partitioning model, the present study will test whether macroalgae (Ulva lactuca, Gracilaria lemaneiformis and Sargassum fusiforme) show different patterns in absorption, bioaccumulation , elimination and subcellular partitioning of aqueous copper when exposed in different environmental factors（salinity, temperature，nutrient etc.）. The proposed study will demonstrate characteristics of dynamic change of copper subcellular fraction and reveal the correlation between copper subcellular distribution and high accumulation in macroalgae. In summary, this study will enrich our knowledge on the mechanism of trace element bioaccumulation in macroalgae, give more advices to marine reserve, healthy aquaculture, food security and construction of marine ranching.

我国的近海河口环境正面临着重金属污染的威胁。大型海藻对重金属的高累积与生态保护和食品安全等密切相关。然而关于大型海藻对重金属高累积机制尚不清楚。本项目拟选择大型海藻石莼、龙须菜、羊栖菜以及重金属铜作为研究对象，运用生物动力学模型、同位素示踪技术、重金属亚细胞分布模型等生态毒理学研究方法和技术手段，比较大型海藻在不同的环境因素（盐度、温度、营养盐等）中铜的吸收、累积、清除和亚细胞分布的异同，阐明大型海藻中铜的亚细胞动态变化特征，揭示铜在亚细胞水平上的分布与铜在大型海藻体内高累积之间的相关性。本项目顺利进行可促进大型海藻重金属累积机制的理解，对海洋生物保护、健康养殖、食品安全和海洋牧场构建供理论指导。

有关大型海藻对重金属的累积主要集中在在重金属浓度检测、重金属的防御机制等研究上，仅从铜的最终累积浓度变化以及和相关参数的关系不能准确揭示出大型海藻对铜的高累积机制。针对大型海藻对铜的高累积能力研究较少。本项目选择绿藻类大型海藻石莼（Ulvalactuca）、红藻类大型海藻龙须菜（Gracilarialemaneiformis）为研究对象，用稳定同位素示踪技术测定大型海藻在对铜的水相吸收速率常数和排出速率常数，构建大型海藻对铜的吸收动力学模型。分析不同的外界铜浓度、盐度、营养盐条件下，大型海藻对铜的吸收和排出动力学变化特征。建立铜在大型海藻中亚细胞分布动态模型，分析铜在亚细胞水平的转运和排出特点及其随时间变化的规律。结果显示，大型海藻对铜具有较高的吸收能力，低盐度和高的环境铜浓度均能通过增加对水相铜的吸收速度达到高累积的效果，营养盐对藻体吸收铜的影响程度与藻体的种类有关。不同大型海藻对铜的累积能力不同，一方面取决于藻体对铜的吸收速率常数和排出速率常数大小，表现为高的吸收速率常数和低的排出常数更有利于藻体对铜的吸收。另一方面，取决于铜在藻体中亚细胞存储位置，一般铜在HSP中存储比例高的藻体对铜的累积能力高于铜在HSP中存储比例低的藻体。另外，石莼对铜的BCF与水相暴露浓度呈显著线性关系，表明可以通过石莼的BCF预测环境中水体中铜的浓度。