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易科泰生态健康专题快讯—— 环境污染对水蚤、斑马鱼等水生动物的影响

易科泰生态健康专题快讯—— 环境污染对水蚤、斑马鱼等水生动物的影响

新冠疫情的爆发和蔓延,让人类愈发认识到生态健康的重要性。习近平总书记指出“小康全面不全面,生态环境质量很关键”,将实现全面小康建设和生态健康的重要标志—生态环境质量紧密联系起来(方世南,2020)。

生态健康是人类自然环境、生产环境和生活环境及其赖以生存的生命支持系统的代谢过程和服务功能完好程度的系统指标。包括人居物理环境、生物环境和代谢环境的生态健康,人体和人群的生理和心理的生态健康,产业系统和城市系统代谢过程的生态健康;景观、区域系统格局和服务功能的生态健康等(蒋正华,2005)。因此,生态健康与人类的生存和生活质量息息相关。

作为生态健康领域的先行者,金博宝188亚洲体育app率先提出了“生态-农业-健康”的发展理念和战略方向并为之实践。凭借近20年科研设备引进和研发的丰厚经验,北京易科泰向广大科研单位、医药公司、检测机构提供完备成熟的技术方案和服务,包括动物能量代谢测量(包括斑马鱼、大小鼠等各类实验动物)、生物医学成像、食品药品检测和药用植物表型测量和中药材鉴定等。

农药和杀虫剂的广泛使用,塑料的生产、加工、使用和焚烧,工业污水和城市污水的排放,经常发生的化学品泄露和突发水污染事件,这些均给水生态系统和水生动物带来了严重的威胁,对生态健康造成了巨大的影响(王乙震等,2015)。

本文摘选了环境污染对水蚤、斑马鱼等水生动物影响的研究案例,涉及水生动物的呼吸代谢测量和行为分析。希望能为生态毒理学、环境科学、水生态学等领域的科研工作者提供些许借鉴。

重金属 - 栉水虱

受人类活动影响,气候变暖,加上污水排放、土地利用方式转变等,导致水生生态系统温度升高。随着水温升高,水中溶解氧降低,而动物的代谢率却增加,从而使得动物有更高的需氧量和呼吸速率。在这种情况下,重金属等微污染物的对水生动物的毒性增强,影响其进食与生长。另外,水温升高还会影响膜的通透性、分配系数和扩散速率等,导致水生动物对重金属的解毒能力下降。然而温度对污染物毒性的影响规律仍有一些不确定性,越来越多的生态毒理学家聚焦于多种胁迫结合的毒性研究。

比利时安特卫普大学发表的一项研究中,对栉水虱在不同温度、不同浓度的镉、铜、铅及其不同组合混合物溶液中的活动时间、呼吸速率以及生长速率、进食率等进行了分析,探究温度对重金属混合物毒性的影响。其中,栉水虱的活动时间使用了视频跟踪行为分析系统,呼吸速率则使用溶解氧测量系统分析计算。

结果显示,温度明显影响除活动以外其他所有特征,但是不同的重金属以及不同的重金属组合混合物对这些特征的影响有所不同。在15℃时,呼吸速率随重金属浓度升高而下降,反之在20℃时,两者则呈现正相关,表明温度升高促进了氧气消耗。在铜、铅处理中,随着水温升高,呼吸速率升高,栉水虱对重金属的吸收和积累升高。结合进食率等分析,证明温度与重金属对栉水虱的毒性相互影响。研究表明,当前基于化学方法进行水生生态系统毒性监测的方法有效性有限,应当补充基于效果的监测手段(M. Van Ginneken et al., 2020)

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苯甲酰爱康宁(可卡因代谢物)-大型溞

苯甲酰爱康宁(BE)是公认的人体中可卡因代谢物,可通过尿液等进入生活污水,排放后进入地表水,对水生动物和水生态系统造成威胁。

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Marco等人从生物分子、个体、种群等水平研究了BE对大型溞的影响,发现与水生生态系统相同剂量的BE会引起大型溞的氧化应激,抑制乙酰胆碱酯酶的活性,影响个体的游泳行为和繁殖。其中个体水平的游泳行为便是使用了视频跟踪行为分析的方法(上图),借助动物行为观测分析软件自动计算了活动性(以活动时间/跟踪时间表示)和游泳速率。

由下图可知,BE暴露显著降低了大型溞个体的活动性:相比于对照组,高浓度BE处理的大型溞活动性降低了5%。相反游泳速率显著增加。因为BE有毒分子的作用机制,尽管高浓度BE降低了大型溞的游泳活性,但同时促进了其高速不稳定的活动,最终导致整体上大型溞游泳速率增大。类似的行为特征(如跳跃、抽搐)也在小鼠身上发现过。活动性降低说明BE对大型溞的健康造成了损害,使其减少活动的能量消耗,而将更多能量用于维持其他生理活动以应对毒害胁迫(Marco, 2018)。

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原油(水溶性部分)-大型溞

商业化的微小生物体高通量呼吸测量系统的问世使得水生无脊椎动物、鱼类等水生动物的胚胎呼吸测量变得高效、精确。高通量呼吸测量系统测量时单个样品被放置于气密性良好24孔板的微孔里(相当于24个呼吸室),每个孔内部都配备有可无损测量氧气、可重复利用的氧气传感贴片,用来实时测量耗氧率(上图)。为了实现高通量,该套系统可以被升级成包含10件读取器/24孔板的串联组合,以实现同时测量240个组织的呼吸。

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芬兰图尔库大学研究了原油水溶性部分(WSF)与可孤雌生殖的大型溞表型个体差异的关联,包括剂量效应和世代影响(Nikinmaa et al., 2019)。结果显示(上图):暴露于30%WSF 48小时的大型溞的耗氧率变异性低于暴露10%WSF的大型溞和对照组,但三者的平均值没有变化;未暴露和10%WSF暴露的大型溞F1和F2代耗氧率低于亲本F0,且低于30%暴露的子代,表现出了因环境污染导致的世代影响。大型溞耗氧率的测定采用了80μL的24孔板系统,对每种处理的21个个体(3个世代,每个世代7个个体)进行了高通量呼吸测量。

邻苯二甲酸酯(增塑剂)-斑马鱼-

邻苯二甲酸酯(PAEs)是一种常用的增塑剂,常存在于墙纸、化妆品、医疗设备、食品包装材料、服装等中,我国PAEs消耗量极大且逐年增加。由于PAEs化学上不与塑料结合,因此很容易被释放到水和土壤中,同时还存在于空气、室内灰尘等中,并通过呼吸、皮肤等方式进入人类和动物体内。目前一些地区的PAEs环境浓度已严重超过健康标准,可导致生殖问题、发育缺陷、胚胎畸形等问题,对环境和公众健康存在巨大危害。因此,对PAEs的负面影响及其相关毒理机制进行鉴定意义重大。

中国水产科学院等四家单位就对此进行了斑马鱼胚胎试验中邻苯二甲酸盐的脊髓效应评价研究并联合发表论文。斑马鱼胚胎的自发活动有助于水生生物寻找食物和躲避天敌,是水生生物行为毒性的重要衡量指标,论文对受增塑剂影响的斑马鱼胚胎的自发活动进行了行为研究,分析其平均速率、移动距离、活动时间等。DEHP、DBP等邻苯二甲酸盐是生活垃圾、垃圾渗滤液和沉积物中的PAEs的主要同源物。研究中,将2hpf(hours post-fertilization)的斑马鱼胚胎随机转移到24孔板后,分别暴露于0、50、250μg/L的DEHP、DBP中,处理6天后进行分析,以评估DEHP、DBP的毒性(Qian et al., 2020)。

结果表明,DBP和DEHP改变了斑马鱼幼虫在144 hpf时的自发活动。结合脊柱、体长等分析及转录水平分析的结果,推断斑马鱼自发活动的改变可能是由于脊柱和骨骼系统发育异常所致。综上所述,PAEs导致斑马鱼胚胎脊髓出生缺陷,导致脊髓发育基因的转录改变与行为异常。

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蛋硒(饲料添加剂)-斑马鱼

尽管微量的硒是维持动物生理稳态所必需的,但是在饮食中轻微增加硒的摄入会引起生物富集和随之而来的毒性。

加拿大萨省大学毒理学中心的Thomas和Janz研究了过量蛋硒(Egg Se,在饮食的主要化学形态为硒蛋氨酸)对F1代成年斑马鱼游泳能力和代谢能力的持续影响。研究发现过量蛋硒(6.8 和12.7μg Se/g d.m.)会损伤其游泳能力,增加其耗氧和代谢率(下图)。进一步的基于蛋硒毒性阈值的物种敏感度分布研究揭示了斑马鱼是目前最为敏感的物种,因此是研究鱼类早期生活史阶段硒诱导毒性机制的绝佳实验室模型(Thomas and Janz, 2015)。

论文中斑马鱼游泳能力和代谢能力的测量使用了170mL的斑马鱼游泳呼吸测量系统,该系统可同步测量斑马鱼的临界游泳速度(Ucrit)和耗氧率/代谢率(SMR-标准代谢率、AMR-活动代谢率及F-AS,即AMR/SMR)。

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氧化铜纳米粒子(防污涂层)-亚马逊观赏鱼

氧化铜纳米粒子(nCuO)广泛应用于船的防污涂料并由此释放到环境,对水生生物具有潜在的毒害作用。

巴西国家亚马逊研究所的Braz-Mota等人测量了短鲷和霓虹灯鱼两种亚马逊观赏鱼的耗氧率,借以研究两种形态的铜——溶解态铜(Cu)和氧化铜纳米粒子(nCuO)对其影响。研究发现两种鱼的代谢应激具有种特异性:仅暴露于Cu的霓虹灯鱼耗氧率升高(nCuO未升高),而短鲷的两种处理未见明显变化。结合鳃渗透压调节生理、线粒体功能、氧化应激和形态学损伤等方面的数据,论文揭示了两种亚马逊鱼对两种形态的铜的不同代谢响应,而代谢响应的不同和两种鱼的生活史有关,意味着污染物不同的毒性作用机制与不同的渗透压调节策略有关(Braz-Mota et al., 2018)。

论文中代谢率/耗氧率(MO2)数据的采集使用了鱼类呼吸代谢测量系统。测试鱼放于70mL的玻璃呼吸室中,测量系统自动运行间歇、流通测量(automated intermittent flow respirometry),一个MO2数值的获取包括3个阶段:交换-等待-测量,每种处理的鱼分别持续采集了4小时。

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污水-蓝腮太阳鱼

加拿大麦克马斯特大学(McMaster University)的Du等人测量了污水处理厂下游两处(50m和830m)的蓝腮太阳鱼的耗氧率。发现受污染区域蓝腮太阳鱼的标准代谢率相较于无污染的参照区域较高,即代谢成本升高。但代谢成本升高也伴随着氧气吸收、传递和利用等方面的生理补偿性调整,如鳃表面积扩大,血氧亲和力降低,离体肝线粒体氧化磷酸化能力增强等等(Du et al., 2018)。

论文使用了鱼类呼吸代谢测量系统测量了蓝腮太阳鱼的标准代谢率,并通过控制溶解氧规律递减,测定了临界氧气分压值(PO2),评估其缺氧耐力。

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易科泰生态技术公司提供水生动物行为与能量代谢测量研究全面解决方案:

1)斑马鱼等鱼类行为与能量代谢测量研究

2)水蚤等水生无脊椎动物能量代谢与行为观测

3)易科泰生态健康研究中心依托Ecolab实验室,诚邀生物医学、中医药合作实验研究

参考文献

1.蒋正华. 生态健康与科学发展观[M]. 气象出版社, 2005.

2.方世南. 生态健康与人民健康同构关系中的生态政治哲学蕴涵研究[J].兰州学刊, 2020(3): 5-12.

3.孟紫强. 生态毒理学[M]. 高等教育出版社, 2009.

4.王乙震, 黄岁樑, 林超, et al. 化学品对水生动物的生态毒理学研究评述[J]. 海河水利, 2015, No.195(05):11-19.

5.M. Van Ginneken , R. Blust, L. Bervoets. The impact of temperature on metal mixture stress: Sublethal effffects on the freshwater isopod Asellus aquaticus[J]. Environmental Research ,2020,169:52-61

6.Marco, Parolini, Beatrice, et al. Benzoylecgonine exposure induced oxidative stress and altered swimming behavior and reproduction in Daphnia magna.[J]. Environmental Pollution, 2018.

7.Nikinmaa M , Suominen E , Anttila K . Water-soluble fraction of crude oil affects variability and has transgenerational effects in Daphnia magna[J]. Aquatic Toxicology, 2019, 211:137-140.

8.Le Qian,Jia Liu,Zhipeng Lin,et al. Evaluation of the spinal effects of phthalates in a zebrafifish embryo assay [J]. Chemosphere,2020

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10.Braz-Mota S, Campos D F, MacCormack T J, et al. Mechanisms of toxic action of copper and copper nanoparticles in two Amazon fish species: Dwarf cichlid (Apistogramma agassizii) and cardinal tetra (Paracheirodon axelrodi)[J]. Science of the Total Environment, 2018, 630: 1168-1180.

11.Du S N N, McCallum E S, Vaseghi-Shanjani M, et al. Metabolic costs of exposure to wastewater effluent lead to compensatory adjustments in respiratory physiology in bluegill sunfish[J]. Environmental science & technology, 2018, 52(2): 801-811.