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    易科泰生态健康专题—动物能量代谢测量技术研究环境污染对动物的影响

    发布时间: 2020-08-28  点击次数: 637次

     疫情的爆发和蔓延,让人类愈发认识到生态健康的重要性。指出“小康全面不全面,生态环境质量很关键”,将实现全面小康建设和生态健康的重要标志—生态环境质量紧密联系起来(方世南,2020)。

    生态健康是人类自然环境、生产环境和生活环境及其赖以生存的生命支持系统的代谢过程和服务功能完好程度的系统指标。包括人居物理环境、生物环境和代谢环境的生态健康,人体和人群的生理和心理的生态健康,产业系统和城市系统代谢过程的生态健康;景观、区域系统格局和服务功能的生态健康等(蒋正华,2005)。因此,生态健康与人类的生存和生活质量息息相关。

    作为生态健康领域的*,北京易科泰生态技术有限公司*提出了“生态-农业-健康”的发展理念和战略方向并为之实践。凭借近20年科研设备引进和研发的丰厚经验,北京易科泰向广大科研单位、医药公司、检测机构提供完备成熟的技术方案和服务,包括动物能量代谢测量(包括斑马鱼、大小鼠等各类实验动物)、生物医学成像、食品药品检测和药用植物表型测量和中药材鉴定等。

    环境污染一直是生态健康领域关注的重点和着力解决的问题。环境污染物会对生物及生态系统产生损害,包括不同的层次:分子水平、亚细胞水平、细胞水平、组织水平、器官水平、个体水平、种群水平、群落水平、生态系统(孟紫强,2009)。动物能量代谢测量能够评估动物个体水平的正常的生理范围和对环境污染物的响应,具备毒性反应快速和低剂量敏感的特点,对于监测波动的污染物暴露、充当急性环境污染事件早期预警系统意义重大(Handy and Depledge, 1999)。

    本文摘选了易科泰动物能量代谢测量技术在环境污染对动物影响的研究案例,囊括了昆虫、鸟类、啮齿类、水生无脊椎动物、鱼类等动物。希望能为生态毒理学、环境科学等领域的科研工作者提供些许借鉴。

    新烟碱(杀虫剂)-蜜蜂

    类尼古丁(Neonicotinoid),又称“新烟碱”,是一类和尼古丁相关的神经毒性杀虫剂的总称。作为昆虫烟酰乙酰胆碱受体(nAChRs)的激动剂,不可逆转地与受体结合,导致昆虫无法控制的肌肉活动、瘫痪,并终死亡。使用新烟碱杀虫剂现在无处不在,由于其具备广谱性、高残留特点,导致非目标节肢动物暴露在其残留药物中,如蜜蜂种群大量消亡。

    据报道,地球上约有8成开花植物需要蜜蜂帮忙授粉,蜜蜂存亡与粮食生产和生物多样性高度相关,但很少有研究探讨亚致命性接触新烟碱类农药如何影响蜜蜂代谢生理学,包括营养和能量平衡,这两种平衡对维持蜂群健康都很重要。

    美国农业部-ARS蜜蜂研究实验室科学家对蜜蜂长期口服接触噻虫胺和吡虫啉两种亚致死浓度新烟碱药物进行实验,利用SSI昆虫呼吸代谢测量系统测量蜜蜂在33℃下的二氧化碳排放情况,系统以150毫升/分钟的干燥、无CO2的新鲜空气通入RM8连接的8个呼吸室内,每个呼吸室记录10分钟,高氯酸镁去除昆虫产生的水汽后进入CA-10分析仪进行CO2排放测量分析。下图展示了不同处理的代谢率测量结果,其中CLLO、CLHI代表低剂量和高剂量的噻虫胺处理,IMLO、IMHI代表低剂量和高剂量的吡虫啉。研究结果显示,新烟碱药物以复合和剂量依赖的方式改变了蜜蜂营养和代谢生理学,两种化合物在低剂量减少蜜蜂的体重。低剂量噻虫胺接触导致蜜蜂的蛋白质、脂质、碳水化合物和糖原水平与新出现蜜蜂相似,高剂量噻虫胺接触降低了蜜蜂的脂质和糖原含量;高剂量的吡虫啉暴露导致蜜蜂的代谢率下降,低剂量的吡虫啉接触导致蜜蜂分别摄入低水平的蛋白质和高水平碳水化合物的食物。结果表明,新烟碱干扰蜜蜂内分泌神经生理途径。复合效应和剂量依赖效应可能代表决定观测效应的化学结构差异,以及对蜜蜂生理学的复合效应阈值(Cook S, 2019)。

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    磷酸三苯(增塑剂)-鹌鹑

    磷酸三苯(TPHP)是一种常用的增塑剂和阻燃剂,并已被鉴定为加拿大联邦化学公司的潜在高风险化学品管理计划(加拿大环境部,2016年)。TPHP可以通过家庭和工业活动进入环境。因为TPHP是一种添加阻燃剂,它很容易被释放到空气、土壤以及废水中。现有文献表明TPHP暴露可以导致鱼类代谢和内分泌紊乱。TPHP在鱼类和哺乳动物中是一种潜在的内分泌和代谢干扰物,但对鸟类研究较少。        

    本研究评估了TPHP对日本鹌鹑孵化参数的影响,包括畸形发生率、甲状腺功能、生长和代谢。实验通过卵母细胞注射暴露,孵化成功后连续5天每天口头接触红花油 (对照) 或溶解于载剂的TPHP低(5 ng TPHP/g)、中(50 ng TPHP/g)、或高 (100 ng TPHP/g) 剂量。低TPHP剂量代表野生鸟蛋中的浓度;中高剂量为低剂量浓度的10倍和20倍,代表未来环境TPHP浓度的潜在增加。尽管对甲状腺相关基因的mRNA表达没有影响,TPHP暴露增强了高TPHP雄性的甲状腺结构,但在雌性中抑制甲状腺结构和活性(所有TPHP雌性),以及循环游离三碘甲状腺素(仅高TPHP雌性)。与甲状腺变化一致,与对照组相比,中高TPHP小鹌鹑的休息代谢率(≤13%,下右图)和生长(≤53%)显著降低;中TPHP雄性和高TPHP雌性明显个头较小。观察到的甲状腺效应和抑制的幼鸟的生长和代谢率表明,TPHP可能对野生鸟类的健康产生不利影响。实验中采用FMS便携式呼吸代谢系统测量个体的代谢率(M.F.Guiguenoet al., 2019)。

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    毒死蜱(农药)-田鼠

    毒死蜱(CPF)是一种常用的有机磷杀虫剂,CPF的生物活性产生更具神经毒性的CPF-oxon,抑制乙酰胆碱酯酶活性,导致胆碱能神经元反复放电,使得昆虫异常兴奋、痉挛、麻痹、死亡。啮齿动物栖息于农田,因此其暴露风险很高。虽然它们不是目标生物,杀虫剂可能不会总是杀死非目标生物,但它们会降低它们的生理性能。有机磷杀虫剂暴露会改变啮齿类动物的体温调节,这可能会削弱动物应对不利热环境的能力。

    农用化学品可能对非目标生物造成不利影响。动物能量代谢率可以通过影响食物消耗、生物转化和毒物的消除率来影响其对农药的易感性。文中使用实验进化来研究能量代谢速率和接触有机磷杀虫剂毒死蜱(CPF)对野生啮齿动物田鼠的产热能力内在差异的影响。实验对象分别划分为四个高游泳诱导有氧运动能量代谢(A)组和四个未选择对照(C)。在 A 组中,产热能力以大冷诱发的耗氧率(VO2 cold)衡量,高于C组;在通过食物持续接触 CPF或通过口服量带单剂量后,产热能力降低,但仅在接触后不久测量时降低。VO2冷暴露测量24小时后,反复暴露不受影响。此外,单剂量灌胃可减少食物消耗和体重损失。重要的是,CPF的不良反应在实验组和对照组之间没有区别。因此,接触CPF对该物种的热调节性能和能量平衡有不利影响。其影响是短暂的,其影响大小与能量代谢的内在水平不相关。即使没有严重的中毒症状,在恶劣的环境条件下,如寒冷和潮湿的天气,健康状况也会损害(Dheyongera et al., 2016)。

    文中啮齿类产热能力评估使用SSI呼吸代谢测量技术以2000毫升/分钟的流速,以拉气方式测量动物在23至37摄氏度的耗氧量,详细的技术方案请咨询易科泰生态技术有限公司。

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    原油(水溶性部分)-大型溞

    商业化的微小生物体高通量呼吸测量系统的问世使得水生无脊椎动物、鱼类等水生动物的胚胎呼吸测量变得高效。高通量呼吸测量系统测量时单个样品被放置于气密性良好24孔板的微孔里(相当于24个呼吸室),每个孔内部都配备有可无损测量氧气、可重复利用的氧气传感贴片,用来实时测量耗氧率(上图)。为了实现高通量,该套系统可以被升级成包含10件读取器/24孔板的串联组合,以实现同时测量240个组织的呼吸。

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    芬兰图尔库大学研究了原油水溶性部分(WSF)与可孤雌生殖的大型溞表型个体差异的关联,包括剂量效应和世代影响。结果显示(上图):暴露于30%WSF 48小时的大型溞的耗氧率变异性低于暴露10%WSF的大型溞和对照组,但三者的平均值没有变化;未暴露和10%WSF暴露的大型溞F1和F2代耗氧率低于亲本F0,且低于30%暴露的子代,表现出了因环境污染导致的世代影响。大型溞耗氧率的测定采用了80μL的24孔板系统,对每种处理的21个个体(3个世代,每个世代7个个体)进行了高通量呼吸测量(Nikinmaa et al., 2019)。

    氧化铜纳米粒子(防污涂层)-亚马逊观赏鱼

    氧化铜纳米粒子(nCuO)广泛应用于船的防污涂料并由此释放到环境,对水生生物具有潜在的毒害作用。

    巴西国家亚马逊研究所的Braz-Mota等人测量了短鲷和霓虹灯鱼两种亚马逊观赏鱼的耗氧率,借以研究两种形态的铜——溶解态铜(Cu)和氧化铜纳米粒子(nCuO)对其影响。研究发现两种鱼的代谢应激具有种特异性:仅暴露于Cu的霓虹灯鱼耗氧率升高(nCuO未升高),而短鲷的两种处理未见明显变化。结合鳃渗透压调节生理、线粒体功能、氧化应激和形态学损伤等方面的数据,论文揭示了两种亚马逊鱼对两种形态的铜的不同代谢响应,而代谢响应的不同和两种鱼的生活史有关,意味着污染物不同的毒性作用机制与不同的渗透压调节策略有关(Braz-Mota et al., 2018)。

    论文中代谢率/耗氧率(MO2)数据的采集使用了鱼类呼吸代谢测量系统。测试鱼放于70mL的玻璃呼吸室中,测量系统自动运行间歇、流通测量(automated intermittent flow respirometry),一个MO2数值的获取包括3个阶段:交换-等待-测量,每种处理的鱼分别持续采集了4小时。

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    易科泰生态技术公司提供动物能量代谢测量研究全面解决方案:

    1)果蝇等无脊椎动物能量代谢与活动观测

    2)脊椎动物能量代谢与行为观测

    3)实验动物能量代谢测量与行为观测

    4)植入式实验动物体温与心率监测

    5)实验动物光谱成像分析

    6)易科泰生态健康研究中心依托Ecolab实验室,诚邀生物医学、中医药合作实验研究

    参考文献

    1.蒋正华. 生态健康与科学发展观[M]. 气象出版社, 2005.

    2.方世南. 生态健康与人民健康同构关系中的生态政治哲学蕴涵研究[J].兰州学刊, 2020(3): 5-12.

    3.孟紫强. 生态毒理学[M]. 高等教育出版社, 2009.

    4.Handy R D, Depledge M H. Physiological responses: their measurement and use as environmental biomarkers in ecotoxicology[J]. Ecotoxicology, 1999, 8(5): 329-349.

    5.Cook S . Compound and Dose-Dependent Effects of Two Neonicotinoid Pesticides on Honey Bee (Apis mellifera) Metabolic Physiology[J]. Insects, 2019, 10(1).

    6.M.F.Guigueno,J.A.Head,R.J.Letcher,N.Karouna-Renier,L.Peters,A.M.Hanas,K.J.Fernie. Early life exposure to triphenyl phosphate: Effects on thyroid function, growth, and resting metabolic rate of Japanese quail (Coturnix japonica) chicks[J]. Environmental PollutionVolume 253, October 2019, 899-908.

    7.Dheyongera G, Grzebyk K, Rudolf AM, Sadowska ET, Koteja P. The effect of chlorpyrifos on thermogenic capacity of bank voles selected for increased aerobic exercise metabolism. Chemosphere. 2016;149:383-390.

    8.Nikinmaa M , Suominen E , Anttila K . Water-soluble fraction of crude oil affects variability and has transgenerational effects in Daphnia magna[J]. Aquatic Toxicology, 2019, 211:137-140.

    9.Braz-Mota S, Campos D F, MacCormack T J, et al. Mechanisms of toxic action of copper and copper nanoparticles in two Amazon fish species: Dwarf cichlid (Apistogramma agassizii) and cardinal tetra (Paracheirodon axelrodi)[J]. Science of the Total Environment, 2018, 630: 1168-1180.