沉底重燃油污染对底栖生物海胆的跨代毒性效应及机制研究

摘要

近年来船舶溢油事故泄漏油品主要类型为船用重质燃料油(HFO)。HFO的密度高、黏度大，泄漏后在海洋环境中很容易发生沉降而形成沉底油。沉底HFO在自然条件下难以挥发或降解，回收困难，并且HFO中具有毒性的多环芳烃(PAHs)含量高，因此沉底HFO对海洋生态系统的影响时间较长，危害较大。沉底HFO主要对栖息于水体中较低层或海床上的物种造成长期的危害。本文利用室内流水式粘油砾石系统模拟海洋环境中沉底HFO的存在情况，并选择海洋底栖生物虾夷马粪海胆（Strongylocentrotus intermedius）作为受试生物。以“成体海胆—配子—子代”为主线，研究了沉底HFO释放到孔隙水中的PAHs在海胆性腺组织及其配子中的富集规律，并分析了沉底HFO暴露后对海胆繁殖性能及子代早期阶段生长发育的影响，以及对海胆性腺、卵细胞、精子和子代早期阶段的生物大分子损伤效应和总抗氧化能力的影响，进而探讨了沉底HFO对海胆的跨代毒性效应及作用机制，以期为评估沉底重燃油污染对海胆种群的损害程度提供支持。主要研究结果如下: (1)在21d的暴露实验期间，研究用于模拟沉底HFO的室内流水式粘油砾石系统的孔隙水化学组分随时间和砾石粘油量的变化情况。结果发现不同粘油量(500、1000、2000、4000和8000μg油/g砾石)砾石系统的孔隙水中总石油烃和PAHs浓度随时间呈指数形式降低，变化范围分别为44.2～752.9μg/L和0.564～5.978μg/L;孔隙水中最主要的PAHs为萘和菲，萘的相对含量随时间降低，而菲的相对含量随时间增高。室内流水式粘油砾石系统的孔隙水中总石油烃和PAHs浓度与实际海洋环境中的暴露浓度具有一致性，说明该系统可以有效地模拟实际海洋环境中沉底HFO的存在情况。 (2)利用室内流水式粘油砾石系统进行21d的暴露实验，研究该系统的孔隙水中PAHs浓度和海胆性别差异对其配子内PAHs的生物富集量的影响。暴露于不同粘油量的砾石系统孔隙水中21d后，通过人工催产收集海胆卵细胞和精子，并测定性腺组织、卵细胞和精子中的PAHs浓度，结果发现雌、雄海胆性腺组织、卵细胞和精子中PAHs浓度与孔隙水中PAHs浓度呈正相关，其最大值分别为1079.5、921.0、350.0和170.4ng/g干重(DW);精子中PAHs含量显著低于卵细胞;当logKOW（正辛醇-水分配系数）小于5.6时，海胆性腺组织、卵细胞和精子对PAHs的logBCF（生物富集因子）与PAHs的logKOW基本呈正相关。结果说明沉底HFO释放到孔隙水的PAHs可以有效地被海胆性腺组织及其配子富集，并且海胆对PAHs的富集过程具有性别差异性。 (3)以海胆的性腺指数、繁殖力、卵细胞尺寸、受精率、子代畸形率和生长率等生活史性状为测定指标，在考虑海胆性别差异和子代发育阶段差异的基础上，研究了沉底HFO对海胆的跨代毒性效应。暴露于不同粘油量的砾石系统孔隙水中21d后，海胆的性腺重量、性腺指数和繁殖力均显著降低，其中繁殖力是较为敏感的指标，但卵细胞尺寸和受精率并未显著变化;24hpf子代胚胎发育主要受父本的负面影响，而48hpf子代幼虫发育和体长主要受母本的负面影响;对于48hpf子代幼虫，沉底HFO的跨代毒性双亲本效应、母本效应、父本效应的EC50，以性腺组织PAHs富集量表示时，分别为646.3、879.4、1179.5ng/g DW，以配子的PAHs富集量表示时，分别为190.2、305.5、201.3ng/g DW。 (4)暴露于不同粘油量的砾石系统孔隙水中21d后，研究海胆性腺组织、卵细胞、精子和子代早期阶段的生物大分子损伤效应（脂质过氧化、蛋白羰基化和DNA损伤）及总抗氧化能力的变化，并结合PAHs在海胆体内的富集量和生活史性状的变化情况，分别探究了沉底HFO对雄海胆和雌海胆的跨代毒性作用机制。结果发现海胆性腺组织生物大分子损伤程度增加，总抗氧化能力降低;卵细胞和精子的DNA损伤程度均增加，但卵细胞DNA损伤程度显著低于精子，而卵细胞的总抗氧化能力和脂质过氧化水平均高于精子;与父本暴露组相比，母本经沉底HFO暴露后，24hpf子代的总抗氧化能力较高而DNA损伤程度较低;母本暴露组48hpf子代的DNA损伤程度与父本暴露组无显著差异，但两者均高于对照组。结果表明父本经沉底HFO暴露后，导致精子DNA损伤程度增加，进而引起24hpf子代畸形发育，而48hpf子代发育情况不仅与精子和卵细胞DNA损伤程度有关，还受卵细胞中多环芳烃含量的影响。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景

1．1．1船舶溢油污染现状及特点

1．1．2船用重质燃料油行为和归宿

1．1．3沉底船用重质燃料油的危害

1．2研究进展

1．2．1沉底油对海洋生物毒性效应的研究

1．2．2石油烃在生物体内蓄积及跨代传递研究进展

1．2．3石油烃对海胆跨代毒性效应研究进展

1．2．4生活史权衡与跨代效应

1．2．5氧化应激在生活史权衡中的作用

1．3研究的目的、意义、内容及技术路线

1．3．1研究对象

1．3．2研究目的及意义

1．3．3研究内容

1．3．4技术路线

第2章模拟沉底重燃油的室内流水式粘油砾石系统

2．1实验材料及仪器

2．1．1实验油品

2．1．2实验海水

2．1．3实验药品

2．1．4实验仪器

2．2实验方法

2．2．1室内流水式粘油砾石系统

2．2．2粘油砾石制备

2．2．3孔隙水总石油烃浓度的测定

2．2．4孔隙水中和粘油砾石上的多环芳烃浓度的测定

2．2．5数据分析与处理

2．3实验结果

2．3．1孔隙水中总石油烃浓度随时间和砾石粘油量的变化

2．3．2孔隙水中多环芳烃浓度和相对含量随时间和粘油量的变化

2．3．3孔隙水中总石油烃浓度与多环芳烃浓度的关系

2．3．4粘油砾石上的多环芳烃浓度和相对含量的变化情况

2．4讨论

2．5小结

第3章沉底重燃油暴露下海胆性腺及配子对多环芳烃的生物富集

3．1实验材料及仪器

3．1．1实验材料

3．1．2实验仪器

3．2实验方法

3．2．1受试海胆的驯养

3．2．2流水式粘油砾石系统及海胆暴露方法

3．2．3人工催产及卵细胞和精子的收集

3．2．4性腺组织的收集

3．2．5性腺组织、卵细胞和精子内多环芳烃富集浓度的测定

3．2．6孔隙水中多环芳烃浓度的测定

3．2．7数据分析与处理

3．3实验结果

3．3．1孔隙水中多环芳烃浓度在暴露期间的变化

3．3．2海胆性腺组织富集的PAHs浓度

3．3．3海胆配子富集的PAHs浓度

3．4讨论

3．5小结

第4章沉底重燃油暴露对海胆生长繁殖及其子代早期发育的毒性效应

4．1实验材料及仪器

4．1．1实验材料

4．1．2实验药品

4．1．3实验仪器

4．2实验方法

4．2．1受试海胆的驯养

4．2．2亲代海胆暴露方法

4．2．3人工催产及卵细胞和精子的收集

4．2．4人工授精及子代亲本组合类型

4．2．5子代海胆培养条件及方法

4．2．6亲代海胆生长参数、繁殖力的测定

4．2．7卵细胞尺寸和受精率的测定

4．2．8子代海胆畸形率和体长的测定

4．2．9孔隙水中和海胆富集的多环芳烃浓度测定

4．2．10数据分析与处理

4．3实验结果

4．3．1沉底重燃油对亲代海胆生长状态的影响

4．3．2沉底重燃油对亲代海胆繁殖力的影响

4．3．3沉底重燃油对卵细胞尺寸和受精率的影响

4．3．4子代早期发育阶段的畸形形态

4．3．5亲代海胆暴露于沉底重燃油对受精后24 h子代胚胎发育影响

4．3．6亲代海胆暴露于沉底重燃油对受精后48 h子代幼虫发育影响

4．3．7亲代海胆暴露于沉底重燃油对受精后48 h子代幼虫体长影响

4．3．8海胆生活史性状的剂量-反应关系

4．4讨论

4．4．1沉底重燃油对海胆繁殖相关生活史性状的负面影响

4．4．2亲代海胆暴露于沉底重燃油对子代早期发育的跨代毒性效应

4．4．3沉底重燃油跨代毒性的父本效应

4．4．4沉底重燃油跨代毒性的母本效应

4．4．5沉底重燃油跨代毒性的父本效应和母本效应的对比

4．5小结

第5章沉底重燃油暴露对海胆的跨代毒性效应作用机制

5．1实验材料及仪器

5．1．1实验材料

5．1．2实验药品

5．1．3主要实验仪器

5．2实验方法

5．2．1海胆性腺组织、卵细胞、精子和子代的取样方法

5．2．2生物大分子损伤和总抗氧化能力测定

5．2．3数据分析与处理

5．3实验结果

5．3．1沉底重燃油对海胆性腺组织的生物大分子损伤效应

5．3．2沉底重燃油对海胆性腺组织总抗氧化能力的影响

5．3．3沉底重燃油对海胆卵细胞和精子的生物大分子损伤效应

5．3．4沉底重燃油对海胆卵细胞和精子总抗氧化能力的影响

5．3．5亲代海胆暴露于沉底重燃油对受精后24 h子代胚胎生物大分子损伤效应

5．3．6亲代海胆暴露于沉底重燃油对受精后24 h子代胚胎总抗氧化能力的影响

5．3．7亲代海胆暴露于沉底重燃油对受精后48 h子代幼虫生物大分子损伤效应

5．3．8亲代海胆暴露于沉底重燃油对受精后48 h子代幼虫总抗氧化能力的影响

5．3．9亲代海胆生活史性状与生物大分子损伤和总抗氧化能力的相关关系

5．3．10子代海胆畸形率与生物大分子损伤和总抗氧化能力的相关关系

5．4讨论

5．4．1海胆经沉底重燃油暴露后性腺组织氧化应激与繁殖投入的关系

5．4．2海胆经沉底重燃油暴露后卵细胞和精子的氧化应激

5．4．3海胆经沉底重燃油暴露后子代氧化应激与畸形率的关系

5．5小结

第6章结论与展望

6．1研究结论

6．2研究展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

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