三种金属纳米材料对紫贻贝的毒性探究

Based on the broad-spectrum antibacterial properties, silver nanoparticles (AgNPs), copper oxide nanoparticles (CuO NPs), and zinc oxide nanoparticles (ZnO NPs) may be explored for aquaculture use. Among them, AgNPs are the most widely used nanomaterials in production and living. Though the toxicological data about nanomaterials in the aquatic ecosystem have had a certain accumulation, it still needs further research on the biological toxicity mechanism and the effective biomarkers of AgNPs. And meanwhile, an in-depth study is also required for accessing the environmental risks associated with the three metal nanoparticles before their application in aquaculture. The acute and subchronic toxicological effects of AgNPs on the marine bivalves have been studied in the pre-research. And data about the variation of gene expression, antioxidant enzymes activity, histopathology, metal accumulation and immunotoxicity were evaluated to provide a theoretic and technical basis for this project application. In the present project, a marine mussel Mytilus galloprovincialis will be explored as the target creature, which is the main economic marine animal and the typical marine monitoring animal. The capacity of cysteine to complex with Ag+ and the technique of cloud point extraction (CPE), ICP-MS, etc. are applied for the analysis of AgNPs biological toxicity mechanism in marine. And the two-compartment toxicokinetic-toxicodynamic model (TK -TD) is used in combination to predict the the toxicological effects of the three metal nanoparticles, and then, the techniques used in the pre-experiment are also applied for the validation and comparation. The results are supposed to provide some technical supports for the screening of nanometer antibacterial agents in aquaculture and the biological detection and ecological risk assessment of nano-pollution.

纳米银、纳米氧化铜和纳米氧化锌，因其广谱抗菌特性，可以用作水产养殖抗菌剂，其中纳米银又是生产生活中应用最广泛的纳米材料。虽然纳米材料在水生生态系统中的毒理学数据有一定的积累，但纳米银生物毒性的作用机制和有效的生物标志物仍需要深入探讨；同时，这三种纳米材料在水产养殖中的应用安全性也需要评估。前期预实验分别从抗氧化酶活性、基因表达、组织病理、组织富集及免疫毒性等方面表征纳米银的急性和亚慢性生物毒性，为本项目的申请奠定了一定的理论和技术基础。本项目以主要的经济生物和典型的海洋环境监测生物紫贻贝为研究对象，利用半胱氨酸络合银离子的特性、浊点萃取法及ICP-MS等技术探讨纳米银的毒性作用机制；运用两步法毒性动力学模型预测三种纳米材料的生物毒性效应，并利用预实验中的技术手段进行验证比较，从而为水产养殖纳米抗菌剂的筛选及近海纳米污染生物监测与生态风险评价提供一定的技术支持。

纳米银、纳米氧化铜和纳米氧化锌在水产养殖抗菌过程中的生物有效性和安全性及纳米银生物毒性作用机制尚不明确，需要通过毒理实验进行验证和比较。本课题以紫贻贝为研究对象，分析了AgNPs的毒理效应机制，及三种金属纳米材料的生物毒性效应。AgNPs毒理效应机制研究结果显示：（1）AgNPs在紫贻贝各组织中的消长和代谢速率均较小，Cysteine络合Ag+后，AgNPs整体的被摄食率提高，且在各组织中的消长速率增大，外套膜的最明显。（2）三种暴露情况未对紫贻贝造成较大的氧化胁迫，且未引发明显的神经毒性；基因表达检测显示，HSPA12A、TCTP和Bcl-2基因均展现出不同的表达响应，可初步作为AgNPs及Ag+的毒性生物标志物，有效性有待证实；Cysteine络合Ag+后，紫贻贝组织病理现象较AgNPs单独暴露严重；免疫检测显示，暴露对紫贻贝未产生严重的细胞毒性，但诱导了血细胞呼吸爆发和早期凋亡。三种金属纳米材料的生物毒理效应研究结果包括：（1）TK-TD模型预测三种纳米材料均具有潜在的生物毒性。其中，AgNPs和ZnO NPs生物毒性大小分别取决于Ag和Zn2+的代谢和排出速率；CuO NPs生物毒性与其暴露浓度及组织富集量有关，且其潜在的纳米毒性需要进一步研究。（2）三种纳米材料的主要分布组织分别为肝胰腺、鳃、闭壳肌和外套膜（AgNPs），肝胰腺、鳃（ZnO NPs）及肝胰腺（CuO NPs）。（3）酶活性检测显示，紫贻贝未受到较大的氧化胁迫；纳米形式的金属对生物体AChE的影响不是特别明显，CuO NPs相较于AgNPs和ZnO NPs更容易对AChE产生影响；基因表达检测显示，TCTP和Bcl-2基因均展现不同的表达响应，可初步作为毒性生物标志物，有效性有待证实；ZnO NPs诱导的组织病理现象较AgNPs和CuO NPs稍严重；免疫检测显示，紫贻贝血细胞未展现严重的细胞毒性，但应激产生了显著的呼吸爆发和早期凋亡。以上结果初步证实了，AgNPs、Ag+及AgNPs+释放的Ag+具有不同的生物毒性效应，AgNPs的生物毒性可能高于Ag+，AgNPs释放的Ag+可能对AgNPs的生物毒性具有一定的抑制作用；并初步预测并验证了三种金属纳米材料的生物毒性效应，为其作为水产抗菌剂的安全性评估提供部分科学依据。

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