题名典型溴代阻燃剂对赤子爱胜蚓的分子生态毒性效应
作者徐湘博
学位类别硕士
答辩日期2014-05
授予单位中国科学院研究生院
授予地点北京
导师史雅娟
关键词溴代阻燃剂 赤子爱胜蚓 生长抑制率 酶活 基因表达量 Brominated flame retardants Eisenia fetida Growth inhibition Enzyme activity Gene expression
其他题名The Effects of Brominated Flame Retardants on MolecμLar Ecological Toxic Effects of Earthworms (Eisenia fetida)
学位专业环境工程
中文摘要    多溴联苯醚(Polybrominated diphenyl ethers,PBDEs)因其优异的阻燃性能而成为生产量最高的溴代阻燃剂(Brominated flame
retardants,BFRs)。近年来,部分 PBDEs由于具有持久性有机污染物的特性受到限制生产和使用,四溴双酚A(Tetrabromobisphenol A,TBBPA)和六溴环十二烷(Hexabromocyclododecane,HBCD)作为替代物成为 BFRs的主流产品。目前,溴代阻燃剂对土壤生态系统的毒性效应的研究尚不完善,为此本研究选择 4种典型 BFRs为研究对象,包括:2,2’,4,4’-四溴联苯醚( 2,2’,4,4’-tetrabromodiphenyl  ether,BDE-47)毒性较高的PBDEs同系物之一、十溴联苯醚(Decabromodiphenyl   ether,BDE-209)唯一被允许生产的 PBDEs同系物单体、TBBPA和   HBCD,开展 4种  BFRs对赤子爱胜蚓的毒性效应研究,不仅为这 4种  BFRs的毒性效应提供基础数据,还可以为工
业生产提供有价值的参考资料。
    本论文采用人工土壤法,从个体、酶活和基因表达三个层面研究了  BDE-47暴露 14 d和  42 d对赤子爱胜蚓的毒性效应。同时还从个体和基因表达两个角度比较了 BDE-47、BDE-209、TBBPA和  HBCD暴露  14  d对赤子爱胜蚓的毒性效应。研究结果如下:
1、BDE-47对赤子爱胜蚓的毒性效应研究
1)个体层面
    在 BDE-47 14 d的暴露毒性试验中,随着  BDE-47暴露浓度的增加,蚯蚓的生长抑制率显著升高,并且具有剂量效应关系(p <0.01)。
2)酶活层面
    在 BDE-47暴露  14 d和  28  d时,CAT活性被诱导上升并且具有显著性差异(p <0.01),42 d时,处理组与对照组相比,CAT活性无显著性差异;GST活性变化不显著(p >0.05)。
3)基因层面
BDE-47暴露  14 d后,随着  BDE-47暴露浓度的增加,SOD基因表达量显著上调,并且在 400 mg/kg dw染毒组达到最大值(3.84倍,p<0.01);Hsp70的基因表达量随着 BDE-47暴露浓度的增加被诱导下调,并且变化趋势相似,与对照组相比,在 100、200和  400 mg/kg dw染毒组都具有显著性差异(p  <0.05)。CAT基因表达水平,在 14 d时呈现抑制效应(p  <0.01),在 28 d基因表达水平上调(200mg/kg dw,p  <0.05),42 d时基因表达水平无显著性变化。GST基因表达水平,在 14、28、42 d时整体呈现诱导效应,并且差异显著(p  <0.05)。随着暴露时间的增加,低毒处理组的 CAT和 GST基因表达水平逐渐下调至低于对照组的水平,高毒处理组的 CAT和  GST基因表达量仍高于对照组水平。
2、BDE-209对赤子爱胜蚓的毒性效应研究
在毒性暴露 14  d后,随着浓度的增加,BDE-209各处理组与对照组相比,生长抑制率和 SOD、CAT、GST、Hsp70基因表达量的变化均无显著性差异。
3、TBBPA对赤子爱胜蚓的毒性效应研究
随着 TBBPA暴露浓度的增加,TBBPA各处理组与对照组相比,生长抑制率明显高于对照组。SOD基因的表达呈现诱导效应,并在  50 mg/kg dw处理组达到最大值(1.77倍,p<0.01);GST基因的表达也呈现诱导效应,在   400 mg/kg dw处理组(8.73倍,p<0.01)诱导效应明显;Hsp70基因的表达呈现诱导效应,在50、100和  200 mg/kg dw处理组诱导效应明显(2.19倍,p<0.01;2.17倍,p<0.01;2.16倍,p<0.01);CAT基因表达量的变化没有显著差异。
4、HBCD对赤子爱胜蚓的毒性效应研究
在 14  d暴露期内,随着浓度的增加,HBCD各处生长抑制率没有显著差异,SOD基因的表达在 400 mg/kg dw处理组(2.06倍,p<0.01)呈现出诱导效应;Hsp70基因的表达只有在 400 mg/kg dw处理组(2.16倍,p<0.01)呈现出诱导效应,CAT和  GST基因表达量的变化没有显著差异。
5、BDE-47、BDE-209、TBBPA和  HBCD对赤子爱胜蚓毒性效应比较
1)生长抑制作用:相同暴露浓度下 BDE-47对赤子爱胜蚓的毒性效应最明显,次之是 TBBPA,BDE-209和  HBCD无显著性影响。
2)SOD、CAT和  GST基因表达量的变化表明:BDE-47对赤子爱胜蚓的毒性效应最大,次之是 TBBPA,HBCD和   BDE-209毒性效应最小。而  4种   BFRs对 Hsp70基因表达量影响的模式不同,BDE-47对其影响呈现抑制效应,TBBPA和 HBCD对其影响呈现诱导效应。
    综合比较 4种  BFRs对赤子爱胜蚓生长抑制率和基因表达量的影响,4种物质毒性效应大小的顺序为: BDE-47>TBBPA>BDE-209,  HBCD。由于  BDE-209可降解为毒性更高的低溴代联苯醚以及结合赤子爱胜蚓急性毒性试验结果,可推知:在这 4种溴代阻燃剂中,HBCD的生产和使用对土壤生态系统的不利影响是最小的。
英文摘要    Polybrominated   diphenyl   ethers   (PBDEs),  the   top   one   brominated   flame retardants (BFRs),  have been  extensively produced  and used  until 2009  when some
PBDEs were  listed in  the Stockholm  Convention, and  their use has  been  restricted and forbidden,  tetrabromobisphenol  A (TBBPA)  and  hexabromocyclododecane  (HBCD) became  main  alternatives   of  PBDEs.  At   present,  the  toxic  effects   of  BFRs  on earthworms were scarcely reported.
    In  this  study,  2,2’,4,4’  -  tetrabromodiphenyl  ether  (BDE-47),  one  of  leading monomer of  PBDEs; decabromodiphenyl  ether (BDE-209),  the  unique monomer  of
PBDEs in production; TBBPA and HBCD, the alternatives of PBDEs,were selected as the  representatives of  BFRs.  The  toxic effects  of  BDE-47,  BDE-209,  TBBPA and HBCD on earthworms Eisenia fetida were investigated. The  resμLts will provide not only scientific  evidences for  ecological risk  assessment, but  also sµggestions  to the industrial production of BFRs.
    The  growth inhibition,  enzyme  activity  and gene  expression  were  detected to explore the  toxic effects of  BDE-47 on earthworms  Eisenia fetida after  exposure for
14 and 42 days.  Furthermore, the biomarks of growth  and gene expression were used to compare  the toxic effects  to earthworms Eisenia  fetida after exposure  to BDE-47,BDE-209, TBBPA and HBCD for 14 days.
The resμLts are as follows:
1. The toxic effects of BDE-47 on earthworms Eisenia fetida
1) The individual level effects With  the   increase  of   the  exposure   concentrations  of   BDE-47,  the   growth inhibition rates  of earthworms  of all  BDE-47 dose  groups were  significantly higher than  those  of  controls  in  14d  toxicity  test.  Significant  dose-response relationship(p<0.01) was shown between BDE-47 concentrations and growth inhibition rates.
2) The enzyme activity.
The activity of CAT  was significantly inducted after  exposure to BDE-47 for 14 and 28 d(p <0.01),  but no significant changes was  shown for 42 d. The activity  of
GST was changed insignificantly(p >0.05)  3) The level of gene expression.
    The SOD gene expression  was up-regμLated at all BDE-47 exposure  doses (400mg/kg dw, 3.84-fold, p<0.01). The significant down-regμLation of Hsp70  was present at  the concentrations  of 100,  200, 400  mg/kg  dw (p<0.05)  in 14  d  toxicity test.  In general, BDE-47  mainly significantly  induced the  gene expression levels  of GST  in 42 d exposure time and significantly inhibited the gene expression levels of CAT at 14d. With  the increase  of exposure  time, the  gene expression  levels of  CAT and  GST recovered to  level of the  control group at  low concentration group  and remained the
state of induction at high concentration group.
2. The toxic effects of BDE-209 to earthworms Eisenia fetida
The growth  inhibition rates  and gene  expression levels  of all  BDE-209  groups were not significantly different when compared with controls.
3. The toxic effects of TBBPA to earthworms Eisenia fetida
With increase  of the  exposure concentrations  of TBBPA,  the growth  inhibition rates of  TBBPA dose  groups were  significantly higher  than  those of  controls. SOD gene expression  was up-regμLated  at  the concentration  of 50  mg/kg dw  (1.77-fold,p<0.01).   Significant   up-regμLation  of   GST   gene   expression   presented   at  the
concentrations of 400 mg/kg dw (8.73-fold, p<0.01). Earthworms exposure to TBBPA also provoked a significant up-regμLation of Hsp70  (50 mg/kg dw, 2.19-fold, p<0.01;100 mg/kg dw,  2.17-fold, p<0.01; 200 mg/kg  dw, 2.16-fold, p<0.01) gene  expression levels.  Gene  expression  levels  of  CAT  showed  no  significant  variations  between TBBPA treated groups and the control.
4. The toxic effects of HBCD to earthworms Eisenia fetida
The growth inhibition  rates of all  HBCD groups were not  significantly different when compared with  controls. SOD and Hsp70 gene  expression was up-regμLated at the   concentration    of   400   mg/kg   dw    (2.06-fold,   p<0.01;   2.61-fold,    p<0.01,respectively).  Gene   expression  levels   of  CAT   and  GST   showed  no   significant variations between HBCD treated groups and the control.
5. The  contrastive analysis  of toxic  effects  of BDE-47,  BDE-209, TBBPA and HBCD on earthworms Eisenia fetida
1) Growth inhibition rates
Throµgh analyzing  the relative growth  inhibition rates in  contrast, BDE-47 was most harmfμL to the  earthworms Eisenia fetida,  TBBPA came second. BDE-209 and HBCD showed no toxic effects to growth of earthworms Eisenia fetida.
2) Gene expression levels
Throµgh analyzing the relative gene  expression levels of SOD, CAT and GST  in contrast,  the  similar toxicity  order  were  present  as  compared with  that  of  growth inhibition. However, BDE-47, BDE-209, TBBPA and HBCD showed different pattern to influence Hsp70 gene expression.  BDE-47 presented inhibition effects, but TBBPA and HBCD showed induction effects.
    In general, the  toxicity integrating the growth   inhibition and gene expression  on earthworms  of  the  four   BFRs  was  in  the  order  of:   BDE-47>TBBPA>BDE-209,
HBCD. Because of degradability of BDE-209 and the resμLts of  the acute tests, it can be infer that HBCD was a rather safe BFRs to soil ecosystem.

公开日期2015-06-11
内容类型学位论文
源URL[http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/13445]  
专题生态环境研究中心_城市与区域生态国家重点实验室
推荐引用方式
GB/T 7714
徐湘博. 典型溴代阻燃剂对赤子爱胜蚓的分子生态毒性效应[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2014.
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