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【納諾氫科研】文獻速遞④ |氫納米氣泡水對大型溞銅毒性的緩解作用

發(fā)布時間：2025-10-16

瀏覽次數(shù)：248

原文信息

原文題目：Alleviation of copper toxicity in Daphnia magna by hydrogen nanobubble water (氫納米氣泡水緩解大型溞銅毒性)

發(fā)表年份：2020年

文獻來源：Journal of Hazardous Materials

作者單位：北京航空航天大學空間與環(huán)境學院環(huán)境科學與工程系、北京航空航天大學大數(shù)據(jù)精準醫(yī)療高精尖創(chuàng)新中心

背景介紹

銅(Cu)是生物體必需的微量元素，但水體中過量的銅（主要來自農(nóng)業(yè)、工業(yè)和采礦活動）會對水生生物產(chǎn)生毒性，并通過食物鏈威脅人類健康。銅離子(Cu2?)是水環(huán)境中蕞具生物可利用性和毒性的形態(tài)，它能誘導產(chǎn)生活性氧(ROS)，導致氧化應激。
分子氫(H?)作為一種新型抗氧化劑，在醫(yī)學和植物學領域已被證明能有效緩解氧化應激。例如，富氫水能減少植物對鎘(Cd)的吸收并減輕其造成的氧化損傷。
然而，氫水在環(huán)境毒理學領域（特別是對水生生物）的應用效果和機制尚不清楚。此外，氫的加入可能改變水環(huán)境的氧化還原電位(Eh)，進而影響銅的形態(tài)和生物可利用性。
本研究結合了納米氣泡(NBs)技術，它能增加氫在水中的溶解度和停留時間，增強其抗氧化能力。研究旨在探究氫納米氣泡水(H? NB water)是否能緩解銅對標準水生模式生物——大型溞(Daphnia magna)的急性毒性，并揭示其內(nèi)在機制。

研究方法

    1. 氫納米氣泡水制備： 

    使用上海納諾巴伯NB-T71A型號氫納米氣泡發(fā)生器，將純水通過電解產(chǎn)生的氫氣，經(jīng)納米氣泡物理溶氫技術得到富含氫納米氣泡的水。

    測定其溶解氫(DH)、溶解氧(DO)、氧化還原電位(ORP)、pH值、zeta電位和氣泡粒徑分布。

    2.對照水制備： 

    向超純水中通入氮氣，使其DO濃度與氫納米氣泡水匹配(≈3.5 mg/L)。

    3.大型溞培養(yǎng)與暴露：

    • 使用實驗室長期培養(yǎng)的大型溞。

    • 在添加了標準營養(yǎng)鹽(OECD標準)的氫納米氣泡水或?qū)φ账斜┞洞笮蜏小?/span>

    • 銅暴露源為硝酸銅(Cu(NO?)?)。

    4.急性毒性測試(24h-LC??)： 

    將幼溞(6-24小時齡)暴露于含不同濃度銅(0, 10, 20, 30, 50, 100, 200 μg/L)的氫納米氣泡水或?qū)φ账?4小時，記錄死亡率，計算半數(shù)致死濃度(24h-LC??)。

    5.活性氧(ROS)測定：

    • 熒光分光光度法：使用DCFH熒光探針，測量暴露于不同濃度銅(劑量效應)或固定濃度銅不同時間(時間效應)后大型溞體內(nèi)的總ROS水平。

    • 高內(nèi)涵成像系統(tǒng)：使用DCFH(綠色熒光)和CellROX Orange(橙色熒光)探針，可視化大型溞體內(nèi)ROS的產(chǎn)生和分布。

    6.銅生物積累測定： 

    將大型溞暴露于含銅(10或100 μg/L)的氫納米氣泡水或?qū)φ账胁煌瑫r間(0, 3, 6, 12, 24, 36小時)，清洗、凍干、酸消解后，使用電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)測定體內(nèi)銅含量。

    7. 銅動力學參數(shù)測定：

    • 吸收速率常數(shù)(ku)： 大型溞在含不同濃度銅的水中暴露6小時(初始速率條件)，測定銅積累量隨時間的變化，計算ku。

    • 排出速率常數(shù)(ke)： 大型溞在含銅水中暴露6小時后，轉移到無銅水中進行24小時排出實驗，測定銅殘留量隨時間的變化，計算ke。

    • 生物富集因子(BCF)： 根據(jù)公式 BCF = ku / ke 計算。

    8. 數(shù)據(jù)分析： 

    使用SPSS進行單因素方差分析(ANOVA)和Tukey's HSD檢驗，顯著性水平p<0.05。

    主要發(fā)現(xiàn)

    1. 氫納米氣泡水顯著緩解銅對大型溞的急性毒性： 

    在對照水中，銅的24h-LC??為45 μg/L；而在氫納米氣泡水中，24h-LC??升高至84 μg/L，表明氫納米氣泡水使大型溞對銅的耐受性提高近一倍。

      2. 氫納米氣泡水顯著降低銅誘導的氧化應激：

      • 在對照水中，暴露于銅(10-100 μg/L) 3小時的大型溞，其體內(nèi)ROS水平升高了2-4倍。
      • 在相同條件下，暴露于氫納米氣泡水中的大型溞，其ROS水平顯著低于對照組，尤其是在暴露初期(3小時內(nèi))。
      • 高內(nèi)涵成像顯示，銅誘導的ROS主要分布在大型溞的腸道，也存在于胸部、附肢和腮腺。氫納米氣泡水顯著降低了這些部位的熒光強度。

      3. 氫納米氣泡水顯著降低銅在大型溞體內(nèi)的生物積累：

      在相同銅暴露濃度(10或100 μg/L)和暴露時間下，氫納米氣泡水組大型溞體內(nèi)的銅積累量顯著低于對照組。例如，暴露于100 μg/L銅36小時后，氫納米氣泡水組大型溞的銅積累量比對照組低約60%。

      4. 機制探究 - 降低生物積累：

      氫納米氣泡水降低了銅的吸收速率常數(shù)(ku)，但對排出速率常數(shù)(ke)影響不大。氫納米氣泡水顯著降低了銅的生物富集因子(BCF)。
      機制：氫納米氣泡水具有強還原性(Eh ≈ -200 to -500 mV)，能將可溶性的、具有生物可利用性的Cu2?還原為固態(tài)的、難以被生物吸收的Cu?（金屬銅）。Cu?無法通過細胞膜上的銅轉運蛋白進入細胞。

      5. 機制探究 - 降低氧化應激：

      進入細胞內(nèi)的銅離子(Cu2?/Cu?循環(huán))能催化產(chǎn)生ROS。氫納米氣泡水中的氫分子能穿透生物膜，有效淸除細胞內(nèi)的ROS（特別是羥基自由基·OH），減輕氧化損傷。

      結論

      本研究表明，氫納米氣泡水能有效緩解銅對大型溞的急性毒性，其24h-LC??值顯著高于對照組。

      氫納米氣泡水通過兩種主要機制發(fā)揮保護作用：
      1.降低銅的生物可利用性和積累：其強還原性將可溶性的Cu2?還原為固態(tài)的Cu?，降低了銅的吸收速率(ku)和生物富集因子(BCF)，從而減少了銅在生物體內(nèi)的積累。
      2.淸除活性氧(ROS)，減輕氧化應激：氫分子能有效淸除銅暴露誘導產(chǎn)生的細胞內(nèi)ROS（特別是·OH），保護細胞免受氧化損傷。
      這項研究為環(huán)境毒理學家提供了關于氫納米氣泡水緩解重金屬毒性的基礎數(shù)據(jù)，也為氫納米氣泡水在水環(huán)境修復（如減輕重金屬污染對水生生物的毒性）方面的應用提供了參考依據(jù)。需要注意的是，氫納米氣泡水對其他重金屬（如砷）的毒性效應可能不同，需要具體研究。納米氣泡本身在增強氫的抗氧化能力和影響銅形態(tài)方面也起著重要作用。