微囊藻毒素MC-RR对赤子爱胜蚓的毒性效应及机制研究

Microcystins (MCs), a type of natural toxins produced by cyanobacteria, can pose serious threats to aquatic environment and population health. There have been a great number of studies focused on MCs in aquatic toxicology; once in soil, however, little is known about their toxicological effects on soil fauna like earthworm. Using microcosmic simulation technologies, the current project proposal, firstly, aims to explore the kinetic processes of the bioaccumulation, distribution and elimination of MC-RR (one of the MCs variants with high detection rate, content and toxicity in the soil of China) in earthworm Eisenia foelide; then, try to illustrate the detailed toxicological effects at individual, cellular and molecular levels by investigating a variety of earthworm indices (involving behaviour, morphology, physiology, biochemistry, tissue, cell activity, DNA damage and fecundity, etc.) and also to select proper biomarkers for MCs toxicity; finally, to elucidate the molecular mechanisms of observed toxicological effects by means of the combination of multi-omics (including transcriptomics, proteomics and metabolomics). The obtained results will provide scientific supports for biological monitoring and ecological risk assessments of MCs contamination in soil.

微囊藻毒素（MCs）是蓝藻分泌的一种天然毒素，对水体环境和人体健康存在严重危害，在水生毒理学领域已有大量的研究，但其进入土壤后对土壤动物（如蚯蚓）毒性效应及机制方面的研究还十分薄弱。本项目拟以我国土壤中检出率和含量均高且毒性强的微囊藻毒素MC-RR为研究对象，利用微宇宙模拟技术，探究其在赤子爱胜蚓体内富集、分布及清除的动态变化规律；通过检测蚯蚓行为形态、生理生化、组织结构、细胞活力、DNA损伤和繁殖能力等众多指标，从个体、细胞及分子水平上系统阐明MC-RR对赤子爱胜蚓的毒性效应并筛选其生物标志物；利用多组学（转录组、蛋白质组及代谢组）联合分析技术揭示其毒性效应的分子机制。研究结果将为土壤微囊藻毒素污染的生物监测和生态风险评估提供科学依据。

微囊藻毒素（Microcystins，MCs）污染严重危害水生态系统安全，已成为环境污染领域的研究热点。水体中的MCs能够通过多种途径持续进入陆地。对于土壤而言，MCs是一类新有机污染物，尚缺乏土壤中MCs环境行为和生物效应方面的研究，其在土壤-生物系统中的迁移转化过程及规律尚不清楚。本研究针对土壤MCs污染，通过开展批量吸附实验和微宇宙模拟实验，研究土壤中MCs吸附/解吸、消减特征，调查影响其环境行为的关键因子，探讨土壤-蚯蚓系统中MCs生物降解与富集规律，阐明土壤微生物对MCs降解的驱动机制。研究结果将为土壤MCs污染的生物监测和生态风险评估提供科学依据，也为开发环境友好型生物修复技术奠定基础。主要研究结果如下：.土壤对MC-RR的吸附行为符合PSO动力学模型和Freundlich等温线模型。不同土壤中MC-RR的土-水分配系数Kd值为2.64~15.2 L/kg，logKoc值为2.53~3.41，指示为中等至较难吸附。有机质和阳离子交换量较高土壤的吸附能力更强。该过程为自发吸热的物理过程，涉及静电作用、阳离子交换、阳离子桥、氢键作用、配体交换和范德华力等。当溶液pH > 5时，土壤吸附MC-RR对溶液pH变化不敏感，而强酸与Ca2+环境有利于吸附。.与MC-RR相比，土壤对MC-LR的吸附表现出更高的非线性特征与较低吸附量。土壤pH与粘粒在MC-LR的吸附/解吸中发挥关键作用，而有机质含量和阳离子交换量在MC-RR的吸附/解吸中发挥作用。MC-LR和MC-RR的消减符合一级模型，t1/2分别为27.18~42.52 d和35.19~43.87 d。土壤中MCs的吸附能力大、解吸能力低，消减速率缓慢，潜在生态风险极高。.环境浓度MCs暴露对赤子爱胜蚓染毒无急性毒性，但可抑制蚯蚓生长。MCs暴露导致蚯蚓刚毛断裂， MC-LR还导致蚯蚓表皮损伤和纵肌间隙扩大。蚯蚓更易富集MC-LR，第28 d时其体内MC-LR约为MC-RR的两倍。赤子爱胜蚓通过促进微生物降解作用来加速土壤中MCs的清除。土壤pH升高、氮磷元素含量升高、可利用性碳源增加、氮循环相关酶活性升高以及土壤细菌群落结构、功能与代谢能力改变是驱动MCs生物降解的关键因素。变形菌门中的鞘氨醇单胞菌属为MCs潜在降解菌。.