我室应用同位素定量代谢组学方法在微塑料毒性机制研究方面取得新进展 - 科研动态 - 自然资源部海洋生态系统动力学重点实验室

我室应用同位素定量代谢组学方法在微塑料毒性机制研究方面取得新进展

编辑:admin 时间:2021-07-12 16:35:00 访问次数:

近日,自然资源部海洋生态系统动力学重点实验室(MED)近海生态研究团队与上海海洋大学、加拿大阿尔伯特大学、英属哥伦比亚大学、丹麦南方大学和浙江大学等机构合作,揭示了微塑料对贝类的潜在毒性机制,相关成果发表于生态环境领域TOP期刊《Journal of Hazardous Materials》(IF=10.588)。

近年来,世界各地海洋生态系统中频繁检出微塑料,微塑料污染已成为全球性的环境问题和研究热点。微塑料在生物体中积累可引起生物的生理生化损伤,包括氧化应激、消化功能障碍、神经毒性、行为改变和生长抑制等。然而,目前关于微塑料毒理学的研究多集中于生物的生理反应和组织学变化,微塑料的潜在毒理机制仍不清楚。代谢组学是通过测量生物体系受外界刺激或扰动前后代谢物动态变化的一种分子表型技术,处于“转录组”、“蛋白质组”下游,是细胞调节过程的终端产物,其水平可认为是生物体系对基因或环境变化的复杂响应。将代谢组学应用于海洋微塑料污染相关研究,对于进一步认知微塑料对海洋生物的生态毒理机制具有重要意义。厚壳贻贝(Mytilus coruscus)是东海最重要经济种类之一,极易受微塑料污染影响。本研究以厚壳贻贝为对象,应用新一代化学同位素标记定量代谢组学技术平台 (Chemical Isotope Labeling Liquid Chromatography-Mass Spectrometry, CIL LC-MS) 从分子层面阐释了微塑料对贻贝的影响机制,为深入解析海洋微塑料的潜在风险提供了科学依据。

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图  微塑料影响厚壳贻贝的代谢网络图

CIL LC-MS技术平台通过在质谱分析中引入衍生化反应,极大改善分析物的离子化效率及色谱分离度,且灵敏度提升10-1000倍;引入的12C/13C 双标记系统可直接获得每一种被标记代谢物的同位素内标,有效克服了基质干扰,在扩大代谢物检测覆盖度及提高定量准确度等方面均显示出巨大的优势。基于此技术平台,研究人员以贻贝血淋巴液为对象,共检测到3599种代谢物。其中,基于标准品库匹配到163种代谢物;基于计算机模拟产生的代谢物信息与检测代谢物的精确质量、保留时间、二级质谱的信息进行匹配,鉴定出318种代谢物;基于精确分子量推定出2602种代谢物。

生物信息学分析结果表明,micro-PS影响厚壳贻贝的组氨酸代谢、维生素B6代谢、络氨酸代谢、苯丙氨酸代谢和β-丙氨酸代谢通路。其中,咪唑乙酸、4-吡啶甲酸、3,4-二羟基苯丙酸、3-(2,3-二羟基苯)丙酸和1,3-丙二胺与micro-PS浓度呈正相关。由于酪氨酸、组氨酸、苯丙氨酸和β-丙氨酸代谢均以TCA循环为中心进行能量和物质交换,而这些代谢途径的扰动可能会干扰TCA循环、诱导氧化应激和免疫毒性反应,进而影响厚壳贻贝的免疫、代谢和生长活动。值得关注的是,短期micro-PS暴露可诱导贻贝产生氧化损伤,但可在移除暴露因素7天后逐渐恢复至正常水平。以上结果均从免疫指标层面得到进一步印证。

论文第一作者为我所黄伟研究员,加拿大科学院院士、阿尔伯特大学Li Liang教授与卫星海洋环境动力学国家重点实验室海星学者、上海海洋大学王有基教授为论文共同通讯作者。本研究得到国家自然科学基金、浙江省自然科学基金杰出青年项目、国家重点研发计划和卫星海洋环境动力学国家重点实验室自主课题等项目资助。


Wei Huang, Xinghuo Wang, Deying Chen, Elvis Genbo Xu, Xian Luo, Jiangning Zeng, Tao Huan, Liang Li, Youji Wang, 2021. Toxicity mechanisms of polystyrene microplastics in marine mussels revealed by high-coverage quantitative metabolomics using chemical isotope labeling liquid chromatography mass spectrometry. Journal of Hazardous Materials, 417, 126003.

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