纳米CuO和TiO2颗粒对滤食性贝类的生物有效性及致毒机制研究

With the rapid development of nanoscience and the extensive application of nanotechnology, the environmental effects of nanomaterials have represented a major concern in the word. Currently the studies focus on the toxicity effect of nanoparticles (NPs) on the terrestrial and freshwater organisms, but little is known about the bioavailibility and toxicity mechanisms on the marine organisms.Marine bivalves have more accumulation ability and are more sensitive to the pollution due to their filter-feeding habit,so that the bivalves are used as the indicator organisms in the estuarine and marine environment.Moreover,estuarine and coastal environments are expected to represent the ultimate sink for NPs. Therefore, in this study we will select the Ruditapes philippinarum as the target organism and the CuO and TiO2 NPs as the objects to quantify the bioavailability of NPs on the bivalves. Then we proposed to study the toxicity effect of NPs on bivalves in terms of histopathological changes, energy metabolism and oxidative stress through molecular ecotoxicology methods.Then we use the dissolution equilibrium experiment and analyze the correlation betwween reactive oxygen species (ROS) and DNA damage to understand the dominant factor of toxicity effects and primary reaction of oxidative damage,preliminarily reveal the toxicity mechanism of NPs on bivalves. The result of project will provide the scientific basis for objectively evaluating the marine environmental risk of engineered NPs and their potential impact on the quality safety of aquatic products.

随着纳米科学的迅猛发展和纳米技术的广泛应用，纳米材料的环境效应已成为国内外研究的热点之一。目前研究主要集中在纳米颗粒（NPs）对陆生生物和淡水生物的毒性效应，而对海洋生物的生物有效性及致毒机制研究还很缺乏。海洋双壳贝类，由于其独特的滤食习性，对污染物富集能力强和敏感性高，被广泛用作河口和海洋污染的指示生物，而河口和近海环境是NPs最终的汇，所以本课题拟选择菲律宾蛤仔为受试生物，CuO和TiO2两种典型人工NPs为研究对象，量化NPs对贝类的生物有效性；采用分子生态毒理学方法，从贝类组织病理学变化、能量代谢以及氧化胁迫等方面研究NPs对贝类的毒性效应，利用溶解平衡实验及活性氧自由基（ROS）与DNA损伤的相关性，搞清NPs对贝类毒性效应的主导因素和氧化损伤的原初反应，初步揭示NPs对贝类的致毒机制。本项目研究成果将为客观评价人工NPs的海洋环境风险及其对水产品质量安全的潜在影响提供科学依据。

人工纳米颗粒（ENPs）的海洋环境效应研究已成为国内外环境科学领域研究的热点之一。本课题以纳米CuO和TiO2为实验材料，研究了纳米TiO2颗粒（TiO2 NPs）对新月菱形藻的毒性效应以及在新月菱形藻-栉孔扇贝食物链上的营养传递和生物毒性，分析了纳米CuO颗粒（CuO NPs）对栉孔扇贝血细胞的毒性作用，阐明了TiO2 NPs对海洋微藻的致毒机制，明确了CuO NPs对栉孔扇贝血细胞毒性作用的主导因素，探明了TiO2 NPs在食物链上的生物放大作用，取得了一些有价值的研究成果，为客观评价ENPs的海洋环境效应及生态风险提供了科学依据。.（1）发现TiO2 NPs可以穿过正常海洋微藻的细胞壁孔径进入到藻细胞内，对藻细胞产生氧化损伤：TiO2颗粒对新月菱形藻的生长影响呈现出显著的尺寸效应；在ENPs暴露下，新月菱形藻的抗氧化酶活性表现出先诱导后抑制的响应，随后抗氧化酶活性降低不能清除过量的ROS，导致微藻脂质过氧化，损坏藻细胞膜的稳定性。胞外ROS含量不到总ROS含量的6%，远低于胞内ROS含量，所以胞内ROS是ENPs对微藻产生氧化损伤的主导因素。.（2）发现TiO2 NPs在新月菱形藻-栉孔扇贝食物链上具有生物放大作用：在水介质暴露下，栉孔扇贝对ENPs的生物富集系数（BCF）＞170，具有显著的富集作用；在饵料暴露下，ENPs可以通过藻-贝食物链传递到栉孔扇贝生物体中，生物放大系数（BMF）＞1，说明栉孔扇贝对ENPs有生物放大作用。水介质暴露下栉孔扇贝对ENPs的富集量要高于饵料暴露。水介质暴露下ENPs对栉孔扇贝造成DNA损伤，而饵料暴露下没有对栉孔扇贝造成DNA损伤。.（3）明确了CuO NPs对栉孔扇贝血细胞毒性作用的致毒机制：CuO NPs和Cu离子均能对栉孔扇贝血细胞的细胞膜完整性和DNA产生损伤，并导致血细胞的溶酶体酶含量增加。运用整合生物标志物法计算得到，离子效应对CuO NPs毒性效应的贡献率为37.93%，尺寸效应对CuO NPs毒性效应的贡献率为62.07%，这表明尺寸效应是CuO NPs对栉孔扇贝血细胞毒性作用的主导因素，但是离子效应也不容忽视。同时发现尺寸效应产生的ROS量要大于离子效应，这表明ROS是CuO NPs对栉孔扇贝血细胞产生毒性效应的主要致毒机制。