植物螯合肽在海洋浮游植物重金属累积和毒性响应中的作用机制

Phytochelatins are closely related to heavy metal resistance in marine phytoplankton, thus have great potential for heavy metal bioaccumulation and toxicity prediction. However, current researches about PCs are just to examine the synthetized concentrations. The effects and regulation of PCs induction during heavy metal accumulation and toxicity are poorly understood now. In this project, biokinetic model, stable isotope tracing technique and HPLC-fluorescence detection technique will be employed to investigate the relationships among PCs induction kinetics, heavy metal (non essential metal Cd and essential metal Zn) bioaccumulation and toxicity responses in marine phytoplankton (representative species of Bacillariophyta and Pyrrhophyta), and then work out the roles of PCs during these processes. The effects of typical marine environmental factors (temperature、nutrients) will also be considered. This project makes a good attempt to correlate adaptations at the bio-chemical level with responses at the individual level, which probably lead to breakthroughs in heavy metal ecotoxicology. Besides, the results of this project may provide theoretical guidance for biological monitoring and ecological security management of heavy metal pollution.

植物螯合肽（phytochelatins, PCs）与海洋浮游植物的抗重金属胁迫密切相关，作为反映重金属累积和毒性效应的生物标志物具有较大研究潜力。但目前的研究还基本停留在PCs的诱导浓度检测层面，对其作用机制了解甚少。本项目拟以我国沿海典型重金属污染物（非必需金属镉和必需金属锌）和常见浮游植物（硅藻、甲藻代表种）为研究对象，创新性地将新近发展的生物动力学模型与生理生态学理论方法相结合，运用高效液相色谱-荧光检测、同位素示踪等技术，研究PCs诱导动力学、金属累积动力学和金属生物毒性三者之间的内在关联，揭示PCs诱导在海洋浮游植物重金属累积和毒性响应中的作用机制，同时考虑主要环境因素（温度、营养盐）的影响作用。本项目将生化水平的适应机制与个体水平的生物响应相关联，有望在重金属生态毒理学研究领域产生理论突破；研究结果也可为海洋重金属污染的生物监测和生态安全管理提供理论指导，具有重要的应用价值。

植物螯合肽（phytochelatins, PCs）诱导是海洋浮游植物适应重金属胁迫的重要机制，作为反映重金属污染的生物标志物具有较大的研究潜力。我们基于项目申请书研究内容，围绕“PCs诱导动力学——重金属水相吸收——重金属毒性关联”这一假说，选取海洋浮游植物模式生物威氏海链藻（Thalassiosira weissflogii）为研究对象，研究了重金属在T. weissflogii中的生物累积及其毒性效应，探讨了PCs诱导动力学、重金属水相吸收、重金属细胞累积预测重金属毒性的有效性，同时揭示了主要环境因素（光照、营养盐）的影响作用。主要发现如下：.1）高光照增加了藻细胞对非必需金属Cd的水相吸收，减少了对必需金属Cu的水相吸收。另外，营养盐水平也显著影响藻细胞对Cd的吸收，低氮组Cd的水相吸收速率远低于富含氮磷组。这可能与环境因素对藻细胞生化组成和生理状态的影响有关。.2）光照、营养盐本身并不能诱导海洋浮游植物的PCs合成，重金属对PCs的诱导具有特异性。与Cd水相吸收相似，PC2，PC3和PC-SH的诱导速率随光照的增强而增加；低氮组的PC-SH诱导速率也远低于富含氮磷组。.3）PCs浓度的动力学变化而非PCs浓度本身可以更好地反映金属的吸收累积。不同光照条件下以PC-SH含量与重金属含量进行线性回归的r2为0.63；以PC-SH诱导速率与重金属水相吸收速率进行线性回归的r2为0.82。不同营养盐处理也可得到相似结论。.4）在之前研究成功运用重金属水相吸收速率表征重金属毒性的基础上，我们比较了PC-SH/细胞内Cd、Cd水相吸收速率、PC-SH诱导速率分别与藻细胞生长抑制的相关性（r2分别为0.3061、0.7663和0.6388），表明PCs诱导动力学比静态PCs浓度能够更好地预测重金属毒性。.上述研究成果，对于全面认识PCs在海洋浮游植物重金属累积和毒性过程中的作用提供了重要参考，验证了我们原项目书中提出的假说，为发展PCs成为环境重金属生物标志物提供了实验依据。