海洋酸化和金属汞对海洋桡足类的联合毒性效应及其机理

Targeting at ocean acidification and mercury pollution (the major environmental problems in the coastal zones of China), and using their representative copepod species (Calanus sinicus and Tigriopus japonicus) as a model organism, this project aims to elucidate the mechanism of mercury toxicity in marine copepod under ocean acidification from molecular to populational levels. We will make an acute test for mercury toxicity in copepod under different levels of ocean acidification, with determining whether ocean acidification can enhance mercury toxicity to marine copepod. We try to examine the biochemical and proteomic response of copepod to ocean acidification and mercury stress (alone or combined), so as to elucidate their toxicity mechanism in marine copepod. Also, this study could provide a mechanistic answer to the effect of ocean acidification on mercury toxicity in marine copepod. We particularly intend to undertake a multi-generation study in copepod under ocean acidification and mercury stress (alone or combined), and measure egg production, hatching rate, and so on for each generation, in order to quantify the change in the abundance, structure and succession of copepod population. Additionally, a proteomic analysis for their nauplii and adults will be done in each generation, helping to reveal the stress and acclimation mechanism of marine copepod in response to ocean acidification and mercury stress (alone or combined). Taken together, this project helps to accurately assess the influence on the coastal marine ecosystem produced by the combined stress of ocean acidification and mercury pollution.

本项目瞄准中国近海主要环境问题-海洋酸化和汞污染，拟以中国近海代表性桡足类（中华哲水蚤和日本虎斑猛水蚤）为研究对象，首次从分子水平到种群层面来探讨海洋酸化和金属汞对海洋桡足类的联合毒性效应及其机理：进行不同酸化条件下汞对桡足类的毒性测试，探讨海洋酸化是否加剧汞对桡足类的毒性效应；开展海洋酸化和汞胁迫下桡足类的生理生化响应及其蛋白质组学研究，阐述海洋酸化和汞胁迫对桡足类的毒性效应及其机制，重点揭示海洋酸化影响汞对桡足类毒性的作用机理；特别地进行海洋酸化和汞胁迫下桡足类多世代培养及其蛋白质组学研究，分析每个世代桡足类的产卵率、孵化率、幼体存活率、世代时间等，衡量海洋酸化和汞胁迫对桡足类种群丰度、结构和演替的影响，同时对每个世代桡足幼体和成体进行蛋白质组学分析，阐述桡足类对海洋酸化和汞胁迫的应激和适应机制。该项目可为全球气候变化和重金属污染的耦合现象对近海生态系统的扰乱的准确评估提供理论支撑。

本项目瞄准中国近海主要环境问题（海洋酸化和汞污染），以海洋桡足类模式种--日本虎斑猛水蚤为研究对象，利用生理、生化和生态学研究方法，结合蛋白质组学技术，从分子水平至种群层面探讨日本虎斑猛水蚤对不同水平汞污染的生理响应和恢复效应及其分子机理，同时还开展不同酸化和汞污染对日本虎斑猛水蚤的效应及其机制。主要研究发现如下：1）多世代胁迫下，汞显著累积于日本虎斑猛水蚤体内，而且金属含量随着世代数的增加而升高，对该桡足类的繁殖力产生累积抑制效应；当所有桡足类转移至干净海水中进行恢复培养时，虽然处理组的汞含量显著高于对照组，但其繁殖力恢复至对照水平，表明桡足类对汞多世代毒性具有表型可塑性。2）蛋白质组学分析表明汞多世代毒性对日本虎斑猛水蚤产生一系列毒性事件，如蛋白质翻译、生物大分子代谢、DNA复制、细胞周期、卵黄生成等关键过程受到抑制，从而降低其繁殖力；然而该桡足类通过自身糖类代谢、糖酵解、胁迫防御反应、抗生素合成等补偿途径的增加来抵抗汞的毒性效应。3）海水酸化和汞污染对日本虎斑猛水蚤的效应研究表明，酸化显著降低汞在每个世代桡足类体内的累积，进而减轻汞对该桡足类发育和繁殖的毒性；特别是，蛋白质组学技术揭示酸化减轻汞对桡足类毒性的作用机理，也就是说，汞多世代毒性显著引起日本虎斑猛水蚤体内氧化胁迫的出现、自我稳态的异常、谷胱甘肽代谢的紊乱等，从而抑制其繁殖力；酸化可通过该桡足类体内糖类代谢、溶酶体水解、自我吞噬等补偿途径的增加来对抗汞的毒性效应，使得该动物的繁殖力恢复到正常水平。综上，本研究项目率先从蛋白质组层面探讨汞对海洋桡足类的毒性机理以及动物的抵抗机制，首次还从效应和机理两个层面揭示海洋酸化减轻汞对桡足类的毒性效应，拓宽人们关于酸化和金属对海洋生物联合效应的认识，为全球气候变化和重金属污染的耦合现象对近海生态系统的扰乱的准确评估提供理论支撑。