纳米氧化锌和二氧化钛对鱼类胚胎的毒性效应及其机理研究

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纳米氧化锌(nano-ZnO)和纳米二氧化钛(nano-TiO2)是目前世界上使用最为广泛的纳米金属氧化物,其广泛的使用大大增加了水体暴露的风险。纳米材料的毒性近年来受到越来越多的关注。然而,关于其对水生生物的胚胎毒性和致毒机理尚未有统一的定论。  本研究以淡水鱼斑马鱼和海水鱼诸氏鲻虾虎鱼为受试生物,以nano-ZnO和nano-TiO2为研究对象,研究了不同浓度的nano-ZnO和nano-TiO2暴露下斑马鱼胚胎和虾虎鱼胚胎的死亡率、孵化率、心率、畸形发生率和畸形特征。同时研究了nano-ZnO的溶解性能和nano-TiO2的沉降性能。并依据nano-ZnO的溶解情况设置了相应浓度的Zn2+处理组。由于诸氏鲻虾虎鱼的胚胎发育过程尚未有详细报道,所以本文还观察了虾虎鱼的生长发育过程。此外,本研究还利用组织病理切片和QPCR等手段探讨了nano-ZnO的毒性作用机理。  观察发现,虾虎鱼胚胎的发育可分为7大阶段,25个时期,最少孵化时间86h左右,与斑马鱼相比产卵量大、卵小、孵化周期略长。研究纳米颗粒的理化性质发现,nano-ZnO的溶解与浓度有关,也与溶剂有关。溶解百分比随浓度上升而下降,在海水中1~50mg/L的nano-ZnO溶出的Zn2+最大浓度在2.5mg/L左右,这可能是其的一个溶解极限。Nano-TiO2的沉降性能随浓度上升而上升,10mg/L的悬液在24h后沉降仅为19%,而100mg/L的悬液最终沉降超过98%。毒性实验结果表明,Nano-ZnO导致斑马鱼胚胎和虾虎鱼胚胎出现显著的死亡和孵化抑制,最终的死亡率随浓度上升而上升,孵化率随浓度升高而下降,且处理组胚胎的死亡集中在早期胚胎和孵化期前后。Nano-ZnO还导致了斑马鱼的孵化周期延迟了2~7d。Nano-ZnO还会造成胚胎出现脊椎弯曲、卵黄囊水肿、心包水肿、发育不全等等的畸形,对斑马鱼造成的最显著的畸形是水肿,而虾虎鱼最常见的水肿是脊椎弯曲。Zn2+处理组的结果显示,Zn2+也会对斑马鱼胚胎和虾虎鱼胚胎产生显著的致死作用和孵化抑制,但相比nano-ZnO毒性要显著减少。组织切片结果显示nano-ZnO会造成肝细胞和肠细胞的增大、空泡变性及椎骨骨节的形态异常。QPCR结果显示nano-ZnO使肿瘤抑制基因p53下调,骨骼发育相关基因(col1a1a,sox9a和sox9b)上调。Nano-TiO2没有明显的致死效应和孵化抑制,相反,部分胚胎在nano-TiO2暴露下出现了早产的现象。斑马鱼胚胎在nano-TiO2处理后卵黄囊出现了明显的增大。  Nano-ZnO在不同的水体中溶解性能有一定程度的差异,其毒性部分归因于其溶出的Zn2+,但悬浮的和沉淀的nano-ZnO也带有毒性,且毒性具有累积性,其作用的靶器官包括肝脏、肠道和脊椎等。Nano-TiO2的毒性要弱于nano-ZnO,没有明显的浓度效应关系,其毒性主要与其沉降性能和吸附作用有关。
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