低剂量重金属复合污染对绿藻的Hormesis效应及其作用机理研究

The environmental pollutants may exert hormetic effect (hormesis), which is characterized by low-concentration stimulation and high-concentration inhibition. The hormesis has different concentration-response relation from the traditional toxicological law, and has drawn greater attention. Hormesis is gradually recognized by researchers. However,there is still lack of reports about hormesis in heavy metal mixtures. The present project aims to demonstrate the pattern of hormesis in heavy metals and their mixtures, and to elucidate the underlying mechanisms. The present proposal will choose 12 heavy metals out of the US EPA’s priority list and their mixtures are chosen as target chemicals, and green algae as target organisms. First, the toxicities of single heavy metal will be measured with a series of exposure time points and concentrations to elucidate the individual hormesis pattern. Then, heavy metal mixtures will be designed by Direct Equipartition Ray design (EquRay), Cross level inverse ray method, and Uniform Design Ray procedure (UD-Ray), and their toxicities will be tested for analysis and induction of mixture hormesis, so as to reveal the toxicity interaction patterns of low-concentration metal mixtures. After that, at specific concentrations and time points where the hormesis of individual metals and their mixtures are observed, the biomass and antioxidase activities will be measured to explore the mechanisms of heavy metal mixture hormesis. The results will further elucidate the hotspot biological effects of traditional pollutants and provide theoretical and methodological foundation for the mechanisms underlying the mixture effects.

环境污染物诱导的生物毒性可能表现出低剂量刺激、高浓度抑制的Hormesis效应，该效应的浓度-效应关系与传统毒理学规律不符而获得格外关注。随着相关报道逐年增加，Hormesis效应逐步得到科学家的认可，但有关重金属复合污染物Hormesis效应的报道较少。本项目拟以美国EPA重点控制的12种重金属及其化合物为测试对象，绿藻为指示生物，设计一系列暴露时间点与浓度梯度，揭示低剂量重金属Hormesis效应随时间、浓度变化规律，以直接均分射线法、逆交叉水平射线法和均匀实验设计射线法设计混合物并进行毒性测试，分析归纳Hormesis效应特征，揭示低浓度重金属复合污染毒性相互作用规律；根据不同浓度重金属及复合污染物在特定条件下对藻细胞的生物量及抗氧化酶活性的影响，初步探索低浓度重金属复合污染产生Hormesis的机制。本项目成果将为阐述传统污染物的热点Hormesis效应及复合效应机制奠定理伦基础。

环境污染物诱导的生物毒性可能表现出低剂量刺激、高浓度抑制的Hormesis效应，该效应的浓度-效应关系与传统毒理学规律不符而获得格外关注。随着相关报道逐年增加，Hormesis效应逐步得到科学家的认可，但有关重金属复合污染物Hormesis效应的报道较少；本项目以藻类及发光菌为指示生物，以水环境中常见的重金属及其化合物为测试对象，测定其不同暴露时间范围内产生的毒性数据，并在不同时间节点上确定具有Hormesis效应的重金属，通过测定了不同浓度的重金属在1d、4d和8d对斜生栅藻生长状况、叶绿素含量、蛋白质含量及CAT、SOD、POD和MDA含量的变化，揭示了Hormesis效应的产生与机体内的抗氧化酶活性相关作用。越来越多的污染物在长期暴露和低浓度范围呈现的Hormesis 效应，应用直观的柱状图分析具有Hormesis混合物毒性。表明：单个化合物的效应为ZEP混合时，其混合物呈现刺激效应即所谓的“无中生益”现象；单个化合物为刺激效应混合时，其混合物的刺激效应能按倍数增加，这就是所谓的“益中生益”现象。应用组合指数法表征应用组合指数（combination index，CI）表征重金属混合物的时间依赖毒性作用，采用剂量减少指数（dose reduction index，DRI）来确定混合物毒性相互作用中的关键组分和表征混合物中各组分对混合物毒性相互作用的贡献大小。为研究不同类型的污染物在不同浓度比毒性相互作用（协同、拮抗和加和）及其定量评估相关作用大小，应用模型偏差比（MDR）表征混合物的毒性作用，并结合CA、IA模型定性和定量评估混合物的毒性作用，得出混合物的毒性作用大小随组分浓度比变化而变化。应用微板法测定由固定浓度比设计的多元混合物的浓度-效应数据，为克服CA和IA预测模型的局限性，提出了两阶段模型（TSP），TSP就是一种直接的CA与IA模型整合的方法，提高了整合模型的合理性。课题取得研究成果已发表学术论文15篇，其中SCI10篇，中文核心5篇，申请发明专利3件；培养获得硕士学位研究生2人。