CuInS2/ZnS QDs对稀有鮈鲫的生殖及胚胎发育毒性效应研究

摘要

量子点（quantum dots，QDs）作为一种新型的纳米材料，被广泛应用于细胞成像、生物医学、太阳能电池等领域。目前研究主要集中于Ⅱ-Ⅵ族和Ⅳ-Ⅵ族QDs，然而，这些QDs核心含有毒元素（如：Cd、Pb、Hg、Te和As），因此其对人类健康和环境污染的潜在危害引起学者们的广泛关注。QDs在与生物和非生物环境因子的相互作用过程中，结构容易发生改变和降解，核心的有毒金属离子释放进入水生生态系统，从而对水生生物产生毒性作用，也可通过食物链富集作用进入较高营养级。有关QDs对细菌、微藻和无脊椎动物的毒性效应已有研究，但人类对QDs对鱼类的毒性效应还知之甚少。Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族化合物铜铟硫/硫化锌量子点（CuInS2/ZnS QDs，SIC/ZnS QDs）上，由于其核心不含有毒元素镉，并且是QDs敏化太阳能电池的理想材料。关于CuInS2/ZnS QDs是否会对生物体产生毒性效应，以及该QDs较CdSe/ZnS QDs是否更安全还未可知。本研究以稀有鮈鲫为实验对象，就CuInS2/ZnS QDs对稀有鮈鲫胚胎的早期发育毒性、染毒性成熟稀有鮈鲫的生殖毒性以及子代的胚胎发育毒性进行了下列实验。
　　实验一早期发育毒性实验。实验浓度设置为：对照组（即稀有鮈鲫胚胎培养液ISO1996）、50、100、200、400和800nmol/L QDs浓度组。采用水体浸泡暴露方式，探究不同浓度的CuInS2/ZnS QDs在胚胎发育至12、24、48、72和96hpf（Hours post fertilization）对稀有鮈鲫胚胎形态特征、氧化损伤、基因表达以及DNA损伤的发育毒性。结果表明CuInS2/ZnS QDs暴露对稀有鮈鲫胚胎发育有一定的毒性效应，主要表现在降低胚胎孵化率、存活率和心率，改变体长和孵化时间以及导致多种畸形症状，如心包水肿、脊柱和尾巴弯曲等。发育至60hpf，QDs已进入胚胎，随后眼睛和肛门等部位聚集。72hpf的半致死浓度（LC50）为624.364nmol/L。CuInS2/ZnS QDs暴露后，Hsp70、Cyp1a和Wnt8α基因mRNA表达显著上调，Mstn基因mRNA表达在暴露至12hpf时显著上调（P＜0.05）。胚胎发育早期，SOD活性和MDA含量无显著变化，随着暴露时间的延长，SOD活性和MDA含量逐渐升高（P＜0.05）。发育早期胚胎细胞的彗星拖尾不明显，随暴露时间延长及浓度增大，拖尾现象越严重，Olive尾矩也逐渐增大（P＜0.05）。
　　实验二生殖毒性实验。实验浓度设置为：对照组（0.65％NaCl对照组）、100、200、400和800nmol/L QDs浓度组。采取腹腔注射暴露方式，探究不同浓度的CuInS2/ZnS QDs对雌性和雄性性成熟稀有鮈鲫暴露36h后的精子激活率和有效运动时间变化、暴露1d、4d和7d后的精子DNA损伤情况、暴露7d后的性腺指数及性腺显微及超微结构的影响。结果表明，暴露至36h时，各QDs浓度组的精子激活率无显著变化（P＞0.05），有效运动时间显著减短（P＜0.05）。对亲本雄鱼腹腔注射QDs1d后，所产精子随暴露浓度增大，彗星拖尾越严重，Olive尾矩显著增加（P＜0.05）；暴露7d较暴露1d后，精子彗星尾长明显变短。显微结构观察到，稀有鮈鲫精巢的精原细胞数量减少，非细胞区域增大，而卵巢结构无显著变化。超微结构发现，暴露2d后，精子头部线粒体肿胀或破裂，尾部轻微肿胀；精母细胞溶解，髓样结构增多；支持细胞轻微肿胀。暴露7d后，精巢中线粒体结构正常，个别精子尾巴轻微肿胀及个别精母细胞溶解。
　　实验三染毒亲本子代的胚胎发育毒性实验。腹腔注射染毒亲本7d后，通过人工授精方式获得子代受精卵，探究CuInS2/ZnS QDs对子代的发育毒性效应。结果表明亲本腹腔注射染毒CuInS2/ZnS QDs对子代胚胎发育产生了毒性效应，主要表现为胚胎自主运动频率降低（P＜0.05）；心率减缓（P＜0.05）；体长发育受抑制（P＜0.05）；畸形率升高（P＜0.05）；存活率和孵化率无显著差异（P＞0.05）。
　　主要研究结论：
　　（1）CuInS2/ZnS QDs对稀有鮈鲫早期发育产生一定的毒性效应，主要表现在胚胎孵化时间改变、孵化率降低，体长变化以及心包水肿、脊柱和尾部弯曲等；诱导发育相关基因表达量上调，体轴延伸和肌肉发育缓慢可能与稀有鮈鲫早期身体发育畸形有关。
　　（2）CuInS2/ZnS QDs引起稀有鮈鲫机体产生了氧化损伤，导致DNA链断裂，造成DNA损伤，但具体机制还需进一步研究。
　　（3）CuInS2/ZnS QDs的早期发育毒性可能源于两方面：一方面由于QDs诱导产生活性氧物质，导致脂质过氧化以及DNA损伤；另一方面，可能与其可穿透卵膜进入胚体的纳米性质有关。
　　（4）CuInS2/ZnS QDs暴露导致稀有鮈鲫精子质量下降，精巢结构遭到破坏。
　　（5）CuInS2/ZnS QDs暴露性成熟稀有鮈鲫后，QDs可对其子代的发育产生一定的毒性效应，与对照组相比，死亡率未发生显著变化，说明CuInS2/ZnS QDs对后代的致死毒性小。
　　大，拖尾现象越严重，Olive尾矩也逐渐增大（P＜0.05）。
　　实验二生殖毒性实验。实验浓度设置为：对照组（0.65%NaCl对照组）、100、200、400和800nmol/L QDs浓度组。采取腹腔注射暴露方式，探究不同浓度的CuInS2/ZnS QDs对雌性和雄性性成熟稀有鮈鲫暴露36h后的精子激活率和有效运动时间变化、暴露1d、4d和7d后的精子DNA损伤情况、暴露7d后的性腺指数及性腺显微及超微结构的影响。结果表明，暴露至36h时，各QDs浓度组的精子激活率无显著变化（P＞0.05），有效运动时间显著减短（P＜0.05）。对亲本雄鱼腹腔注射QDs1d后，所产精子随暴露浓度增大，彗星拖尾越严重，Olive尾矩显著增加（P＜0.05）；暴露7d较暴露1d后，精子彗星尾长明显变短。显微结构观察到，稀有鮈鲫精巢的精原细胞数量减少，非细胞区域增大，而卵巢结构无显著变化。超微结构发现，暴露2d后，精子头部线粒体肿胀或破裂，尾部轻微肿胀；精母细胞溶解，髓样结构增多；支持细胞轻微肿胀。暴露7d后，精巢中线粒体结构正常，个别精子尾巴轻微肿胀及个别精母细胞溶解。
　　实验三染毒亲本子代的胚胎发育毒性实验。腹腔注射染毒亲本7d后，通过人工授精方式获得子代受精卵，探究CuInS2/ZnS QDs对子代的发育毒性效应。结果表明亲本腹腔注射染毒CuInS2/ZnS QDs对子代胚胎发育产生了毒性效应，主要表现为胚胎自主运动频率降低（P＜0.05）；心率减缓（P＜0.05）；体长发育受抑制（P＜0.05）；畸形率升高（P＜0.05）；存活率和孵化率无显著差异（P＞0.05）。
　　主要研究结论：
　　（1）CuInS2/ZnS QDs对稀有鮈鲫早期发育产生一定的毒性效应，主要表现在胚胎孵化时间改变、孵化率降低，体长变化以及心包水肿、脊柱和尾部弯曲等；诱导发育相关基因表达量上调，体轴延伸和肌肉发育缓慢可能与稀有鮈鲫早期身体发育畸形有关。
　　（2）CuInS2/ZnS QDs引起稀有鮈鲫机体产生了氧化损伤，导致DNA链断裂，造成DNA损伤，但具体机制还需进一步研究。
　　（3）CuInS2/ZnS QDs的早期发育毒性可能源于两方面：一方面由于QDs诱导产生活性氧物质，导致脂质过氧化以及DNA损伤；另一方面，可能与其可穿透卵膜进入胚体的纳米性质有关。
　　（4）CuInS2/ZnS QDs暴露导致稀有鮈鲫精子质量下降，精巢结构遭到破坏。
　　（5）CuInS2/ZnS QDs暴露性成熟稀有鮈鲫后，QDs可对其子代的发育产生一定的毒性效应，与对照组相比，死亡率未发生显著变化，说明CuInS2/ZnS QDs对后代的致死毒性小。

目录

声明

中英文缩略词表

第1章 文献综述

1.1 QDs的结构及光学特性

1.2 QDs的应用

1.3 QDs在水环境中的行为

1.4 QDs在生物体内的积累、转移和清除

1.5 QDs对不同营养级生物的毒性效应

1.6 QDs对培养细胞的毒性效应

1.7 QDs的生物毒性机制

1.8 本研究的目的、意义与技术路线

第2章 CuInS2/ZnS QDs对稀有鮈鲫胚胎发育的毒性效应

2.1 材料与方法

2.2 结果

2.3 讨论

2.4 小结

第3章 CuInS2/ZnS QDs对稀有鮈鲫的生殖毒性效应

3.1 材料与方法

3.2 结果

3.3 讨论

3.4 小结

参考文献

附1章 InP/ZnS QDs对稀有鮈鲫胚胎发育的毒性效应

附2章 CdSe/ZnS QDs对稀有鮈鲫的生殖毒性效应

致谢

发表论文和参加科研项目