锰与氟被认为是浅层地下水污染的重要污染指标。锰是人体必须元素之一,但锰过量会产生神经毒性。氟的生物毒性效应与毒理机制尚不明确。在全球气候变化背景下特别是温度影响下,污染物的生态毒理学效应亟待探究。秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)、大肠杆菌(Escherichia coli)及动物细胞被广泛用做模式生物进行环境生物学领域的研究,并作为指示生物应用于标志物模型。分子生物标志物可直接反映外来理化因素与生物分子的相互作用特征,其中细胞因子可表征外源化学物质的毒性作系统性应激表征,应激蛋白Hsps具有显著的胁迫效应。本研究以C.elegans,E.coli及动物细胞为活体模型,结合体内外细胞活体试验,探讨不同温度影响下锰与氟的毒性变化,揭示锰与氟的环境毒理胁迫响应机制及联合毒性作用模式。基于线虫端点判定体系、突变体功能和蛋白表达方法,探讨应激蛋白Hsp90、Hsp70作为锰、氟污染生物标志物的可行性及其分子应激响应特征。通过以大肠杆菌为模式生物对锰和氟的毒性研究发现,低浓度的锰胁迫即对大肠杆菌生长表现出抑制效应,低于2.8mmol/L的氟胁迫强度与大肠杆菌生长状态存在线性回归关系。U937细胞体外毒性试验发现,细胞活性随锰与氟暴露浓度的升高而降低,锰在较高暴露浓度下表现出剧急性毒性效应,而氟不具有显著的剧急性毒性效应。细胞因子与趋化因子作为应激分子,其中Hsp70、EOTAXIN、IL-8及EGF、RANTES表达与锰暴露浓度呈现良好的线性关系,表现出作为锰毒性响应的生物标志物的特征。Hsp70、IL-1b、RANTES、IL-1ra、MIP-1b及Hsp90与氟暴露强度呈现出良好的线性关系。正常培养温度20℃,野生型秀丽隐杆线虫的24小时锰半数致死浓度LC50值为131.75mmol/L,24小时氟的LC50值为101.16mmol/L。锰和氟胁迫的时间动力学特征表明,热冲击增强了锰毒性的剧急性效应,极限热冲击显著增强了氟的剧急性毒性。中、高浓度的锰或氟胁迫下,五个类型的秀丽隐杆线虫头摆率随锰或氟胁迫强度的增大而降低。hsp70与hsp90参与了秀丽隐杆线虫繁殖调控。hsp70缺失显著影响了长期锰暴露下的秀丽隐杆线虫寿命,增强了锰胁迫下的衰老效应,hsp70在锰或氟暴露下寿命信号响应通路中表现为正向调控功能。作为代表性的热应激蛋白,秀丽隐杆线虫Hsp70表达受冷、热冲击影响显著,随着温度冲击强度的增强,其表达量升高。20℃适宜温度下,野生型秀丽隐杆线虫成虫Hsp70表达量随着锰暴露浓度的增强而增大,进一步验证Hsp70应激因子在机体对锰胁迫响应调节中的正调控作用。温度与锰联合胁迫影响下,Hsp70表达量都在一定范围内随着胁迫强度的增强而升高,这在分子水平上体现出温度与锰联合作用的协同效应。与锰暴露下的表达效应相似,氟胁迫下野生型秀丽隐杆线虫Hsp70表达量随着氟暴露浓度的增强而增大,这与hsp70缺失型突变体BC10067线虫对氟胁迫的抗性下降相一致,表明hsp70在秀丽隐杆线虫体内对氟胁迫表现为正向的应激响应调控,温度影响放大了这种诱导效应。Hsp70具有锰与氟污染暴露的生物标志物特征。Hsp90蛋白表达呈现出与Hsp70相反的特征。秀丽隐杆线虫Hsp90表达量随热冲击强度的升高而降低,随锰或氟强度的增强而减少。热与锰的复合胁迫下增强了对秀丽隐杆线虫Hsp90的抑制表达,冷冲击却增强了锰对秀丽隐杆线虫Hsp90的诱导作用,暗示Hsp90在低温环境下对锰胁迫响应可能的增强调控作用与标志物特征,进一步证明秀丽隐杆线虫体内hsp90/daf-21在锰应激响应信号转导中的作用为负向调控。适度热影响降低了氟对Hsp90表达的抑制效应,而冷冲击和极限热冲击都会增强抑制效应,表明Hsp90在温度影响下氟的应激响应调控作用中的复杂性与丰富性。结合daf-21缺失型突变体对氟毒性的耐受性增强,表明秀丽隐杆线虫体内hsp90/daf-21在氟胁迫的应激响应信号转导中的作用为负向调控。锰与氟的联合毒性试验结果表明,以低浓度的锰和低浓度的氟对秀丽隐杆线虫染毒后体现出较弱的联合毒性效应,高浓度的锰和低浓度的氟表现出较强的协同效应,高浓度的锰与氟联合毒性下协同作用明显。锰与氟联合胁迫下秀丽隐杆线虫头摆率、繁殖率及寿命都显著降低,表现出二者复合污染的协同效果。中、低强度复合胁迫对秀丽隐杆线虫Hsp70的诱导表达呈现一定的正协同效应,而中、高强度的锰与氟联合作用对秀丽隐杆线虫Hsp90的诱导表达表现出显著的负协同效应。综上,作为应激蛋白的Hsp70与Hsp90在锰与氟的机体胁迫响应调控体系中作用显著,细菌-细胞-秀丽隐杆线虫毒理模型及分子-行为-繁殖-寿命端点组合可以作为评价锰与氟污染毒性的指示系统。