松嫩平原典型耕作区土壤线虫对镉与草甘膦复合污染的生态响应特征与机制

As one of China’s major granary, the Black Soil Region in Songnen plain is being exposed to serious cadmium pollution. Meanwhile, glyphosate – a potential contaminant is widely used in farmlands. It is of important significance to research on the assessment of ecological response of combined cadmium and glyphosate pollution in Black Soil Region in Northeast China under cadmium and glyphosate compound stresses. Nematodes are the most abundant invertebrates in soil ecological system, also biological model organisms in ecotoxicological research to evaluate environmental pollution. This study integrates laboratory and field investigations to understand the ecological effect of the combined cadmium and glyphosate on Caenorhabditis elegans, and discuss their ecotoxicological mechanism in Black Soil Region. Using modern approaches in biogeography, we would explore molecular biomarkers for the combined cadmium and glyphosate pollution, and doze-effect relation of pollutants to get the mechanism of the molecular ecological response. The establishment of ecological response evaluation system for cadmium-glyphosate compound pollution by nematode as a model for comprehensive molecular, physiological and ecological levels will provide theory and methodology on the pollutants risk assessment and the contamination control of the farmland in Songnen Plain.

作为我国重要粮食生产基地的松嫩平原，其耕作区土壤环境中的镉（Cd）污染普遍严重，而存在潜在污染风险的草甘膦在农田中被广泛使用。在黑土区进行镉与草甘膦复合污染的生态响应评价具有重要意义。线虫是土壤生态系统中最为丰富且广布的动物类群，被视为环境污染与生态破坏的敏感性指示生物之一。本研究综合室内模拟试验、野外受控实验和原地定位观测，利用模式生物秀丽隐杆线虫，系统揭示镉与草甘膦复合污染的生态效应特征，探讨典型污染黑土区土壤线虫的生态毒理学机制；通过现代生物地理学方法，寻求具有作为镉-草甘膦复合污染胁迫的分子生物标志物，并细化目标分子与该复合污染胁迫的剂量效应关系以揭示其分子生态响应机理。综合分子、生理、生态层次，建立以线虫为模式的镉-草甘膦复合污染的生态响应评价系统，为松嫩平原典型种植区污染风险评价和恢复治理提供理论依据和研究方法。

草甘膦(GPS)是常用的共价键稳定有机磷除草剂中的活性成分，在中国尤其是北方大部分地区被广泛使用。 其易被植物吸收，主要通过干扰莽草酸途径中的芳香族化合物代谢而抑制植物生长。据报道施用草甘膦的部分地区土壤中富含镉，由于这是一种引起神经毒性的剧毒金属，因此这两种化合物共存时，其混合物的未知毒性可能会对生物、土壤和环境造成诸多的安全问题。本项目旨在对相关毒性效应进行深入研究，以更好地反映单一草甘膦、镉和两种复合胁迫下生物群落的变化，以及对物质分解和能量循环的影响。线虫是土壤生态系统的重要组成部分。我们利用模式生物秀丽隐杆线虫，主要对其进行草甘膦(GPS)、镉(Cd)和草甘膦-镉混合物（GPS+Cd）进行了24小时染毒的实验毒性测试，以判定两种化合物相互作用到底是严格加性、小于加性(拮抗性)还是大于加性(协同性)。毒性表型实验结果表明，在环境相关模拟浓度下，GPS+Cd对秀丽隐杆线虫的致死毒性高于加性(协同)。我们通过对多个神经毒性相关表型的数据结果，包括线虫的头部摆动、身体弯曲、咽泵和热休克蛋白表达等进行综合分析，以评估在亚致死浓度的GPS+Cd下的混合效应，揭示了依赖于毒性终点的更复杂的模式：头部摆动和身体弯曲在单次和复合暴露于测试污染物时都表现出浓度依赖性的下降。此外，暴露于单独和联合化学应激后，热休克蛋白表达水平显著增加。草甘膦和镉的混合物(GPS+Cd)似乎对胁迫反应产生了协同效应。我们的研究结果证明了化合物相互作用和相关混合效应的复杂性。