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镉对河南华溪蟹消化系统的损伤作用和毒性机制的研究

吴昊

  本博士学位论文首先运用体视显微镜和光学显微镜,对河南华溪蟹(Sinopotamon henanense)消化系统各组织器官的结构进行了观察,系统地研究了其消化系统的形态结构及组织学特征。其次,分别在急性毒性实验(Cd浓度为7.25,14.5,29.00 mg/L,处理时间为4天)和亚慢性毒性实验(Cd浓度为0.725,1.450,2.900 mg/L,处理时间为21天)后,利用购置的生化试剂盒测定了镉对消化系统三种主要组织器官(肝胰腺、肠道和胃)中7种消化酶(蔗糖酶、乳糖酶、麦芽糖酶、淀粉酶、脂肪酶、胰蛋白酶和胃蛋白酶)活性的影响,初步了解了镉对消化系统的毒性作用。在此基础上,为了探究消化酶活性变化的机制,运用火焰原子吸收仪,检测了两种方式镉染毒后河南华溪蟹肝胰腺、肠道和胃组织中镉的蓄积量,并对29.00 mg/L和2.900 mg/L两个处理组中溪蟹的食道、中肠、后肠和肝胰腺四种组织的显微结构与亚显微结构的病理变化和损伤情况进行了观察。最后,采用比色法测定了镉处理后河南华溪蟹肝胰腺和肠道组织中超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、过氧化物酶(catalase, CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathion peroxidase, GPx)的活性和丙二醛(malondialdehyde, MDA)的含量;并利用实时荧光定量PCR技术,检测了肝胰腺和肠道组织中金属硫蛋白(MT)基因mRNA的差异表达,从生物有机体对胁迫应答的角度阐述了不同方式的镉暴露对河南华溪蟹消化系统的毒性作用及致毒机制。研究结果如下:1.河南华溪蟹消化系统的形态和组织细胞结构的观察:河南华溪蟹的消化系统主要由消化道和消化腺组成。消化道主要包括食道、胃、中肠和后肠,消化腺为肝胰腺。胃包括贲门胃和幽门胃:贲门胃内有钙化的几丁质齿、隆嵴、短刺及刚毛等组成的胃磨,可磨碎食物;幽门胃内则可见特殊形态的梳状结构等,可过滤食物。食道、中肠和后肠均由黏膜层、肌层和结缔组织层构成,其各段内表面均有由上皮细胞与基膜内凸形成的多级皱褶和嵴,有由环形、纵形和辐射状排列的肌层。中肠表面有典型微绒毛结构,无角质膜。食道与后肠上皮表面均有较发达的纤毛层。肝胰腺主要由基膜和4种上皮细胞构成,即吸收细胞(R细胞)、泡状细胞(B细胞)、纤维细胞(F细胞)和胚细胞(E细胞)。2.镉胁迫导致河南华溪蟹消化酶的活性发生变化:河南华溪蟹消化系统不同组织中消化酶的种类、活性不同:肠道组织中的蔗糖酶和麦芽糖酶活性较高,乳糖酶、淀粉酶、胰蛋白酶和脂肪酶在肝胰腺中活性较高,胃蛋白酶仅在胃组织中检测到,肠道组织中不具脂肪酶活性;镉暴露可显著影响消化酶活性,且两种染毒方式对消化酶活性的影响程度不同:急性处理组中,肝胰腺和胃组织中脂肪酶活性被诱导,胰蛋白酶活性随着镉浓度的增加先升高后降低,其余5种消化酶活性均被抑制;亚慢性处理组中,除脂肪酶活性在低浓度组(0.725 mg/L)较对照组极显著升高外,其余各处理组消化酶活性均不同程度地降低。3.镉暴露可对河南华溪蟹消化系统产生损伤作用:河南华溪蟹肝胰腺组织中的镉蓄积量最高,且两种染毒方式处理下,镉的积累变化具有明显的浓度—效应关系。在急性29.00 mg/L镉暴露4d后,肝胰腺、肠道和胃组织中的积累量均达到最大值。光镜下观察到急性镉处理对消化系统的损伤作用较大,可见各组织的上皮细胞有不同程度的肿胀、空泡化,食道和后肠组织的肌纤维出现水肿、玻璃样变性,肝胰腺和中肠组织甚至出现大面积细胞从基膜脱落、破裂、坏死的现象;亚慢性处理组的损伤程度较轻,甚至食道组织的形态变化受镉的影响不明显,但肝胰腺和中肠组织的病理变化较为严重。透射电镜观察结果与光镜结果基本符合,29.00 mg/L镉处理组对四种组织的亚细胞结构影响较大,但两种处理方式后均可见各组织中细胞核变形、染色质浓缩边集、核固缩、核碎裂,线粒体空泡化、嵴缩短、融解甚至消失的现象,肝胰腺和中肠细胞中可观察到内质网扩张、核糖体脱落,高尔基体形态结构异常,微绒毛排列紊乱、部分融解、断裂,出现大量自噬溶酶体,食道和后肠组织的细胞可见肌纤维水肿、肌纤维束疏松的现象。4.河南华溪蟹消化系统对镉胁迫的应答:急性和亚慢性两种方式镉处理后,河南华溪蟹肝胰腺组织中抗氧化酶的活性、MDA含量和MT mRNA的表达量较肠道组织均较高;在急性染毒组中,肠道组织中的SOD和CAT活性在低浓度处理组(7.25 mg/L)被诱导升高,29.00 mg/L镉处理组两个组织中的抗氧化酶活性均被抑制;在亚慢性镉处理后,肝胰腺和肠道组织中的抗氧化酶活性均有不同程度的降低。两种方式的镉暴露后消化系统中MDA含量随镉浓度的升高而升高,且亚慢性处理组两个组织中MDA含量的值略高于急性处理组;肝胰腺和肠道组织中的MT mRNA的表达量在两种方式的镉胁迫后均随镉浓度的升高而上调,且亚慢性处理高浓度组(2.900 mg/L)中两个组织的mRNA表达量均显著高于对应的急性29.00 mg/L处理组。以上研究结果表明:1.镉胁迫可导致河南华溪蟹消化酶活性降低,这严重影响了溪蟹的消化能力,消化酶活性的变化能够灵敏反映镉对甲壳动物消化系统的胁迫程度及毒性大小,可作为水生态环境镉污染程度的生物指示物。2.急性镉暴露后河南华溪蟹消化系统的镉积累量和损伤程度较大,且肝胰腺和中肠组织的病理改变最为严重,甚至出现大面积的细胞坏死现象,说明这两种组织是镉毒性作用的靶器官;这些损伤可能影响消化酶正常的合成和分泌,导致机体失去正常的消化功能。3. SOD、CAT、GPx活性和MDA含量的变化能够反映两种方式的镉暴露后河南华溪蟹的抗氧化防御系统受到损伤,镉对水生动物的毒性影响与氧化损伤和脂质过氧化程度有关。4.在亚慢性、低浓度镉胁迫下,金属硫蛋白的解毒作用可能是河南华溪蟹消化系统自我保护的主要机制,而急性、高浓度镉暴露可能对机体造成的毒害作用更为严重。……   
[关键词]:河南华溪蟹;消化系统;消化酶;组织细胞结构;氧化损伤;MT mRNA;
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:山西大学2014年