渤海典型污染物镉、砷影响菲律宾蛤仔能量代谢的机制研究

Cadmium (Cd) and arsenic (As) have been typical heavy metal pollutants in the Bohai Sea, which has posed potential risk on the marine ecosystem and human health. Funded by NSFC, our research group previously investigated the toxicological effects of heavy metals in clam Ruditapes philippinarum. Our primary results indicated that heavy metals induced prominent disturbances in energy metabolism via different metabolic pathways in clams. These findings suggested that there existed different strategies in clams to deal with the stress in energy metabolism induced by heavy metals. On the basis of our previous studies in marine ecotoxicology, this project will focus on the pollution of Cd and As in the Bohai Sea to carry out exploratory investigations on the mechanisms of disturbed energy metabolism induced by Cd and As in clam Ruditapes philippinarum. We will integrate cytobiology and subcellular proteomics to characterize the alterations of morphology and functions of the energy metabolism-related organelle, mitochondria, in clams to elucidate the the mechanisms of Cd- and As-induced disturbance in energy metabolism and the proteomic biomarkers that will be then used to assess the field pollution of Cd and As in the Bohai Sea. Combined with the metabolomic biomarkers related Cd and As to clams Ruditapes philippinarum in our previous studies, we will construct the fingerprints of metabolic pathways in energy metabolism disturbed by Cd and As in clams. The work in this project will hopefully provide a powerful tool for the biomonitoring and risk assessment of Cd and As in the Bohai Sea.

镉、砷已成为渤海海洋环境两种典型的重金属污染物，对渤海海洋生态系统及人类健康造成了潜在风险。申请人课题组前期利用蛋白质组学与代谢组学技术，在研究不同重金属对菲律宾蛤仔的毒理效应过程中发现，不同重金属影响的能量代谢途径具有显著的差别，显示蛤仔机体通过不同的策略，来应对不同重金属导致的能量代谢胁迫。本项目针对渤海镉、砷污染现状，拟在前期取得的重金属污染物生态毒理学研究结果基础上，开展镉、砷对菲律宾蛤仔能量代谢影响机制的创新性研究：利用细胞生物学与亚细胞蛋白质组学技术，从菲律宾蛤仔能量代谢细胞器线粒体形态、功能着手，深入阐明渤海典型重金属污染物镉、砷对蛤仔的能量代谢影响的作用机制，挖掘与之相关的蛋白质生物标志物，并用于渤海镉、砷污染的评估。同时，结合前期代谢组学研究结果，构建由镉、砷诱导的能量代谢途径异常的响应指纹图谱，为渤海镉、砷污染的生物监测和风险评估提供有力的工具。

近年来，渤海重金属污染已成为重要的环境问题，其中镉（Cd）、砷（As）的生态风险尤为突出。本项目利用系统生物学整合分子生物学系统研究了典型重金属污染物Cd和As对渤海关键生物类群双壳贝类、鱼类的生态毒理效应及影响能量代谢过程机制。首先，针对菲律宾蛤仔存在多种壳色表型的现状，采用蛤仔中两种比例较高的壳色表型白蛤与斑马蛤作为研究对象，利用蛋白质组学技术比较了二者对镉长期暴露的蛋白组响应。研究发现，开展海洋生态毒理学研究需考虑不同品系对研究结果的影响；在此基础上，利用系统生物学中的亚细胞蛋白质组学与细胞生物学相结合的方法，研究了镉、砷对蛤仔和褐牙鲆的线粒体毒性及影响能量代谢过程机制。结果表明镉、砷暴露导致蛤仔和牙鲆线粒体形态发生变化，差异表达蛋白涉及多个生物学过程，包括能量代谢过程。其次，采用分子生物学方法，系统研究了As在蛤仔体内的形态转化与Ω-谷胱甘肽硫转移酶（GSTΩ）对砷的解毒机制，以及对蛤仔与许氏平鲉的毒性效应。结果表明，砷长期暴露后，蛤仔鳃组织较消化腺组织能富集更高的砷；有机砷中甜菜碱和二甲基胂酸是主要赋存形态，而GSTΩ在砷解毒过程中起关键作用。随后，整合利用蛋白质组学与代谢组学技术，研究了砷对许氏平鲉幼鱼的毒理效应。结果表明，低浓度组（5 μg/L）和高浓度组（50 μg/L）许氏平鲉幼鱼组织中的砷蓄积显著性增加，但两个暴露组之间无显著性差异。砷暴露抑制了许氏平鲉幼鱼糖酵解，且低浓度砷对糖酵解的抑制作用更强；另外，砷暴露促进了许氏平鲉幼鱼的脂质代谢和氧化磷酸化的活性、影响了许氏平鲉幼鱼细胞骨架结构和信号传导。以上研究从分子水平阐明了渤海典型重金属污染物（Cd、As）对菲律宾蛤仔等渤海关键生态类群的毒性作用机制，筛选了Cd、As对菲律宾蛤仔毒理学效应的特异性生物标志物，并通过采集实地样本对渤海多个采样点实现重金属污染生物学评估，为渤海重金属污染的生物监测与生态风险评估提供了有效的技术支持。