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        硫酸銅和馬度米星銨聯(lián)合暴露對(duì)鯽魚的毒性和效應(yīng)標(biāo)記物研究

        2022-01-20 03:18:08高修歌楊丹宋昕昊彭麟季輝郭大偉江善祥
        生態(tài)毒理學(xué)報(bào) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:染毒硫酸銅鯽魚

        高修歌,楊丹,宋昕昊,彭麟,季輝,郭大偉,江善祥

        南京農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院,南京 210095

        目前環(huán)境中抗生素與重金屬的復(fù)合污染現(xiàn)象日益嚴(yán)重,復(fù)合污染產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)與單一污染不同[1],對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康構(gòu)成潛在威脅[2]。銅是水體污染中最常見的重金屬之一[3],也是生命體必需的微量元素。水中的銅污染源有許多,如漁業(yè)生產(chǎn)中使用的CuSO4、從空氣中沉降進(jìn)入水體的懸浮物、農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)生產(chǎn)排放的含銅廢液等。當(dāng)水中Cu2+濃度超出限度,會(huì)對(duì)水生動(dòng)物造成嚴(yán)重危害甚至導(dǎo)致死亡[4]。在生產(chǎn)實(shí)踐中,由于未合理使用銅制劑導(dǎo)致水生動(dòng)物銅中毒的事件屢有發(fā)生。姚志峰等[5]研究發(fā)現(xiàn),中華鱘體內(nèi)抗氧化酶的活性隨著Cu2+濃度的升高而降低,體內(nèi)氧化物質(zhì)不斷積累,對(duì)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)造成損傷,從而導(dǎo)致死亡。有學(xué)者指出,貝類可通過進(jìn)食等多種途徑吸收水環(huán)境中的碘化銅,對(duì)Cu2+有較強(qiáng)的富集能力[6]。當(dāng)Cu2+在體內(nèi)蓄積到一定量時(shí),可通過食物鏈進(jìn)入人體,對(duì)人類健康構(gòu)成潛在威脅[7]。研究發(fā)現(xiàn),Cu2+對(duì)斑馬魚胚胎96 h的半數(shù)致死濃度(50% lethal concentration, LC50)是2.5 μg·L-1,Cu2+可誘導(dǎo)斑馬魚心臟細(xì)胞凋亡[8],且抑制胚胎的生長(zhǎng)發(fā)育和孵化[9]。魚鰓是吸收Cu2+的主要部位,進(jìn)入機(jī)體的Cu2+首先在腸道富集,隨后通過生化反應(yīng)和血液運(yùn)輸至機(jī)體其他部位[10],最終主要在肝臟中富集,造成肝組織損傷[11]。因此,Cu2+的生態(tài)毒性效應(yīng)仍是亟待解決的重要環(huán)境問題之一。

        馬度米星銨(maduramicin)是一種聚醚類離子載體抗生素,廣泛用于肉雞球蟲病的防治[12]。其在雞體內(nèi)代謝較快且大部分以藥物原型通過雞糞進(jìn)入土壤中,進(jìn)一步污染水體等環(huán)境[13]。美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局(Food and Drug Administration, FDA)新獸藥申報(bào)材料顯示,馬度米星銨經(jīng)水體染毒引起虹鱒魚死亡的96 h-LC50為5.0 mg·L-1,引起藍(lán)鰓太陽魚死亡的96 h-LC50為1.4 mg·L-1,對(duì)藍(lán)鰓太陽魚的毒性為高毒,馬度米星銨對(duì)大型溞48 h半數(shù)有效濃度(median effective concentration, EC50)為7.5 mg·L-1。馬度米星銨對(duì)克氏原螯蝦的96 h-LC50為67.03 mg·L-1[14],說明克氏原螯蝦對(duì)馬度米星銨的耐受力較高[15]。馬度米星銨對(duì)斑馬魚的96 h-LC50為13.33 mg·L-1[16]。然而馬度米星銨對(duì)不同水生生物的毒性效應(yīng)仍不可知,有待進(jìn)一步探究。

        鯽魚是我國(guó)最常見的淡水魚類之一,在我國(guó)廣泛養(yǎng)殖。鯽魚作為實(shí)驗(yàn)用動(dòng)物,可應(yīng)用于毒理學(xué)、比較病理學(xué)及環(huán)境科學(xué)等科研領(lǐng)域。鯽魚對(duì)農(nóng)藥、重金屬等化學(xué)品較為敏感,是研究水生態(tài)毒理學(xué)的理想模型之一[17-18]。王曉峰等[19]通過檢測(cè)鯽魚體內(nèi)多氯聯(lián)苯的含量,評(píng)價(jià)電子垃圾拆解地區(qū)的環(huán)境污染狀況。王宗保等[20]成功建立鯽魚肝臟腫瘤模型,為腫瘤學(xué)研究提供了新的可能。鯽魚在藥物安全性及療效評(píng)價(jià)方面也占有重要地位,已有學(xué)者研究了四環(huán)素、奧比沙星及甲苯達(dá)唑等藥物在鯽魚體內(nèi)的藥物動(dòng)力學(xué)、毒性及殘留[21-23],為藥物合理使用提供了科學(xué)依據(jù)。

        目前,環(huán)境中抗生素與重金屬的復(fù)合污染現(xiàn)象日益嚴(yán)重,抗生素與重金屬結(jié)合后可能扮演一種未知的環(huán)境角色,產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)與單一污染的作用不同,對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成潛在威脅[24]。馬度米星銨和Cu2+在水環(huán)境中可能共存,對(duì)水生物造成潛在危害。為明確Cu2+和馬度米星銨復(fù)合污染對(duì)水生生物的毒性效應(yīng),本研究擬以鯽魚為試驗(yàn)動(dòng)物,從不同角度探討硫酸銅和馬度米星銨對(duì)鯽魚的單一及聯(lián)合毒性作用,以期為重金屬和抗生素的合理使用及水生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供理論依據(jù)。

        1 材料與方法(Materials and methods)

        1.1 儀器與試劑

        增氧氣泵(S-50BX型,塞爾科技,中國(guó)),溶解氧測(cè)定儀(AR8010型,希瑪儀表集團(tuán)有限公司,中國(guó)),水質(zhì)硬度檢測(cè)儀(TDS型,力晨科技,中國(guó)),pH計(jì)(SX-610型,上海三信儀表廠,中國(guó)),體視顯微鏡(SZ51型,奧林巴斯公司,日本),微型電動(dòng)勻漿器(1658050型,伯樂公司,美國(guó)),切片機(jī)(RM型,上海徠卡儀器,中國(guó)),微量紫外分光光度計(jì)(NanoDrop 2000型,賽默飛世爾公司,美國(guó)),PCR儀(T100型,伯樂公司,美國(guó)),熒光定量PCR儀(CFX96型,伯樂公司,美國(guó)),電泳儀(DYY-6C型,北京六一生物科技有限公司,中國(guó)),熒光顯微鏡(DP73型,奧林巴斯公司,日本)。

        馬度米星銨(含量91.9%,浙江匯能生物股份有限公司),CuSO4·5H2O(純度99.0%,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司),異丙醇(純度99.5%,上海申博化工有限公司),DNase/RNase-Free Water、Tris-HCl、吉姆薩濃縮染液、乙二胺四乙酸二鈉、胰蛋白酶消化液購自北京索萊寶科技有限公司,三氯甲烷、丙酮、鹽酸和氫氧化鈉購自上海凌峰化學(xué)試劑公司,均為分析純,PrimeScript RT reagent Kit With gDNA Eraser(RR420A)、RNAiso Plus(9108)和TB Green Premix Ex Taq Ⅱ)(RR047A)購自寶日醫(yī)生物技術(shù)(北京)有限公司,總蛋白定量測(cè)定試劑盒(A045-4-2)、總超氧化物歧化酶(SOD)測(cè)定試劑盒(A001-3-2)、過氧化氫酶(CAT)測(cè)定試劑盒(A007-1-1)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)測(cè)定試劑盒(A005-1-2)、丙二醛(MDA)測(cè)定試劑盒(A003-1-2)、脫氧核糖核酸(DNA)損傷試劑盒(G010-1-1)購自南京建成生物工程研究所。

        1.2 實(shí)驗(yàn)用動(dòng)物

        體質(zhì)量(146±15) g的鯽魚購于南京特給力種植專業(yè)合作社,置于帆布魚池中(1 m×1 m×0.8 m)。實(shí)驗(yàn)用水為充分曝氣除氯的自來水(pH值約為7,溫度(20±2) ℃,溶氧量始終>6 mg·L-1,總硬度為80 mg·L-1)。鯽魚在上述水環(huán)境中適應(yīng)性馴養(yǎng)一周,保證12 h∶12 h的光照/黑暗周期,增氧泵24 h持續(xù)泵氧。馴養(yǎng)期間每天換水1次,定時(shí)按體質(zhì)量1%投喂不含抗生素的全價(jià)魚飼料并清理池底糞便及剩余飼料,一周內(nèi)自然死亡率低于5%才可用于后續(xù)試驗(yàn)。

        1.3 方法

        1.3.1 硫酸銅對(duì)鯽魚的急性毒性

        急性毒性實(shí)驗(yàn)采用半靜態(tài)染毒法[25],依據(jù)預(yù)試驗(yàn)得到的100%致死濃度和最大耐受濃度,等比設(shè)計(jì)7個(gè)濃度組(2.5、3.4、4.6、6.2、8.4、11.4和15.5 mg·L-1CuSO4)和空白對(duì)照組,每組設(shè)置3個(gè)平行,每個(gè)平行10尾鯽魚。鯽魚在試驗(yàn)前一天禁食直至試驗(yàn)結(jié)束,試驗(yàn)期間,每隔24 h更換一半染毒溶液并補(bǔ)充至初始濃度,在試驗(yàn)開始的第2~8小時(shí)內(nèi)觀察鯽魚的臨床表現(xiàn),每隔24 h記錄鯽魚的中毒表現(xiàn)及死亡尾數(shù),連續(xù)觀察96 h。試驗(yàn)過程中及時(shí)清出死魚,判斷標(biāo)準(zhǔn)為鰓蓋停止活動(dòng),用玻璃棒輕觸魚尾部,5 min內(nèi)魚無反應(yīng)。采用寇氏法計(jì)算硫酸銅對(duì)鯽魚的96 h-LC50和安全濃度。

        1.3.2 硫酸銅和馬度米星銨聯(lián)合暴露對(duì)鯽魚的急性毒性

        本實(shí)驗(yàn)室前期研究表明馬度米星銨對(duì)鯽魚的96 h-LC50為11.22 mg·L-1(數(shù)據(jù)尚未發(fā)表),以硫酸銅和馬度米星銨對(duì)鯽魚96 h-LC50值為一個(gè)毒性單位,按毒性1∶1的混合比例[8],設(shè)置0.1、0.2、0.4、0.8和1.6毒性單位混合染毒液進(jìn)行聯(lián)合毒性試驗(yàn),并設(shè)對(duì)照組,每組設(shè)3個(gè)平行,每個(gè)平行10尾鯽魚,試驗(yàn)方法與單一染毒試驗(yàn)相同。采用Marking相加指數(shù)法[9]評(píng)價(jià)其聯(lián)合毒性大小,公式如下:

        式中:S表示混合物毒性之和;A和B分別為單一染毒的LC50;Am和Bm分別為聯(lián)合染毒的LC50。運(yùn)用S值計(jì)算相加指數(shù)(additive index, AI)值,用AI判斷聯(lián)合毒性,當(dāng)S≤1時(shí),AI=1/S-1;當(dāng)S>1時(shí),AI=-S+1。AI>0時(shí)為協(xié)同作用,AI=0時(shí)為加和作用,AI<0時(shí)為拮抗作用。

        1.3.3 硫酸銅和馬度米星銨聯(lián)合暴露對(duì)鯽魚的亞急性毒性

        根據(jù)急性毒性試驗(yàn)結(jié)果,依據(jù)《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 11607—89)對(duì)養(yǎng)殖水體中銅離子的濃度要求及亞急性毒性試驗(yàn)設(shè)計(jì)基本原則,分別以硫酸銅和馬度米星銨聯(lián)合染毒時(shí)96 h-LC50的1/140和1/10作為低、高2個(gè)劑量組,并按毒性1∶1進(jìn)行聯(lián)合染毒,具體分組如表1所示。每組設(shè)3個(gè)平行,每個(gè)平行24條鯽魚,持續(xù)染毒21 d。

        1.3.4 樣品采集

        在持續(xù)染毒第7天和第21天,分別從各組隨機(jī)取6尾鯽魚,頭部穿刺處死,解剖取肝臟,放入凍存管中,液氮速凍后轉(zhuǎn)存于-80 ℃。染毒第21天,分別從各組隨機(jī)取6尾鯽魚,斷尾采血。在4 ℃條件下,3 000 r·min-1離心10 min,取上清,用于血生化分析。染毒第21天,分別從各組隨機(jī)取6尾鯽魚,斷尾采血,用于制備血涂片,同時(shí),解剖取肝臟,用于制備肝細(xì)胞懸液。

        1.3.5 血生化的測(cè)定

        采用全自動(dòng)生化分析儀檢測(cè)鯽魚血清中的堿性磷酸酶(ALP)、谷草轉(zhuǎn)氨酶(AST)和谷丙轉(zhuǎn)氨酶(ALT)活性。

        1.3.6 抗氧化酶活性的測(cè)定

        從-80 ℃取出樣品,冰上解凍,按1∶9的質(zhì)量體積比加入磷酸鹽緩沖液(PBS),冰上勻漿,4 ℃,12 000 r·min-1離心15 min,取上清液檢測(cè)相關(guān)生化指標(biāo)??偟鞍诐舛?、SOD、CAT和谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)的酶活性及MDA含量的測(cè)定步驟參照試劑盒說明書。

        1.3.7 抗氧化酶相關(guān)基因的表達(dá)分析

        采用實(shí)時(shí)定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(real-time quantitative polymerase chain reaction, RT-qPCR)測(cè)定基因sod、cat和gpx的mRNA表達(dá),應(yīng)用Primer Premier 5.0設(shè)計(jì)基因引物(表2),引物由南京擎科生物科技有限公司合成。將待測(cè)鯽魚肝臟組織從-80 ℃冰箱中取出后在液氮中研磨后,快速轉(zhuǎn)移至2 mL管中,加入1 mL RNAiso,冰上勻漿。加入0.2 mL氯仿,渦旋后12 000 r·min-1離心15 min,轉(zhuǎn)移上清。加入1 mL異丙醇,渦旋后12 000 r·min-1離心10 min,棄液。加入75%乙醇(1 mL)洗滌,12 000 r·min-1離心5 min,棄液,洗滌2次。室溫干燥8~10 min,加DEPC水80 μL溶解,RNA溶液于-80 ℃短期保存。測(cè)定RNA樣品中RNA濃度及OD值,以O(shè)D260/OD280比值判斷RNA純度,比值為1.8~2.0的RNA作反轉(zhuǎn)錄。反轉(zhuǎn)錄過程及RT-qPCR程序參見本實(shí)驗(yàn)室已發(fā)表文獻(xiàn)[16],以ef1α為內(nèi)參基因,按照2-ΔΔCT法計(jì)算目的基因相對(duì)表達(dá)量。

        1.3.8 外周血微核試驗(yàn)

        鯽魚斷尾取血,前2~3滴丟棄,用預(yù)先經(jīng)肝素鈉溶液濕潤(rùn)過的槍頭吸取尾部的外周血,滴加到潔凈載玻片的一端,取另一蓋玻片以30°左右的夾角均勻推動(dòng)血液,在玻片上形成一層血膜,晾干后甲醇中固定15 min。血涂片置于染缸中,10%吉姆薩染液室溫下染色15 min。蒸餾水從一端沖洗,自然晾干。使用顯微鏡的油鏡觀察染色后的血膜并用MShot Image Analysis System軟件拍照。每張血涂片觀察并拍照1 000個(gè)細(xì)胞,計(jì)算微核率,公式如下:

        微核率(‰)=觀察到含微核細(xì)胞數(shù)/觀察細(xì)胞總數(shù)×1000‰

        表1 染毒劑量與分組Table 1 Exposure doses and group setting

        1.3.9 單細(xì)胞凝膠電泳1.3.9.1 試劑溶液配制

        稱取0.20 g 0.5%正常熔點(diǎn)瓊脂糖,加PBS 40 mL,加熱溶解;稱取0.14 g 0.7%低熔點(diǎn)瓊脂糖,加PBS 20 mL,加熱溶解。0.4 mg·L-1Tris-HCl:稱取Tris 12.114 g,加水溶解,HCl調(diào)pH值至7.5,定容至250 mL。300 mmol·L-1NaOH:稱取NaOH 3.0 g,加水溶解,定容至250 mL。1 mmol·L-1EDTA-Na2:稱取EDTA-Na20.1861 g,加水溶解,定容至500 mL。堿性電泳緩沖液:將EDTA-Na2與NaOH溶液等體積混合,調(diào)節(jié)pH值>13,現(xiàn)用現(xiàn)配。

        1.3.9.2 肝細(xì)胞懸液制備

        鯽魚解剖取肝臟于離心管中,加入所取組織10倍體積的0.25%胰蛋白酶,4 ℃消化15 min,1 000 r·min-1離心5 r·min-1,棄上清,PBS清洗,過200目細(xì)胞篩,細(xì)胞計(jì)數(shù),調(diào)整細(xì)胞濃度至1×106個(gè)·mL-1左右。

        1.3.9.3 單細(xì)胞凝膠電泳步驟

        制備瓊脂糖膠。第1層:載玻片上滴加正常熔點(diǎn)瓊脂糖100 μL,加蓋玻片,4 ℃固化。第2層:取肝細(xì)胞懸液10 μL與低熔點(diǎn)瓊脂糖75 μL混勻,滴加至第1層,加蓋玻片,4 ℃固化。第3層:揭去蓋玻片,滴加低熔點(diǎn)瓊脂糖75 μL,加蓋玻片,4 ℃固化。

        細(xì)胞裂解:玻片浸入冷的細(xì)胞裂解液中,4 ℃避光1.5 h。DNA堿解旋:向電泳槽中加入電泳緩沖液,載玻片浸于液面以下,堿解旋30 min。電泳:電壓25 V,電流300 mA,電泳30 min。中和:載玻片置于平皿中,加Tris-HCl,4 ℃中和10 min,中和3次,棄去Tris-HCl。染色鏡檢:加PI染液20 μL,加蓋玻片,避光染色10 min,熒光顯微鏡觀察拍照。

        1.3.10 數(shù)據(jù)處理及分析

        用Excel分析數(shù)據(jù),按寇式法計(jì)算LC50和安全濃度,公式如下:

        95%可信限=lg-1(lgLC50±1.96×Sm)

        式中:Xi是劑量對(duì)數(shù),Pi是死亡率,Sm是標(biāo)準(zhǔn)誤,d是對(duì)數(shù)差,n是實(shí)驗(yàn)動(dòng)物數(shù)。采用SPSS 26.0軟件統(tǒng)計(jì)分析,差異顯著性檢驗(yàn)采用單因素方差分析(One-way ANOVA, LSD)。結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(mean±SE)表示,并用GraphPad Prism 8軟件作圖。用CASP 1.22軟件分析彗星圖像。

        2 結(jié)果(Results)

        2.1 硫酸銅和馬度米星銨單一或聯(lián)合暴露對(duì)鯽魚的急性毒性

        由表3可知,硫酸銅對(duì)鯽魚的96 h-LC50為3.6 mg·L-1,其95%置信區(qū)間是3.31~3.95 mg·L-1,安全濃度為0.36 mg·L-1。硫酸銅和馬度米星銨聯(lián)合暴露時(shí),硫酸銅對(duì)鯽魚的96 h-LC50為1.4 mg·L-1,其95%置信區(qū)間是1.16~1.73 mg·L-1,安全濃度為0.14 mg·L-1;馬度米星銨對(duì)鯽魚的96 h-LC50為4.2 mg·L-1,其95%置信區(qū)間是3.45~5.16 mg·L-1,安全濃度為0.42 mg·L-1。采用水生毒理聯(lián)合效應(yīng)Marking相加指數(shù)法[9]評(píng)價(jià)硫酸銅和馬度米星銨的聯(lián)合毒性大小,生物毒性之和為0.76,AI值為0.31,AI>0,表明硫酸銅與馬度米星銨對(duì)鯽魚的聯(lián)合急性毒性為協(xié)同作用。

        表2 RT-qPCR的引物序列Table 2 Primer sequences of RT-qPCR

        2.2 硫酸銅和馬度米星銨單一及聯(lián)合暴露對(duì)鯽魚肝臟抗氧化酶活性及MDA含量的影響

        2.2.1 硫酸銅單一暴露對(duì)鯽魚肝臟抗氧化酶活性和MDA含量的影響

        如圖1(a)所示,與空白對(duì)照組相比,Cu1組鯽魚肝臟中SOD活性無顯著變化(P>0.05);染毒第21天,Cu2組SOD活性顯著低于對(duì)照組(P<0.05)。染毒期間,Cu2組CAT活性均低于對(duì)照組;染毒第7天,Cu2組CAT活性顯著低于對(duì)照組(P<0.05),如圖1(b)所示。染毒第21天,Cu2組GPx活性顯著低于對(duì)照組(P<0.05),如圖1(c)所示。Cu1和Cu2組MDA含量在染毒期間逐漸升高,存在時(shí)間-效應(yīng)關(guān)系(圖1(d)),但與空白對(duì)照組相比差異不顯著(P>0.05)。

        2.2.2 馬度米星銨單一暴露對(duì)鯽魚肝臟抗氧化酶活性和MDA含量的影響

        與空白對(duì)照組相比,染毒第21天,MAD1組SOD活性顯著高于對(duì)照組(P<0.05),如圖2(a)所示。染毒第7天,MAD1組CAT活性顯著高于對(duì)照組(P<0.05),如圖2(b)所示。染毒第21天,MAD2組GPx活性顯著低于對(duì)照組(P<0.05),如圖2(c)所示。染毒第21天,MAD2組MDA含量顯著高于對(duì)照組(P<0.01),如圖2(d)所示。

        2.2.3 硫酸銅和馬度米星銨聯(lián)合暴露對(duì)鯽魚肝臟抗氧化酶活性和MDA含量的影響

        如圖3(a)所示,染毒第7天,Cu1+MAD1組SOD活性顯著高于對(duì)照組(P<0.01);染毒第21天,Cu2+MAD2組SOD活性顯著低于對(duì)照組(P<0.01)。染毒第7天,Cu1+MAD1組CAT活性顯著高于對(duì)照組(P<0.01),如圖3(b)所示。染毒第21天,Cu2+MAD2組GPx活性顯著低于對(duì)照組(P<0.01),如圖3(c)所示。如圖3(d)所示,Cu1+MAD1和Cu2+MAD2組MDA含量均高于對(duì)照組;第21天,染毒組MDA含量顯著高于對(duì)照組(P<0.01)。

        圖1 硫酸銅單一暴露對(duì)鯽魚肝臟超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPx) 活性和丙二醛(MDA)含量的影響注:Cu1代表0.01 mg·L-1 CuSO4處理組,Cu2代表0.14 mg·L-1 CuSO4處理組,下同;與對(duì)照組相比,*表示差異顯著(P<0.05),n=6。Fig. 1 Effects of single copper sulphate exposure on the activities of superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT), glutathione peroxidase (GPx) and malondialdehyde (MDA) content in the liver of Carassius auratusNote: Cu1 means 0.01 mg·L-1 CuSO4 treatment group; Cu2 represents 0.14 mg·L-1 CuSO4 treatment group; the same below; *indicates significant difference at 0.05 level compared with control group (P<0.05), n=6.

        2.3 硫酸銅和馬度米星銨單一及聯(lián)合暴露對(duì)鯽魚肝臟抗氧化基因表達(dá)的影響

        2.3.1 硫酸銅單一暴露對(duì)鯽魚肝臟抗氧化基因表達(dá)的影響

        染毒期間,各組sod的mRNA相對(duì)表達(dá)量無顯著變化(P>0.05),如圖4(a)所示。如圖4(b)所示,染毒第7天,Cu2組cat的mRNA相對(duì)表達(dá)量顯著低于對(duì)照組(P<0.05);染毒第21天,Cu1組cat的mRNA相對(duì)表達(dá)量顯著低于對(duì)照組(P<0.05),Cu2組cat的mRNA相對(duì)表達(dá)量顯著低于對(duì)照組(P<0.01)。試驗(yàn)期間,各組gpx的mRNA相對(duì)表達(dá)量均低于對(duì)照組,但無顯著性差異(P>0.05),如圖4(c)所示。

        圖2 馬度米星銨單一暴露對(duì)鯽魚肝臟SOD、CAT、GPx活性和MDA含量的影響注:MAD1代表0.03 mg·L-1馬度米星銨處理組,MAD2代表0.42 mg·L-1馬度米星銨處理組,下同;與對(duì)照組比, *表示差異顯著(P<0.05),**表示顯著差異(P<0.01),n=6。Fig. 2 Effects of single maduramicin exposure on SOD, CAT, GPx activity and MDA content in the liver of Carassius auratusNote: MAD1 represents 0.03 mg·L-1 maduramicin treatment group; MAD2 indicates 0.42 mg·L-1 maduramicin treatment group; the same below; compared with the control group, *indicates a significant difference (P<0.05), **indicates a significant difference (P<0.01), n=6.

        表3 硫酸銅與馬度米星銨單一及聯(lián)合暴露對(duì)鯽魚的急性毒性Table 3 Acute toxicity of single and combined exposure of copper sulphate and maduramicin on Carassius auratus

        2.3.2 馬度米星銨單一暴露對(duì)鯽魚肝臟抗氧化基因的影響

        試驗(yàn)期間,各組sod和gpx的mRNA相對(duì)表達(dá)量上下波動(dòng),與對(duì)照相比無顯著變化(P>0.05),如圖5(a)和圖5(c)所示。如圖5(b)所示,各組cat的mRNA相對(duì)表達(dá)量均低于對(duì)照組,其中第21天,MAD2組cat的mRNA相對(duì)表達(dá)量與對(duì)照組相比有顯著差異(P<0.05)。

        2.3.3 硫酸銅和馬度米星銨聯(lián)合暴露對(duì)鯽魚肝臟抗氧化基因表達(dá)的影響

        試驗(yàn)期間,各聯(lián)合處理組sod和gpx的mRNA相對(duì)表達(dá)量上下波動(dòng),與對(duì)照相比無顯著變化(P>0.05),如圖6(a)和圖6(c)所示。由圖6(b)可知,Cu2+MAD2組cat的mRNA相對(duì)表達(dá)量顯著低于對(duì)照組(P<0.05)。

        2.4 硫酸銅和馬度米星銨單一及聯(lián)合暴露對(duì)鯽魚血生化的影響

        硫酸銅和馬度米星銨單一及聯(lián)合暴露對(duì)鯽魚血生化的影響如表4所示。染毒第21天,MAD2和Cu2+MAD2組ALT活性顯著高于對(duì)照組(P<0.05);其他染毒組與對(duì)照相比無顯著差異(P>0.05)。染毒第21天,Cu2組AST活性最高,顯著高于Cu1和對(duì)照組(P<0.05)。染毒第21天,Cu2+MAD2組ALP活性顯著高于對(duì)照組(P<0.05)。

        2.5 硫酸銅和馬度米星銨單一及聯(lián)合暴露對(duì)鯽魚紅細(xì)胞微核率的影響

        由表5可知,硫酸銅和馬度米星銨單一及聯(lián)合染毒均誘導(dǎo)鯽魚紅細(xì)胞微核率上升,并且隨著劑量增加而升高。Cu2和Cu2+MAD2組紅細(xì)胞微核率顯著高于對(duì)照組(P<0.01);MAD2組紅細(xì)胞微核率顯著高于對(duì)照組(P<0.05);Cu2+MAD2組紅細(xì)胞微核率顯著高于Cu2、MAD2和Cu1+MAD1組(P<0.01)。

        2.6 硫酸銅和馬度米星銨單一及聯(lián)合暴露對(duì)鯽魚肝細(xì)胞的DNA損傷

        如圖7所示,對(duì)照組中,鯽魚肝細(xì)胞DNA圖像為規(guī)則的圓形,沒有拖尾現(xiàn)象。隨著硫酸銅和馬度米星銨濃度的增加,細(xì)胞DNA出現(xiàn)斷裂,整體結(jié)構(gòu)變得松散,頭部DNA集中,尾部由DNA斷片組成,呈現(xiàn)類似彗星的圖像。隨著濃度升高,熒光強(qiáng)度變大且彗星尾部變長(zhǎng)。高濃度復(fù)合染毒組中彗星尾部大于單獨(dú)暴露組,說明復(fù)合暴露對(duì)鯽魚肝細(xì)胞DNA損傷更為嚴(yán)重。

        圖4 暴露于硫酸銅中的鯽魚肝臟sod、cat和gpx的mRNA相對(duì)表達(dá)量注:與對(duì)照組相比,*表示差異顯著(P<0.05),**表示顯著差異(P<0.01),n=6。Fig. 4 The relative mRNA level of sod, cat and gpx in the liver of Carassius auratus exposed to copper sulphateNote: Compared with the control group, *indicates a significant difference (P<0.05), **indicates a significant difference (P<0.01), n=6.

        表4 硫酸銅和馬度米星銨單一及聯(lián)合暴露對(duì)鯽魚血生化的影響Table 4 Effects of single and combined exposure of copper sulphate and maduramicin on blood biochemistry of Carassius auratus

        圖5 暴露于馬度米星銨溶液中的鯽魚肝臟sod、cat和gpx的mRNA相對(duì)表達(dá)量注:與對(duì)照組相比,*表示差異顯著(P<0.05),n=6。Fig. 5 The relative mRNA level of sod, cat and gpx in the liver of Carassius auratus exposed to maduramicinNote: *mean significant difference at 0.05 level compared with control group (P<0.05), n=6.

        表5 硫酸銅和馬度米星銨單一及聯(lián)合暴露對(duì) 鯽魚紅細(xì)胞微核率的影響Table 5 Effects of single and combined exposure of copper sulphate and maduramicin on the micronucleus rate of erythrocytes of Carassius auratus

        如圖8所示,鯽魚肝細(xì)胞DNA彗星圖像的尾部DNA百分比、尾距、尾部長(zhǎng)度和Oliver尾距隨著硫酸銅和馬度米星銨劑量升高均增高。Cu2、MAD2和Cu2+MAD2組上述指標(biāo)均顯著高于對(duì)照組(P<0.01)。

        3 討論(Discussion)

        3.1 硫酸銅和馬度米星銨單一與聯(lián)合暴露對(duì)鯽魚的急性毒性

        本研究中,硫酸銅對(duì)(146±15) g鯽魚的96 h-LC50為3.6 mg·L-1,按魚類急性毒性標(biāo)準(zhǔn),Cu2+對(duì)鯽魚為高等毒性。文獻(xiàn)報(bào)道,Cu2+對(duì)(2.58±0.27) g豐產(chǎn)鯽的96 h-LC50為0.085 mg·L-1[26],Cu2+對(duì)(13.2±0.8) g黃河鯉的96 h-LC50為1.12 mg·L-1[27],Cu2+對(duì)(1.95±0.53) g棕二須魮的96 h-LC50為7.5 mg·L-1[28]。由此可見,不同種屬試驗(yàn)動(dòng)物的日齡和體質(zhì)量對(duì)Cu2+毒性反應(yīng)差異較大,但均表明高濃度Cu2+對(duì)魚類產(chǎn)生嚴(yán)重的毒性效應(yīng)。馬度米星銨對(duì)鯽魚的96 h-LC50為11.22 mg·L-1(數(shù)據(jù)尚未發(fā)表),低于其對(duì)斑馬魚的96 h-LC50(13.33 mg·L-1),均為高等毒性。當(dāng)二者聯(lián)合暴露時(shí),其96 h-LC50進(jìn)一步降低至1.4 mg·L-1和4.2 mg·L-1,采用相加指數(shù)法評(píng)價(jià)二者聯(lián)合毒性為協(xié)同作用。評(píng)價(jià)聯(lián)合毒性的方法很多,不同的評(píng)價(jià)手段可能造成不同的結(jié)果[29]。Markering相加指數(shù)法常與時(shí)間結(jié)合以觀察相互作用的變化,是目前水生毒理學(xué)研究中較為常用的一種方法[30]。截至目前,尚未有Cu2+和馬度米星銨對(duì)水生動(dòng)物聯(lián)合毒性的報(bào)道,對(duì)于其他種屬水生動(dòng)物的聯(lián)合毒性亦值得深入研究。

        圖6 暴露于硫酸銅和馬度米星銨溶液中的鯽魚肝臟sod、cat和gpx的mRNA相對(duì)表達(dá)量注:與對(duì)照組相比,*表示差異顯著(P<0.05),n=6。Fig. 6 The relative mRNA levels of sod, cat and gpx in the liver of Carassius auratus exposed to copper sulphate and maduramicinNote: *means significant difference at 0.05 level compared with control group (P<0.05), n=6.

        圖7 硫酸銅和馬度米星銨暴露對(duì)鯽魚肝細(xì)胞DNA損傷的影響注:(a) 空白對(duì)照組;(b) 0.03 mg·L-1馬度米星銨;(c) 0.01 mg·L-1硫酸銅;(d) 0.03 mg·L-1馬度米星銨+0.01 mg·L-1硫酸銅; (e) 0.42 mg·L-1馬度米星銨;(f) 0.14 mg·L-1硫酸銅;(g) 0.42 mg·L-1馬度米星銨+0.14 mg·L-1硫酸銅。Fig. 7 Effects of copper sulphate and maduramicin exposure on DNA damage of Carassius auratus liver cellsNote: (a) negative control group; (b) 0.03 mg·L-1 maduramicin; (c) 0.01 mg·L-1 copper sulfate; (d) 0.01 mg·L-1 copper sulfate+0.03 mg·L-1 maduramicin; (e) 0.42 mg·L-1 maduramicin; (f) 0.14 mg·L-1 copper sulfate; (g) 0.14 mg·L-1 copper sulfate+0.42 mg·L-1 maduramicin.

        圖8 硫酸銅和馬度米星銨暴露對(duì)鯽魚肝臟細(xì)胞DNA損傷的定量分析注:不同小寫字母表示各處理組之間的顯著差異(P<0.05),不同大寫字母表示各處理組之間的顯著差異(P<0.01),n=6。Fig. 8 Quantitative analysis of DNA damage of Carassius auratus liver cells induced by copper sulphate and maduramicinNote: Different lower case letters indicate significant differences between treatment groups (P<0.05), and different upper case letters indicate significant differences between treatment groups (P<0.01), n=6.

        3.2 硫酸銅和馬度米星銨單一或聯(lián)合暴露對(duì)鯽魚的亞急性毒性

        為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)Cu2+和馬度米星銨二者聯(lián)合暴露對(duì)鯽魚的亞急性毒性,本研究選取二者聯(lián)合染毒96 h-LC50的1/10和1/140進(jìn)行亞急性毒性試驗(yàn)。研究顯示,Cu2+和馬度米星銨可影響ALT、AST和ALP的活性,當(dāng)機(jī)體肝組織發(fā)生中毒、炎癥等情況時(shí),血液中ALT與AST濃度升高[31]。ALP廣泛分布于肝臟、腸、腎和骨等組織,是參與機(jī)體去磷酸化和磷酸化反應(yīng)的非特異性表達(dá)酶[32]。肝組織受到損傷時(shí),血清中ALP活性增強(qiáng)[33]。提示Cu2+和馬度米星銨對(duì)肝臟有損傷作用,然而聯(lián)合染毒組上述指標(biāo)與單一染毒組相比并無顯著差異,表明ALT、AST和ALP尚不能作為評(píng)價(jià)Cu2+和馬度米星銨的聯(lián)合毒性的生物標(biāo)志物。

        SOD是一類廣泛分布于生物體內(nèi)的金屬酶,其活力可間接反映機(jī)體清除氧自由基的能力[34]。本研究發(fā)現(xiàn),高濃度Cu2+與馬度米星銨聯(lián)合暴露導(dǎo)致SOD活性在染毒第21天顯著降低,而高濃度馬度米星銨暴露可在一定程度升高SOD活性,提示Cu2+單一及聯(lián)合染毒時(shí),對(duì)鯽魚肝臟毒性超過機(jī)體承受能力,SOD活性受到抑制,從而對(duì)機(jī)體造成毒害作用[35]。而馬度米星銨對(duì)鯽魚肝臟的毒性小于Cu2+和聯(lián)合染毒組,機(jī)體可通過升高SOD活性減緩氧化損傷。CAT是生物體內(nèi)重要的酶,主要通過減少過氧化氫含量降低有害物質(zhì)對(duì)機(jī)體的損傷[36]。本研究發(fā)現(xiàn),單一及聯(lián)合染毒組的CAT活性均呈下降趨勢(shì),說明Cu2+和馬度米星銨會(huì)抑制CAT活性,降低機(jī)體清除過氧化氫的能力,使機(jī)體受到過氧化氫的毒害。GPx也是組成抗氧化系統(tǒng)中的一種酶,其功能是將機(jī)體內(nèi)的過氧化物轉(zhuǎn)換成水等無害物質(zhì)[37-38],本研究發(fā)現(xiàn)各組GPx的活性整體呈下降趨勢(shì),說明Cu2+和馬度米星銨可通過破壞抗氧化系統(tǒng),進(jìn)而對(duì)機(jī)體造成氧化損傷。MDA是機(jī)體內(nèi)脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物[39],MDA含量越高,機(jī)體受到的氧化損傷程度越高。本研究發(fā)現(xiàn),Cu2+與馬度米星銨單一和聯(lián)合暴露呈濃度依賴性地升高鯽魚肝臟中的MDA含量,但聯(lián)合暴露組MDA含量和單一暴露組相比無顯著差異,不能由此判斷Cu2+和馬度米星銨聯(lián)合毒性作用的類型?!稘O業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 11607—89)[40]要求水環(huán)境中Cu2+的濃度不能高于0.01 mg·L-1,本試驗(yàn)Cu2+對(duì)鯽魚染毒的低劑量為0.01 mg·L-1,研究發(fā)現(xiàn),染毒后第21天,低濃度Cu2+顯著抑制catmRNA的表達(dá),提示鯽魚長(zhǎng)期暴露于低濃度Cu2+會(huì)受到氧化損傷,應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)控力度,以保護(hù)生態(tài)環(huán)境安全。

        3.3 硫酸銅和馬度米星銨單一或聯(lián)合暴露對(duì)鯽魚細(xì)胞微核和DNA損傷的影響

        水中有害物質(zhì)會(huì)影響魚的造血器官,導(dǎo)致紅細(xì)胞染色體畸變甚至斷裂[41],當(dāng)血液干細(xì)胞分裂形成新細(xì)胞時(shí),殘留于紅細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的斷片形成微核[42]。魚吸收了重金屬等致突變物后,其外周血紅細(xì)胞產(chǎn)生的微核數(shù)目與致畸物濃度呈正比。因此,可通過檢測(cè)魚類外周血紅細(xì)胞微核數(shù)來評(píng)價(jià)水環(huán)境的污染狀況[43-44]。彗星試驗(yàn)是快速檢測(cè)單細(xì)胞DNA損傷的方法[7]。

        研究表明,斑馬魚持續(xù)14 d暴露于0.5 mg·L-1的馬度米星銨溶液中,紅細(xì)胞微核率為(337±21.66)‰,是對(duì)照組的43.9倍[15]。有研究表明,將鯽魚置于0.02 mg·L-1的Cu2+溶液中7 d后,紅細(xì)胞微核率是對(duì)照組的6.3倍[45]。本研究中高濃度馬度米星銨和Cu2+組微核率分別是對(duì)照組的6.2倍和18.7倍,這種差異可能由試驗(yàn)動(dòng)物及染毒時(shí)間不同所致。高濃度的Cu2+和馬度米星銨可明顯損傷鯽魚肝細(xì)胞DNA,推測(cè)Cu2+和馬度米星銨對(duì)鯽魚的毒害作用,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生大量的活性氧(ROS),損害細(xì)胞內(nèi)的核糖、氨基酸和蛋白質(zhì)等物質(zhì),最終導(dǎo)致DNA鏈的斷裂,造成DNA損傷[46]。高濃度聯(lián)合染毒組紅細(xì)胞微核率和肝細(xì)胞尾部DNA百分比顯著高于單獨(dú)染毒組,表明高濃度Cu2+和馬度米星銨聯(lián)合暴露對(duì)鯽魚的遺傳毒性高于單一暴露。

        綜上所述,Cu2+和馬度米星銨對(duì)鯽魚的聯(lián)合暴露急性毒性高于單一暴露,表現(xiàn)為協(xié)同作用;環(huán)境濃度下的Cu2+和一定濃度的馬度米星銨單一及聯(lián)合暴露均可引起一定程度的血液毒性和肝臟氧化損傷;Cu2+與馬度米星銨聯(lián)合暴露可顯著誘導(dǎo)細(xì)胞微核和肝臟細(xì)胞DNA損傷,其遺傳毒性高于單一暴露。養(yǎng)殖水體或自然水體環(huán)境中應(yīng)加強(qiáng)Cu2+和馬度米星銨的復(fù)合污染的監(jiān)控與處理,以保障水生態(tài)安全及水產(chǎn)養(yǎng)殖健康發(fā)展。

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