铜绿微囊藻不同生长阶段胞外分泌物对大型溞的毒性效应及其与代谢物组分的关联性研究

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水华蓝藻能够通过释放多种化合物对水体其他生物产生毒性,但其活性物质的组成尚待明确。近年来一些研究还发现处于不同生长阶段的蓝藻对其他水生生物产生的干扰并不一致,提示了蓝藻在各生长阶段合成的活性化合物可能不同。但蓝藻不同生长阶段的化学生态效应及其物质基础仍需进一步明确。为了探究不同生长阶段的蓝藻对浮游动物的毒性及藻代谢物组分变化,本研究选取蓝藻水华的优势种—铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)的产毒株和无毒株、以浮游动物模式物种大型溞(Daphnia magna)为受试材料,比较铜绿微囊藻不同生长阶段胞外分泌物(M.aeruginosa exudates,MaE)暴露对大型溞线粒体功能障碍、氧化应激与脂质过氧化、滤食动作与心跳频率以及繁殖特征的毒性效应,同时结合代谢组学分析方法,探究铜绿微囊藻不同生长阶段的化学毒害效应与其代谢物组分的关联性。主要研究结果如下:(1)在线粒体功能层面,线粒体膜电位在MaE处理下均有明显的去极化现象,同株藻中稳定期对线粒体功能抑制效果强于指数生长期,同生长阶段下无毒株强于产毒株。代谢组学结果显示MaE中对线粒体具毒性的活性化合物,如酮基胆固醇(7-Ketocholesterol)的差异表达,可能导致了不同类型MaE在线粒体水平的不同毒害差异。(2)在氧化应激与膜损伤层面,大型溞在MaE处理下机体活性氧(ROS)水平显著升高,H2O2也显著升高,表明机体处于氧化应激状态;同时超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)、谷胱甘肽巯基转移酶(GSTs)以及谷胱甘肽(GSH)水平在处理组也都明显升高,表明机体处于抗氧化和解毒状态;脂质过氧化产物丙二醛(MDA)、脂褐素(Lipofuscin)含量有相应增加,表明MaE暴露对大型溞造成了氧化损伤。但各处理组无明显差异,表明不同株系不同生长阶段MaE处理下氧化应激和过氧化损伤没有差异,或是通过其它途径产生不同的毒害抑制效应。(3)在滤食动作与心跳层面,随着暴露时间的增加,MaE对胸肢划动的抑制效果逐渐增强,48h下无毒株稳定期处理抑制效果明显,抑制率高达29.54%,心率在4h各处理组已受到明显抑制,抑制强度随时间变化不明显,尾爪跳动频率无显著差异。对滤食动作及心率的整体抑制强度趋势表现为同株系中稳定期抑制效果强于指数生长期,同时期下无毒株抑制效果强于产毒株。代谢组学结果显示MaE中存在的如维甲酸类(Retinoids)具神经毒性的活性化合物及其差异表达,可能导致了不同类型MaE对大型溞滤食动作及心率的不同毒害影响。(4)在无毒株稳定期MaE长期(21天)暴露后,无毒株稳定期MaE处理下的大型溞总怀卵数和总产幼数均显著均被显著抑制,抑制率分别为24.68%和38.10%,这表明无毒株稳定期MaE具有明显的生殖干扰毒性。代谢组学结果显示MaE中存在的具繁殖干扰的活性物质,可能最终造成了MaE对大型溞繁殖特征的抑制效果。(5)对不同株系不同生长阶段MaE代谢组成分及差异表达进行分析发现,不同MaE中稳定期的代谢物丰富度更高,同时对代谢物差异表达比较发现,稳定期上调的具毒性的活性化合物数量比指数生长期要多,这与稳定期MaE毒害效应更强的结果基本符合。综上,不同类型MaE对浮游动物大型溞具有毒性效应,这与MaE中具有的毒性化合物有关。同时毒性效应表现为稳定期强于指数生长期,这与稳定期MaE中毒性化合物差异性上调表达存在关联。效应差异与在植物水平的研究结果不同,表明在探究蓝藻不同时期的危害时也需要考虑水体生物的种属差异。此外,无毒株也具有较产毒株更强的毒性,这表明在控制产毒种群的同时也不能忽视无毒种群的潜在危害。
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