组学技术在环境毒理学中的应用-案例研究

摘要

环境毒理学研究由于暴露于环境污染物而导致生物体的潜在有害效应、毒性机制并评估人体健康损害和风险.近年来迅速发展的高通量和高灵敏度的组学(Omics)技术(例如转录组学、蛋白质组学和宏基因组学等)有望成为解决环境毒理学领域中诸多问题的强有力工具.使用转录组或蛋白质组解析基因或蛋白质表达的变化有助于揭示新型环境污染物(Emerging Contaminants)毒作用过程、致毒机制并建立和获得更为完整的有害结局路径(Adervse Outcome Pathway,AOP).而微生物测序如16S扩增子测序和宏基因组对环境DNA(eDNA)进行高通量测序,关注微生物的群落变化、基因功能活性、微生物之间的协作关系以及微生物和周围环境之间的效应,可用于环境污染的监测、评估、控制和修复.此研究涵盖了在实验室试验和现场调查采样中成功应用组学方法的两个案例. 案例一：目前,新型溴化阻燃剂1,2,5,6-四溴环辛烷(TBCO)被认为是六溴环十二烷(HBCD)的潜在替代品,其使用逐步增加.为了评估其潜在毒理学效应和风险,青鳉鱼(Oryzias latipes)胚胎暴露于TBCO直至孵化.转录组(RNA-Seq)和蛋白质组的通路分析结果(Pathway analysis)预测TBCO暴露(100μg/L)可能导致胚胎发育、孵化、视力和心肌收缩等损伤,这些分子水平上的变化已被后续的靶向生物检测实验所证实.这项研究全面揭示了TBCO对早期生命阶段的毒性效应,并表明组学技术可用于预测新型污染物暴露所引起的生物的表型反应. 案例二：我国是位居世界前列的矿产资源大国、矿产品生产大国和消费大国,然而在含硫矿物开采和冶炼过程中产生的酸性矿山废水(Acid Mine Drainage,AMD)含有极高的酸度和高浓度的铜、铅、锌、镉等重金属离子和硫酸根离子,其不断排放对下游的环境和周边居民健康造成了严重危害.本研究以我国东南最大的多金属矿,位于广东省的大宝山矿区所污染的横石河为研究对象,自上游到下游布设22个采样点位,涵盖从极度污染到轻微污染的AMD污染梯度.通过下一代高通量测序技术阐明沉积物中原核微生物群落对这种环境变化的响应,探索不同MD污染梯度对微生物群落结构和功能的影响,解析二者之间相互作用的规律.16S rDNA测序结果显示原核微生物群落多样性随着AMD污染梯度的降低而显著增高,表明微生物群落多样性的变化可作为潜在的表征污染程度的敏感性生物指标.随机森林(Random Forest)模型对AMD环境中造成微生物群落变化的主要理化因子进行甄别,结果显示影响微生物群落结构和多样性变化的主要因素有沉积物的盐度、水体和沉积物中pH值、水体中铅和镉的浓度、沉积物中硫酸根的浓度等.不同污染梯度沉积物中微生物群落宏基因组测序结果提示AMD污染严重区域的微生物群落代谢能力显著高于轻度污染区域,表明微生物群落需要较强的代谢能力来应对AMD极端污染的胁迫.此外,通过进一步比对金属抗性基因数据库,发现微生物群落中铜和砷的抗性基因相对丰度的大小和沉积物中相应重金属的浓度高低有关,并且这些抗性基因主要来自酸杆菌门(Acidobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)和变形菌门(Protenbacteria).这项研究有助于进一步挖掘抗重金属微生物资源和重金属抗性基因,阐明微生物对重金属污染胁迫的适应机制,并为矿区复合重金属污染环境中的沉积物-水体质量监测、风险评价和污染微生物原位修复等提供数据基线和崭新视角.