中国南方典型河口生物的重金属生物动力学与毒理

Estuaries are the interfaces of land, freshwater and sea, and are often the sinks of terrigenous pollutants entering into the aquatic environments. Compared to most other ecosystems, estuaries (especially the Chinese estuaries) suffer a much greater stress of metal pollution. However, fewer studies have focused on the metal pollution in estuary. Metal bioaccumulation processes and toxicity mechanisms in estuarine organisms are not well understood, which seriously impedes the accuracy of ecological risk assessment in these environments. The chemistry of estuarine waters is highly dynamic, and the concentrations of organic matters and suspended particles are usually high; all of which can significantly affect the accumulation of toxic metals in different organisms. In this project, we propose to study the bioaccumulation and toxicity mechanisms of selected toxic metals in dominant groups of estuarine organisms from representative estuaries of southern China. Specifically, we will (1) study the bioaccumulation pathways and biokinetics of metals using radioisotope tracer technique coupled with transplant experiments; (2) study the distribution and speciation of metals using subcellular fractionation approach and synchrotron techniques; (3) study the toxicity mechanisms and screen biomarkers using the proteomic and metabolomic tools. It is anticipated that this study will substantially enhance the accuracy of ecological risk assessment in estuarine ecosystems and reduce metal pollution in aquaculture.

河口作为连接陆地、淡水和海洋的枢纽，是污染物经由河流输送入海的必经之地，也是污染物重要的储存场所。相比其它生态系统，河口承受着更大的重金属污染压力。目前，对于河口生态系统中重金属的生物累积过程以及毒性机理的认识仍非常缺乏，严重限制了生态风险评价的准确性。河口水体水化学参数波动较大，有机质、颗粒物浓度高，这些因素对不同重金属、不同生物有非常不同的影响，使河口的重金属生物累积尤为复杂。本研究拟以兼具经济价值和生态意义的多种河口生物为对象，选取我国南方典型河口港湾，综合采用同位素示踪、野外移植等方法研究重金属累积途径、生物动力学；采用亚细胞分布、同步辐射等技术研究这些生物体内重金属的微观分布与赋存形态；采用蛋白组学、代谢组学等方法研究重金属毒性机理，筛选生物标志物。研究结果不仅有助于更准确地评价河口生态系统中重金属的生态风险，还有助于降低水产养殖中的重金属污染，兼具科学和经济意义。

针对我国南方典型河口生物开展了重金属生物动力学特征与生态毒理学工作，研究了河口生物牡蛎、花蛤、贻贝、星虫、鱼类等生物对重金属的累积生物动力学过程，研究了不同底栖食物链中重金属的生物累积及传递过程；针对南方河口指示生物牡蛎系统研究了重金属污染对河口生物-牡蛎的毒性效应，优化了基于双向电泳的蛋白组学技术，采用基于核磁共振技术的蛋白组学与代谢组学方法从分子水平表征金属污染毒性效应的分子机制、重金属代谢途径及关键小分子指示物，研究野外环境下牡蛎证明了重金属污染能够造成牡蛎肝胰腺细胞损伤、氧化和免疫压力，引起牡蛎能量和脂代谢紊乱，牡蛎体内存在基于三羧酸循环代谢的天冬氨酸与谷丙氨酸-琥珀酸的代谢转换过程，细胞溶酶体膜稳定性在高污染环境下存在极显著的抑制现象，金属污染显著影响牡蛎的抗氧化和金属解毒系统；通过应用差速离心方法与不同成像技术X-射线荧光技术了解金属元素的亚细胞下二维微观空间分布特征，同时结合同步辐射X-射线吸收光谱技术、纳米二次离子质谱技术进行金属元素原位结合特征，揭示了受污染的牡蛎体内Cu从正常的正一价结合巯基转变为了正二价结合氮、氧原子的解毒模式机制；揭示了重金属污染对牡蛎种群繁殖造成性腺发育延迟，繁殖期缩短、性腺条件指数降低等现象、同时受污染牡蛎存在母体传递效应，且污染牡蛎幼体生长发育滞后，存在极大的重金属跨世代危害风险；利用非对称场流分离技术研究了水体-沉积物环境下工业排污及生物活动对河口重金属形态组分影响，研究了环境因子盐度及不同暴露方式对牡蛎代谢、重金属累积的影响，掌握了我国四个海区不同牡蛎种体内累积重金属的基本空间特征，从而揭示牡蛎体内重金属与环境海水中重金属浓度并不存在显著相关，而与牡蛎的健康状况、金属生物可利用性、营养传递组分、环境盐度及牡蛎自身吸收动力学过程有关；建立了研究重金属生物累积与生物毒性的统一模型框架，提供了评估河口重金属生态风险的定量工具。