CdSe/ZnS量子点在尼罗罗非鱼体内的安全性评估

摘要

为研究量子点的生物毒性，本文以尼罗罗非鱼（Oreochromisniloticus）为实验对象，运用酶学、血液学和组织学等技术手段和方法，对CdSe/ZnS量子点(QuantumDots，QDs)的生物安全性进行了评估。全文包括三个方面:量子点对肝脏、肾脏和精巢的氧化胁迫;对肝脏和肾脏的显微结构和精巢的显微、超微结构的影响;致红细胞的微核率及核异常率。本实验设置4个QDs剂量组（分别为20、200、2000和4000nmol/L），同时设置空白组、NaCl对照组和Cd2+处理组，以腹腔注射的方式对雄性尼罗罗非鱼进行暴露，分别在注射后1d、4d、7d、14d和28d进行静脉取血制作血涂片观察微核及核异常率，取肝脏、肾脏和性腺进行总抗氧化能力(T-AOC)水平及丙二醛(MDA)含量等的测定，同时检测肝脏、肾脏和性腺的显微结构及性腺的超微结构。
　　 主要研究结果:
　　 各空白对照组的酶学、血液学和组织学实验结果均与各NaCl对照组无显著性差异。
　　 酶学
　　 (1)从剂量效应看:随着QDs剂量的增大，1-7d肝脏和性腺的T-AOC水平没有明显的剂量-效应正相关关系，3个时间点中2000nmol/L均到峰值且与对照组有极显著差异(P＜0.01)，而肾脏在4000nmol/L组达到峰值。肝脏各QDs处理组SOD、CAT和GPX活力在1d、7d的峰值均出现在2000nmol/L组(P＜0.05)。随着剂量的增大，肝脏和性腺的MDA含量总体上呈现先升后降的趋势，峰值多出现在2000nmol/L(P＜0.01)，肾脏的MDA含量随着剂量的增大而升高，峰值出现在4000nmol/L（P＜0.01）。14-28d肝脏、肾脏及性腺QDs各剂量组的T-AOC水平、MDA含量均与各NaCl对照组没有显著性差异。精巢中各QDs剂量组的LDH与NaCl对照组相比均没有显著性差异，而Cd2+组在1-28d均低于QDs剂量组最低值。
　　 Cd2+处理组肝脏、肾脏和性腺的T-AOC水平分别在1-4d、4-7d和1-14d高于各QDs处理组;肝脏、肾脏和性腺MDA含量在整个实验期间均高于各时间点QDs最高值（性腺4d除外）。
　　 (2)从时间效应看:肝脏和肾脏QDs各剂量组T-AOC水平总体上呈现先上升后下降趋势，肝脏200nmol/L、2000nmol/L组在7d达到峰值，而4000nmol/L在4d时达到峰值;肾脏和精巢的2000nmol/L、40000nmol/L组均在4d达峰值。表明鱼体在4-7d内抗氧化能力最强。肝脏的SOD活性总体上先降后升再降，200nmol/L组均显著高于NaCl对照组(P＜0.05);CAT活性总体上先降后升再降的趋势;GPX活性均在7d达到峰值，随后下降。肝脏、精巢QDs各剂量组的MDA含量总体先上升后下降，在4d达到峰值(P＜0.05)。肾脏的MDA含量呈下降趋势。各QDs剂量组的精巢ACP活性在1-7d呈先降后升趋势，而Cd2+组1-28d持续下降。
　　 Cd2+处理组肝脏、肾脏和精巢的MDA含量持续上升，均高于各QDs组峰值（精巢4d除外）。Cd2+组肝脏SOD、CAT和GPX持续下降，均在28d达到最低值。
　　 血液学
　　 (1)暴露1d时各QDs处理组产生的红细胞微核率达到峰值，随后总体呈下降趋势。Cd2+对照组的红细胞微核率在整个实验期间均与NaCl对照组有显著性差异(P＜0.05)，其红细胞微核率在14d达到峰值。
　　 (2)红细胞核质外凸和核质内凹是核异常的主要类型，核固缩及不均等缢裂细胞类型在前期易被诱导。
　　 组织学
　　 (1)QDs对肝脏的损伤主要是部分中央静脉淤血，肝血窦淤血，局部肝细胞体积增大。
　　 (2)QDs对肾脏的损伤主要是局部肾小球肿胀，肾小管上皮细胞肿胀，肾小管间充血。
　　 (3)4000nmol/LQDs对精巢的显微结构的损伤主要体现在局部基膜溶解断裂、Leydig氏细胞的肿大和支持细胞的减少;而超微结构的损伤主要体现在精原细胞胞质中线粒体肿胀水样化，精子头部质膜疏松肿胀。
　　 主要研究结论:
　　 酶学
　　 (1)肝脏:SOD、CAT和GPX三种抗氧化酶在不同的QDs剂量不同时间的反应敏感性不完全一致。2000nmol/L浓度组比4000nmol/L浓度组对鱼体的氧化胁迫更为敏感，4d时氧化损伤最为严重。但最终肝脏的T-AOC水平增强能有效遏制或消除活性氧的过多产生与积累。
　　 (2)肾脏:4000nmol/L组更为敏感，4d时氧化损伤最为严重，但最终肾脏的T-AOC水平增强能有效遏制或消除活性氧的过多产生与积累。
　　 (3)精巢:4d时QDs引发的氧化损伤最为严重，但最终精巢的T-AOC水平增强能有效遏制或消除活性氧的过多产生与积累。LDH活力在初期糖代谢受到轻微的抑制，ACP活力在初期生精细胞受到影响，后期均逐步恢复。
　　 由此可见，量子点外壳及表面修饰基团的综合作用对尼罗罗非鱼鱼体有氧化胁迫，4-7d是氧化-抗氧化的敏感期，14d后氧化损伤被解除，说明鱼体的氧化-抗氧化机制恢复正常。
　　 (4)Cd2+组在初期各种抗氧化酶均被诱导或抑制，总抗氧化能力提升，后期无法抵抗Cd2+诱导产生过多的ROS，最终导致氧化-抗氧化机制失衡。
　　 血液学
　　 量子点外壳及表面修饰基团的综合作用对尼罗罗非鱼鱼体有诱导红细胞微核率及核异常率增加的效应，但随着时间的推移，28d时鱼体最终能解除由QDs诱导的遗传毒性。
　　 组织学
　　 (1)2000nmol/LQDs暴露组对肝脏在4d时有轻微损伤，而对肾脏在7d时才有轻微损伤，表明尼罗罗非鱼肝脏可能是该量子点的主要靶器官，对肝脏的负面影响更大。
　　 (2)14d、28d时QDs暴露组的肾脏、肝脏及精巢在显微结构上和NaCl对照组没有差异，表明量子点外壳及表面修饰基团的综合作用对鱼体的三个器官经轻微损伤后最终恢复正常。Cd2+处理组对肾脏、肝脏和性腺均产生毒性作用，且随着时间的延长而不断增大，28d时损伤程度减缓。
　　 综上所述，CdSe/ZnSQDs对尼罗罗非鱼鱼体在一定程度上出现刺激损伤的负面影响，28d时鱼体各项指标均恢复了正常，鱼体能够解除其不利作用。至于量子点暴露对人体及其它动物是否具有毒性仍需进一步研究。

目录

声明

中英文缩略词表

摘要

第一章 前言

1．1 纳米材料概述

1．2 量子点(Quantum dots，QDs)概述

1．2．1 量子点的定义

1．2．2 量子效应

1．2．3 量子点的独特性质

1．2．4 量子点的功能化修饰

1．2．5 量子点的暴露途径

1．2．6 量子点的毒性机制

1．2．7 量子点的生物学毒性

1．3 量子点的氧化损伤研究

1．3．1 氧化损伤及抗氧化防御系统作用机制

1．3．2 总氧化酶

1．3．3 超氧化物歧化酶

1．3．4 谷胱甘肽过氧化物酶

1．3．5 过氧化氢酶

1．4 微核和核异常

1．4．1 微核试验发展概况

1．4．2 微核的形成

1．4．3 微核和核异常的鉴别

1．4．4 微核试验的优点和缺点

1．5 目的、意义与研究的技术路线

参考文献

第二章 CdSe／ZnS量子点对雄性尼罗罗非鱼(Oreochromis niloticus)氧化胁迫的研究

2．1 材料与方法

2．1．1 实验试剂与仪器

2．1．2 实验鱼来源及驯化

2．1．3 实验设计

2．1．4 取样方法和样品处理

2．1．5 各种抗氧化酶、丙二醛及精巢特征酶的检测方法

2．2 数据处理与分析

2．3 结果

2．3．1 量子点对雄性尼罗罗非鱼肝脏抗氧化防御体系的影响

2．3．2 量子点对雄性尼罗罗非鱼肾脏T-AOC水平和MDA含量的影响

2．3．3 量子点对雄性尼罗罗非鱼精巢T-AOC水平和MDA含量的影晌

2．3．4 量子点对雄性尼罗罗非鱼精巢特征酶的影响

2．4 讨论

2．4．1 用尼罗罗非鱼作为实验对象的原因

2．4．2 量子点对雄性尼罗罗非鱼肝脏抗氧化防御体系的影响

2．4．3 量子点对雄性尼罗罗非鱼肾脏T-AOC水平和MDA含量的影响

2．4．4 量子点对雄性尼罗罗非鱼精巢T-AOC水平和MDA含量的影响

2．4．5 量子点对雄性尼罗罗非鱼精巢特性酶活力的影响

2．5 小结

参考文献

第三章 CdSe／ZnS量子点对雄性尼罗罗非鱼红细胞微核率及核异常率的影响

3．1 实验材料与方法

3．1．1 实验试剂和仪器

3．1．2 实验鱼来源及驯化

3．1．3 实验设计

3．1．4 取样方法和样品处理

3．2 数据处理与分析

3．3 结果

3．3．1 QDs对红细胞形态的影响

3．3．2 QDs对红细胞微核率的影响

3．3．3 QDs对红细胞核异常率的影响

3．3．4 QDs对红细胞总核异常率的影响

3．4 讨论

3．4．1 QDs对微核率的影响

3．4．2 QDs对核异常率及总核异常率的影响

3．5 小结

参考文献

第四章CdSe／ZnS量子点对雄性尼罗罗非鱼肝脏、肾脏和精巢显微结构的影响

4．1 实验材料与方法

4．1．1 实验试剂与仪器

4．1．2 实验鱼来源及驯化

4．1．3 实验设计

4．1．4 取样方法和样品处理

4．2 结果

4．2．1 QDs对肝脏显微结构的影响

4．2．2 QDs对肾脏显微结构的影响

4．2．3 QDs对精巢显微结构的影响

4．2．4 QDs对精巢超微结构的影响

4．3 讨论

4．3．1 QDs对肝脏显微结构的影响

4．3．2 QDs对肾脏显微结构的影响

4．3．3 QDs对精巢显微结构的影响

4．3．4 QDs对精巢超微结构的影响

4．4 小结

参考文献

致谢

在校期间发表论文及参加科研实践情况