蚯蚓对典型土壤中重金属和多环芳烃的毒性响应机制差异研究

Heavy metals and polycyclic aromatic hydrocarbons are typical pollutants usually co-exist in soils. Due to different physicochemical properties, their environmental behaviors and toxic effects are not same. Although toxic effects of heavy metals and polycyclic aromatic hydrocarbons to earthworms have been widely explored, the research about the mechanisms are lagging some way behind, especially the response differentiations and interacitve mechanisms between the two pollutants. In this project, cadmium and benzo[a]pyrene are applied solely or synchronously in different type of soils to investigate the processes and mechanisms of the ingestion, absorption, transformation, distribution of pollutants in earthworms (Eisenia fetida). Besides, RNA-seq and two-dimensional fluorescence difference gel electrophoresis (2D-DIGE) are used to explore the difference of gene and protein expressions in earthworm. The objective is to characterize the response mechanisms of earthworm to heavy metals and polycyclic aromatic hydrocarbons pollution in typical soils, especially the interactive mechanisms emerged under the combined pollution of cadmium and benzo[a]pyrene. This may provide references for ecological risk assessment of contaminated soils.

重金属和多环芳烃是两类典型污染物，经常同时存在于土壤环境中，引起毒性效应。由于物理、化学性质不同，这两类污染物的环境行为、产生的毒性效应也会不同。目前以蚯蚓作为生态受体，有关重金属和多环芳烃类污染物的生态毒性效应研究已广泛开展，但关于毒性效应的机制研究还不多，特别对不同污染物毒性响应机制的差异以及复合条件下的互作机制未见系统研究。本项目拟选择重金属和多环芳烃的代表性污染物镉和苯并a芘，在等效应浓度下单一或复合污染于不同土壤（江西红壤、河北潮土），分别从污染物摄入途径、污染物的分配积累过程，阐明蚯蚓对不同污染物单一或复合的毒性响应机制差异。同时通过RNA-seq和2D-DIGE技术，开展基于蚯蚓分子水平的毒性响应差异基因和蛋白的研究。最终从摄入机制、污染物分配积累机制和分子机制三方面揭示蚯蚓对重金属和多环芳烃的毒性响应机制差异，探究二者复合条件下的互作机制，为土壤污染的生态风险评价提供参考。

重金属和多环芳烃为典型污染物，经常在土壤中共存形成复合污染。苯并（a）芘（benzo(a)pyrene， BaP）和镉（cadmium， Cd）因其高毒性和高出现率成为最具代表性的污染物。由于BaP和Cd理化性质不同，它们的环境行为和毒性效应也不同，这可能导致它们进入生物体内的途径及分配积累特征不尽相同。本项目采用自然土壤，在开展镉和苯并（a）芘对赤子爱胜蚓比较研究Cd和BaP 在单一和复合污染条件下对蚯蚓体内污染物的分配影响和分子响应机制，结果得到污染物在蚯蚓体内的分布具有异质性，复合会造成污染物在蚯蚓体内分布的进一步变化，同时蚯蚓体内酶活性和基因表达也会变化。采用溶液暴露方法，在蚯蚓亚细胞水平探讨单一复合污染下Cd和BaP的分配积累机制。结果得到Cd主要积累在细胞溶质组分中，其次为固体颗粒和细胞碎片组分。BaP主要积累在细胞碎片组分中，其次为固体颗粒组分和细胞溶质。在BaP单一污染下，Ca2+的加入促进了蚯蚓亚细胞组分中BaP的积累，且BaP的积累量随Ca2+浓度的增加呈先上升后下降的趋势，Ca2+可能通过影响蛋白含量以及乙酰胆碱酯酶活性来影响BaP的分配积累；Cd的加入显著抑制蚯蚓亚细胞组分中BaP的积累，Cd可能通过与蛋白的结合竞争，诱导乙酰胆碱酯酶的表达，促进机体对外源污染物的防御能力及代谢作用，从而减弱BaP的积累。BaP的加入会显著抑制高浓度Cd在蚯蚓亚细胞组分中的积累，BaP通过影响乙酰胆碱酯酶和谷胱甘肽-S-转移酶的活性影响Cd的积累。总体来说复合污染情况下，BaP和Cd二者在分配积累上存在拮抗作用。此外，我们还比较自然红壤下赤子爱胜蚓在等致死浓度苯并a芘（BaP）和镉（Cd）处理下的蛋白表达差异。结果得到BaP主要引起氧化还原相关蛋白的表达，Cd主要导致转录翻译相关蛋白的表达。钙离子结合骨架蛋白，过氧化氢酶和热休克蛋白70在BaP和Cd处理下表达趋势相反。金属硫蛋白基因表达在Cd处理下上调，在BaP处理下呈现降低。活性氧含量和过氧化氢酶显著相关。不同生态型蚯蚓对Cd和BaP的积累特征不同，赤子爱胜蚓和威廉枪环蚓更多积累BaP，秉氏远盲蚓更多积累Cd。这与蚯蚓的移动性和食土性能有关，BaP和Cd在蚯蚓繁殖部分有较多积累，其中BaP主要积累在蚯蚓表皮部分， Cd主要积累于砂囊和肠道部分。