水环境中重金属铜暴露下青鳉鱼的行为响应

本研究采用生物行为传感器监测青鳉鱼重金属铜暴露下的行为数据，分析不同暴露浓度(20、10、5、1和0.1 TU)下青鳉鱼的行为响应。20、10、5、1和0.1 TU的暴露浓度下青鳉鱼对重金属污染的行为反应模式符合环境胁迫阈值模型，且不同浓度梯度重金属对青鳉鱼产生不同的行为毒性效应。通过本研究，利用重金属作用下青鳉鱼的行为变化来研究重金属环境胁迫导致的生物行为响应机制，从而得到重金属暴露下生物行为的实时变化过程和趋势，可对水环境生态系统质量进行综合评价。     

2种除草剂联合胁迫下日本青鳉的逐级行为响应(The Stepwise Behavioral Responses of the Japanese Medaka under the Joint Stress of Two Herbicides)

探讨了日本青鳉在两种除草剂阿特拉津和百草枯联合暴露下的逐级行为响应,采用水质安全在线生物预警系统(BEWs)记录行为强度数据,分析不同暴露浓度、不同暴露时间日本青鳉的行为响应.10、5、1和0.1TU的暴露浓度下行为反应时间分别为:0.74、7.7、29.4和42.2h,而每个浓度不同配比之间行为反应时间差异明显.结果表明:在两种除草剂的暴露下,日本青鳉的逐级行为响应既受化合物浓度高低的影响,又受暴露时间的影响,而且每个浓度两种药物不同配比暴露下的青鳉鱼的逐级行为响应基本一致,每个浓度不同配比之间行为反应时间差异明显,即两种作用机制不同的除草剂对日本青鳉的行为毒性是协同作用.     

氰戊菊酯和氯化镉暴露下日本青鳉的行为反应差异

以天然河流中的日本青鳉(Oryzias latipes)行为变化规律为基础,采用水质安全在线生物预警系统(BEWs-1.1)对氰戊菊酯和氯化镉暴露下日本青鳉的行为反应进行了探讨.结果表明:1)在源水中,日本青鳉行为反应具有明显规律性,并表现出生物钟现象;2)氰戊菊酯和氯化镉连续暴露和间断暴露中,日本青鳉行为反应与污染物浓度和暴露时间均直接相关,并表现出相似的行为变化规律性,行为变化均符合生物行为的环境胁迫阈模型;3)高浓度(10mg·L-1)氯化镉间断暴露下的日本青鳉行为强度变化与低浓度(2mg·L-1)连续暴露下的行为强度变化差别不明显,而高浓度(10mg·L-1)氰戊菊酯间断暴露下的日本青鳉行为强度变化与低浓度(2mg·L-1)连续暴露时具有明显差异,高浓度暴露时产生了明显的行为毒性效应;4)器官损伤性污染物(如镉)引起的行为毒性效应在重新加入源水后可以得到部分恢复,而神经损伤性污染物(如氰戊菊酯)不可恢复,污染物不同的作用机理会影响水生生物的行为反应.     

镉胁迫下黑点青鳉(Oryzias melastigma)肝脏金属硫蛋白mRNA性别差异性表达研究

鱼类金属硫蛋白(metallothionein,MT)mRNA作为生物标志物已越来越多地应用到水环境重金属污染的监测中,然而重金属胁迫下鱼类MT mRNA表达是否具有性别差异性特征目前尚无相关报道。以海洋模式鱼类—黑点青鳉(Oryzias melastigma)为实验鱼类,首次克隆了其MT基因全长c DNA序列,分析了黑点青鳉MT基因和氨基酸序列特征,然后进一步研究了水体中镉暴露后雌、雄性黑点青鳉肝脏中MT mRNA表达的差异性。结果显示,黑点青鳉MT基因c DNA全长为385 bp,编码60个氨基酸,预测编码的多肽分子量为5 990 Da,含有脊椎动物MT基因特征性序列结构cys-x-cys、cys-x-x-cys和cys-x-cys-cys。镉胁迫下雌、雄性黑点青鳉肝脏MT mRNA表达结果显示,在0.8,4.0和8.0μg·L-1环境浓度的镉暴露1~7 d条件下,与对照组相比,雄性黑点青鳉在所有的不同暴露浓度和不同暴露时间的实验组中肝脏MT mRNA几乎均被显著性诱导表达;而雌性黑点青鳉只在较高暴露浓度和较长暴露时间的实验组中才被显著性诱导表达,并且MT mRNA的表达水平比雄性低得多。上述研究结果表明,在相同的镉胁迫条件下,雄性黑点青鳉肝脏MT mRNA的表达比雌性更敏感;以黑点青鳉MT mRNA作为生物标志物监测海洋环境重金属污染生物效应状况时,应选择更敏感的雄性黑点青鳉作为监测鱼类。利用生物标志物监测水环境污染物生物效应时,监测动物的性别差异是一个应当考虑的重要因素。     

青鳉鱼的行为特征提取研究

采用生物行为传感器获取青鳉鱼的行为数据时,青鳉鱼个体差异会导致采集到的原始电信号在时空特性下完全不同。重要的行为特征往往被隐藏在原始信号中,传统的信号处理方法无法实时而有效地提取到这些特征。针对这个问题,观察并记录了暴露实验前后青鳉鱼的行为变化,提出了一种可以高效表征行为特征的直方图统计算法。实验结果表明,该方法能够准确对应人眼观测到的暴露实验前后鱼的行为变化趋势,同时也为后续异常行为识别提供一定的支持和参考。     

Cd2、Hg2+、Cr6+和pb2对黑点青鳉(Oryzias melastigma)早期生活阶段的毒性效应研究

近岸海域重金属污染不容乐观,作为“一种潜在的海洋模式鱼种”黑点青鳉(marine medaka,Oryzias maelastigma)对不同重金属胁迫的响应水平却鲜有报道.为探究并比较海水鱼种黑点青鳉早期生活阶段对Cd2+、Hg2+、Cr6 +和pb2 +等不同重金属胁迫的响应,在实验室通过半静态方式,对黑点青鳉受精...     

基于机器视觉的鱼类行为特征提取与分析

近年来,水污染问题备受关注。生物式水质监测成为目前国家环境保护工作的重要任务之一。为准确监测水质污染情况,本文以青鳉鱼(Oryzias latipes)为研究对象,采用非接触式的机器视觉监测技术,提取青鳉鱼的生理特征(呼吸频率)和运动特征(胸鳍和尾鳍的摆动频率),并分析这些特征与水质之间的关系。本文采用支持向量机(Support Vector Machine,SVM)准确提取鱼鳃,并根据鱼鳃呼吸面积大小变化计算出鱼的呼吸频率。基于形态学细化算法提取青鳉鱼骨架,求出胸鳍和尾鳍的摆动频率。结果显示:不同浓度铜离子暴露实验测得的青鳉鱼生理特征和运动特征与实际情况一致;通过对不同铜离子浓度下的毒性实验数据对比,发现了青鳉鱼的生理特征和运动特征会随不同的铜离子浓度发生相应变化,可以作为水质监测的评价标准。     

纳米二氧化钛致日本青鳉鱼胚胎毒性效应特征

采用青鳉鱼胚胎暴露的方法,研究不同浓度纳米TiO_2对胚胎的毒性效应.结果表明,纳米TiO_224 h的半数致死率LD50为115.17 mg·L~(-1),但不同浓度组引起致死效应差别很大,不存在剂量—效应关系.随着处理浓度从高到低的变化,青鳉鱼胚胎孵化率呈现V字型降低.孵化率最低的为0.1 mg·L~(-1)纳米TiO_2处理组,其孵化率低于10%.高浓度组纳米TiO_2(1 mg·L~(-1)试验组和10 mg·L~(-1)试验组)导致青鳉鱼胚胎孵化时间延迟1—2周.高浓度组(1 mg·L~(-1)和10 mg·L~(-1)处理组)和低浓度组(0.1 mg·L~(-1)和0.01 mg·L~(-1)处理组)的纳米TiO_2对青鳉鱼胚胎和幼鱼造成的畸形毒性特征不同.高浓度组主要造成卵黄囊水肿,低浓度组的毒性特征主要是卵膜破损和胚胎急性致死.对纳米TiO_2的致毒机理,尤其是低于0.1mg·L~(-1)的毒性效应和致毒机理需要进一步研究.     

马拉硫磷和百菌清胁迫下斑马鱼行为变化的研究

以马拉硫磷和百菌清为胁迫因子,本文研究了2种污染物暴露下斑马鱼行为强度的变化。首先通过急性毒性试验确定了2种农药对斑马鱼24 h、48 h、72 h、96 h的半致死浓度(LC50),其次以LC50-48 h为1个染毒单位(TU),在0.01 TU、0.1 TU、0.5 TU、1 TU、2 TU 5个条件下,本文开展了斑马鱼行为学研究。结果显示,48 h马拉硫磷暴露斑马鱼的LC50为5 mg·L~(-1),百菌清暴露斑马鱼的LC50为0.01 mg·L~(-1)。随着污染物浓度增大,综合行为强度变化幅度增大。在设置的暴露浓度下,斑马鱼的行为强度在急剧增大或减小后都出现了明显的调节适应过程,基本符合环境压力模型。通过比较在不同频率下的影响强度,马拉硫磷和百菌清暴露斑马鱼摆鳍所受影响最大。本研究提示,水质监测中可增加斑马鱼摆鳍观察指标。     

典型重金属胁迫对日本沼虾的氧化损伤及交互作用

为深入探讨水体不同浓度重金属联合对水生生物的慢性毒性机制,本研究以日本沼虾(Macrobranchium nipponense)为受试生物,镉(Cd)和铅(Pb)为目标金属,超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、金属硫蛋白(MT)和丙二醛(MDA)为测试终点,研究不同浓度的Cd和Pb单一及联合暴露对日本沼虾的氧化损伤及交互作用。实验结果表明:Cd对虾的致死浓度为1 mg·L-1,当其与同浓度Pb联合时,致死毒性增强;在0.01 mg·L-1和0.1 mg·L-1下联合时均表现为拮抗作用。不同处理组对标志物产生不同程度的诱导或抑制效应,其中,SOD活性均受到胁迫抑制,0.1 mg·L-1Cd暴露10 d后对肝胰腺SOD抑制率达53.38%,0.1 mg·L-1Pb暴露10 d后对肌肉SOD抑制率达70.02%;CAT活性整体受胁迫激活,肝胰腺与肌肉CAT活性在时间尺度上呈现相反的变化规律;肝胰腺中MT和MDA对重金属的敏感性要高于肌肉;综合生物标志物响应(IBR)评价表明,机体在时间尺度上可通过酶活性调节而具有一定的解毒功能,但并不能消除重金属引起的氧化损伤,且重金属单一毒性要高于联合毒性,其中Cd对肝胰腺毒性最大,Pb对肌肉毒性最大。研究结果能够为水体重金属生态风险预警、水质基准制定及流域水环境管理提供依据。     

镉和铅对菲律宾蛤仔脂质过氧化及抗氧化酶活性的影响

为了研究亚致死浓度的重金属对海洋贝类的毒性效应,探讨其可能的作用机理,在实验生态条件下以菲律宾蛤仔(Ru-ditapes philip pinarum)为目标生物,采用半静态毒性实验方法,研究了不同浓度Cd2+(0.0948、0.237和0.474mg·L-1)和Pb2+(0.276、0.690和1.380mg·L-1)对菲律宾蛤仔鳃和消化腺组织中超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)活性以及丙二醛(MDA)含量的影响。结果显示:(1)鳃和消化腺中的抗氧化酶及MDA的变化呈现出类似的趋势,在胁迫初期,各浓度处理组菲律宾蛤仔鳃和消化腺组织SOD和CAT与对照组相比活性都显著升高(P<0.01),呈现出明显的诱导效应,而MDA含量与对照组相比差异不显著(P>0.05);随着胁迫时间的延长,高浓度Cd2+(0.474mg·L-1)和Pb2+(1.380mg·L-1)处理组中SOD、CAT活性快速下降,与对照组相比差异显著;低浓度处理组中的抗氧化活性虽然也较对照组有所下降,但总体下降幅度不如高浓度组明显,并且所历暴露时间较长。各浓度处理组中MDA含量变化一致,均呈现出先升高后降低的趋势,且含量均高于对照组。(2)通过相关性分析,菲律宾蛤仔消化腺组织中的SOD活性与Cd2+浓度的相关性大于鳃组织,与Pb2+浓度的相关性则小于鳃组织;消化腺组织中的CAT活性与Cd2+、Pb2+浓度呈抛物线型相关,与鳃组织CAT活性相关性不十分显著。这说明消化腺组织中SOD活性对Cd2+的敏感性大于鳃组织,消化腺组织中CAT活性对Cd2+、Pb2+的敏感性大于鳃组织。因此,菲律宾蛤仔消化腺中SOD、CAT对水环境中的重金属反应敏感,且存在一定的剂量-效应关系,消化腺组织中SOD和CAT活性与其他敏感性指标一起可以作为指示早期海洋重金属污染的生物标志物。     

水体酸化条件下Cu(II)对斑马鱼胚胎的毒性效应

为评价由酸雨、酸性矿山排水等环境污染导致的水体酸化及水体重金属联合作用对水生生物的生态毒性效应,研究了不同pH值(pH=3、4、5、6、7和7.8)条件下Cu2+对斑马鱼胚胎发育的影响。结果表明,酸性水体及Cu2+单一存在时,酸对斑马鱼胚胎24h半数效应浓度值EC50为pH=3.65,Cu2+(pH=7.8)对斑马鱼胚胎24h-EC50为0.267mg·L-1;当水体酸化及水体中的Cu2+共存时,较低的pH对Cu2+的生物毒性起协同作用,表现为随溶液pH的降低,各浓度Cu2+对斑马鱼胚胎的24h凝结率显著增高(P24h致死率=0.001),而斑马鱼胚胎96h孵化率显著降低(P96h孵化率=0.002),且不同浓度的Cu2+之间的生物毒性效应存在显著性差异(P24h致死率=0.0321;P96h孵化率=0.0028)。这说明酸性水体和Cu2+都显著影响斑马鱼胚胎的发育,且Cu2+在酸性水体中对斑马鱼胚胎的毒性显著增强。因此,在受重金属Cu2+污染的地区,如同时受到酸雨或酸性矿山排水等较低pH值和Cu2+的双重胁迫,较低浓度的Cu2+就能够对水生生物的生殖发育及水生生态系统产生严重的影响和危害。     

Voltammetric analysis of metallothioneins and copper (II) in fish for water biomonitoring studies

An major research area in environmental chemistry is the development of methods for the analysis of biomarkers. Metallothioneins are used as biomarkers in studies of heavy metals exposure in water, because metallothioneins are synthesized and accumulated when organisms are exposed to toxic concentrations of pollutants. In this work, simple and sensitive voltammetric methods were developed for metallothionein and copper (II) determinations in fish liver Lepomis gibbosus. Both analytical methodologies were optimized and applied to samples extracted from individuals previously submitted to sub-lethal toxicological trials with copper sulphate (CuSO₄) and cadmium chloride (CdCl₂). The obtained results showed that both methods are very precise, sensitive, and involve simple sample preparation processes. Moreover, metallothioneins showed better correlation with the toxic exposure than Cu²⁺. To the best of our knowledge, this is the first time that hepatic metallothioneins and Cu²⁺ contents are voltammetrically determined in order to be compared in their function as heavy metal biological indicators.     

重金属Cr(VI)、Pb及Cu胁迫对双齿围沙蚕体腔细胞的DNA损伤

为探讨重金属Cr(VI)、Pb以及Cu对沙蚕体腔细胞DNA的毒性效应,以双齿围沙蚕为受试动物,重金属按不同剂量水平,Cr(VI):10、100和200 mg·L~(-1),Pb:5、50和100 mg·L~(-1),Cu:1、10和20 mg·L~(-1),分别胁迫沙蚕24 h,以不加任何重金属离子的海水为对照,采用单细胞凝胶电泳技术,检测其体腔细胞DNA损伤程度。结果表明,与空白对照组相比,3种重金属离子的各浓度组都能引起沙蚕体腔细胞DNA损伤,且3种重金属胁迫浓度与细胞DNA损伤程度之间存在显著的剂量-效应关系。双齿围沙蚕可以作为单细胞凝胶电泳的实验材料用于重金属所致环境污染的生物监测指示生物。     

2种茶树对铜胁迫的响应及其组织铜化学形态变化的比较研究

为了分析不同茶树对Cu胁迫的生理响应及其组织中不同化学形态Cu的累积特性,本研究采用水培法,探讨铁观音、肉桂2种茶树在不同浓度Cu胁迫下,茶树根系活力、叶绿素含量、茶树组织Cu含量及不同化学形态Cu含量的变化,以期为重金属对茶树毒害机理和茶树对重金属的自我防御研究提供理论依据。结果表明,随着Cu胁迫浓度的增加,茶树根系活力及叶片叶绿素含量呈现下降趋势,而与对照相比,铁观音下降的幅度远高于肉桂。不同茶树品种在相同浓度Cu胁迫下,其根、茎、叶组织的Cu含量差异不显著,而不同组织中则表现为根叶茎。不同化学形态Cu含量分析结果表明,随着Cu胁迫浓度的升高,2种茶树根部可交换态Cu、碳酸盐结合态Cu、有机结合态Cu含量百分比呈现下降趋势,而铁锰氧化态Cu和残留态Cu呈现上升趋势;茎部可交换态Cu、有机结合态Cu含量百分比呈现下降趋势,碳酸盐结合态Cu、铁锰氧化态Cu和残留态Cu呈现上升趋势;叶部可交换态Cu、碳酸盐结合态Cu、有机结合态Cu含量、铁锰氧化态Cu含量的百分比均呈现上升趋势,而残留态Cu呈现下降趋势。进一步分析发现,Cu胁迫下,铁观音茶树根、叶部主要以采取提高有机结合态Cu的形式来降低Cu离子毒害,而肉桂则以提高铁锰氧化态Cu形式降低Cu离子毒害,叶部则以提高铁锰氧化态Cu和残留态Cu的形式降低Cu离子毒害。可见,不同的茶树在Cu胁迫下所表现解毒模式存在着一定的差异。     

Molecular dynamics of stability and structures in phytochelatin complexes with Zn,Cu, Fe,Mg, and Ca: Implications for metal detoxification

Phytochelatins, or (γ-glutamyl-cysteine) _n -glycine, are specialized peptides produced by plants and algae to mitigate toxic metal exposure, for instance in response to high levels of metals such as Cu, Cd, and Zn. Stability constants and structural characterization of metal–phytochelatin complexes are lacking. This information is required to gain mechanistic insights on the metal selectivity of phytochelatins. Here, we studied structural coordination and thermodynamic stability by performing molecular dynamics simulations of a fully hydrated phytochelatin molecule complexed with Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Zn²⁺, and Cu²⁺. Our results predict the following decreasing order for the thermodynamic stability of the phytochelatin complexes: Zn²⁺ ≥ Cu²⁺ ≥ Fe²⁺ > Mg²⁺ > Ca²⁺. The favorable binding energies with Zn²⁺ and Cu²⁺ over the other metal cations can be explained by shorter binding distances and greater coordination from carboxylate and keto O atoms. Conformational rearrangement of phytochelatin following metal chelation was captured by monitoring changes in the solvent-accessible volume. Accessibility of solvent molecules to the phytochelatin structure was inversely proportional to the distance between the coordinated ligands and the chelated metal. These new findings demonstrate the influence of the metal–phytochelatin structure on the metal-binding thermodynamics and the phytochelatin conformation, both of which are important to evaluate the intracellular role of phytochelatin in mediating algal response to toxic heavy metal exposure.     

铜离子对中国花鲈幼鱼的毒性研究

为给中国花鲈(Lateolabrax maculatus)养殖提供污染生物学的理论数据,研究了中国花鲈幼鱼的铜离子中毒症状和半致死浓度(LC50);检测了幼鱼肝脏的谷胱甘肽(GSH)和丙二醛(MDA)含量及超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、谷丙转氨酶(GPT)和谷草转氨酶(GOT)活力;分析了铜离子胁迫对...     

Isolation and characterisation of cadmium-resistant bacteria from an industrially polluted coastal ecosystem on the southeast coast of India

A total of 35 bacterial strains were isolated from the industrially polluted Cuddalore coast, on the southeast coast of India. Of these, 17 strains were cadmium resistant and the remainder were sensitive. Six strains (C-1, C-8, C-10, C-12, C-14 and N-1) were selected based on high levels of cadmium tolerance (>150 mg L^?1) and were termed highly cadmium-resistant bacteria (HCRB). These HCRB were identified on the basis of morphological, biochemical and partial sequencing of their 16S rRNA genes. The antibiotic-susceptibility patterns and minimum inhibitory concentrations (MIC) of different metals (Cu²⁺, Pb²⁺ and Zn²⁺) against each HCRB were determined. Among the isolates, C-14 showed high degrees of metal and antibiotic resistance compared with other HCRB. Growth rates of HCRB at two different Cd²⁺ concentrations (50 and 100 mg L^?1) and under different metal conditions (Cd²⁺, Cu²⁺ and Pb²⁺) were also investigated. HCRB growth rates were lower in the metal-treated condition than in the untreated condition. Isolates C-14 and N-1 removed>80% of Cd²⁺ from cadmium-treated broth. However, isolate C-14 removed 92.3% of Cd²⁺ compared with 86.5% for isolate N-1. Bacteria showing residual growth rates under metal stress conditions might be useful in metal removal applications under growing conditions.     

Utilization of fly ash in adsorption of heavy metals from wastewater

The aim of this study was to assess the toxicity reduction of wastewaster after treatment with fly ash. Fly ash is a waste material which is formed as a result of coal burning in power plants, but has the potential to adsorb heavy metal ions. The present study examined the adsorption capacity of fly ash to adsorb Pb²⁺, Cu²⁺, and Zn²⁺ from waste water under different conditions of contact time, pH, and temperature. Uptake of metal ions by fly ash generally rose with increasing pH. At lower temperatures the uptake of heavy metal adsorption were enhanced. Significant reduction in Pb²⁺ (79%), Cu²⁺ (53%), and Zn²⁺ (80%) content was found after treatment with fly ash of waste water treatment. Using the microtox test toxicity of the effluent was reduced by 75% due to removal of Pb²⁺ ion by the fly ash. Data indicated that fly ash generated by power plants may be used beneficially to remove metals from waste water.