基于斑马鱼新陈代谢和行为响应技术的在线水环境污染评价

摘要

污染物进入水体环境后，破坏水生态系统，威胁水生生物的生存。目前我国75%的湖泊受到污染，严重影响生物生存所必需的饮用水和农业用水。重金属是水环境污染的重要污染物，目前人类的生存环境受到严重的威胁。水生生物新陈代谢和行为研究已经越来越得到重视，新陈代谢和行为是生物最基本的生理指标，是对外界环境和内部环境的外在表现。 本文选取水环境污染中应用范围较广、污染程度较高的两种污染物，氯化镉和硝酸铊作为重金属的代表，选用国际标准模式生物斑马鱼进行研究。采用本实验室自行设计的水生生物在线新陈代谢监测系统和水生生物在线行为监测系统分别采集斑马鱼新陈代谢和行为响应信号，通过Excel软件、SPSS 22.0和Matlab软件对斑马鱼新陈代谢毒性效应、行为毒性效应进行分析以及新陈代谢和行为的关系研究。 随着技术的发展，在线生物监测技术被广泛的应用。在线新陈代谢技术是通过测定水生生物呼吸室进出口端溶解氧的含量，再通过公式的计算，得出水生生物新陈代谢率的变化水平。该系统采用间歇流水式测定原理，既具有开放式实时测量的优点，又克服了封闭式精确度差，不能连续长时间测量的缺点。同时，对多参数进行采集，保证在不同环境下水中溶解氧的稳定性。在线行为监测系统，是通过低压电信号的原理，对水生生物行为强度进行采集。在线采集系统保证了采集数据的准确性以及实时和长期的测量。 1.氯化镉抑制斑马鱼的新陈代谢作用，在0.1 TU暴露时，耗氧量（OC）抑制率较低，随着暴露浓度的提高，OC抑制程度增加。受试生物的毒性效应与氯化镉的浓度有关，两者之间存在剂量-效应关系。光照阶段的OC值明显高于黑暗阶段，在光照和黑暗阶段进行交替时，斑马鱼的OC出现明显的变化。用综合分析法对OC分析，呼吸活动也出现了相似的现象。斑马鱼的新陈代谢作用存在着昼夜节律性变化。 2. 氯化镉抑制斑马鱼的行为响应。在低浓度暴露中，斑马鱼的行为强度（BS）平均值最大，随着浓度的增加逐渐降低。斑马鱼的行为强度与暴露污染物之间存在剂量-效应关系。在高浓度暴露下，BS时间系列的折线图在起始阶段，BS的值比较接近。高浓度暴露下，综合分析BS，发现1TU和2TU的斜率比较接近，说明高浓度的氯化镉对行为的毒性作用机制比较接近。斑马鱼的BS值和BA（行为活动）的变化也与昼夜节律性有关。 3.在不同浓度氯化镉暴露下，使用在线监测系统对斑马鱼的OC和BS进行分析。CdCl2对斑马鱼OC和BS具有明显的抑制作用，且具有剂量-效应关系。暴露在氯化镉中的斑马鱼的RA和BA曲线在16h以后，会出现相似的曲线。两者的变化与光照情况密切相关，具有昼夜节律性。对OC和BS进行相关性分析，两个参数之间的相关性高度显著（r=0.93和p<0.01）。因此，可以同时利用斑马鱼的新陈代谢和行为两个指标对水质进行监测。 4.地表水浓度的硝酸铊暴露实验，既实现了对低浓度污染物的监测，又实现了对重金属的慢性毒性的研究。TlNO3对斑马鱼标准代谢率具有抑制作用，OC的变化受到光周期的影响。在对照组和实验组中，光照阶段的OC值明显高于黑暗阶段。对照组中的周期性时间为24h，实验组中，TlNO3影响了周期性时间。TlNO3暴露下，OC自相关分析的数值波动很大，导致斑马鱼新陈代谢的节律性提前紊乱。研究发现斑马鱼的呼吸作用与其对污染物的敏感程度，以及污染物的活性有关。 5.地表水浓度的硝酸铊对斑马鱼行为暴露实验，实现了对铊的慢性毒性的研究。实验组的行为强度高于对照组，说明地表水浓度的硝酸铊对行为具有促进作用。硝酸铊的毒性作用较强，从实验初始，硝酸铊就开始发挥毒性作用，72h后，硝酸铊对斑马鱼的毒性作用逐渐加强，96-120h的毒性作用最强，此时BS值最大。斑马鱼的行为强度受光照的影响，存在明显的昼夜节律性。TlNO3暴露下，BS自相关分析的波动很大，96h后昼夜节律周期紊乱。 总之，利用斑马鱼新陈代谢的变化评估水环境是可行的，但也存在着局限性。通过对污染物暴露下斑马鱼新陈代谢和行为响应指标分析，能够更加全面的利用水生生物生理指标的变化，对水环境监测和评估，实现对水环境的早期预警。

目录

第一个书签之前

摘要

Abstract

第一章 研究背景

第二章 斑马鱼在线新陈代谢和行为评价技术的构建

第三章 氯化镉暴露对斑马鱼新陈代谢和行为的影响

第四章 硝酸铊暴露对斑马鱼新陈代谢和行为的影响

第五章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文和专利