Cd诱导土壤氧化还原酶Hormesis效应的时间依赖性特征及机理文献综述

 2022-03-10 20:48:07

文献综述

1943 年,Southam 和Ehrlich 在研究红雪松提取物对真菌的作用时,将观察到的双相剂量- 效应关系曲线正式命名为“hormesis”,首次使用“hormesis”一词描述低浓度的有利效应。Hormesis描述了低剂量胁迫物产生刺激作用而高剂量产生抑制作用的双相剂量-反应关系,突破了以往剂量-反应关系中线性和阈值这两种范式模型,上世纪末,Calabrese 和Baldwin对Hormesis 进行了大量的研究,2003 年在《Nature》杂志上发表题为“Toxicology rethinks its central belief”的文章,推动hormesis成为生态毒理学的研究热点。

近二十年来,有关Hormesis效应及机理研究均取得巨大进展,这反应在许多研究领域,包括细胞生物学[1, 2]、神经学[3, 4]、微生物学[5, 6]、植物生物学/农业[7, 8]、营养学[9, 10]、医药学和公共安全[11, 12]等。

其中《Non-specific protein modifications may be novel mechanism underlying bioactive Phytochemicals》中,研究出活动作用于花姜酮的非特异性蛋白通过抗休克因子1对植物抗炎症产生影响。从细胞生物学的角度,一定程度的阐述基因表达水平Hormesis效应潜在的机理。也向相关学者表明了在以往大量研究的基础上,利用(宏)转录组测序等技术,重点开展在基因表达水平上揭示其Hormesis效应潜在的机理的必要性。

而国内的研究,大部分趋向于利用重金属含量对酶活性的影响绘制剂量-效应曲线反应hormesis效应,并得出不同酶受不同种类的重金属污染物应激的最佳剂量与相关环境条件。少部分会研究有机物例如甲苯[11]相关的hormesis效应。

《崇明东滩湿地土壤中Cr3 、Pb2 和Cd2 对硝酸还原酶的Hormesis效应》[13]中,韩教授与范博士在土样中添加不同剂量的Cr3 (0、0.5、5.0、50.0、500.0、5 000.0 mg/kg)、Pb2 (0、10、30、50、100、300、500mg/kg)以及Cd2 (0、0.1、1.0、5.0、10.0、100.0 mg/kg),观测土壤硝酸还原酶(NR)活性随时间(0、6、12、24、48、72、120 h)的变化特征,绘制了剂量-效应曲线,从毒理学的角度,得出了“Cr3 、Pb2 和Cd2 与湿地土壤NR活性之间存在Hormesis剂量效应关系。刺激效应出现的时间分别为培养后的672 h(Cr3 )、24120 h(Pb2 )和648 h(Cd2 ),幅度变化在56.4%107.4%之间。”的结论。

《秸秆生物质炭对镉污染水稻土根际酶活性的影响》[14]中,云南农业大学资源与环境学院选取水稻作为研究对象,测定不同生物质炭量及Cd施入下水稻根际及非根际土壤酶活性的变化状况,从微生物学与毒理学的角度,总结出当生物质炭施入量为10%,Cd的含量为2.5 mg·kg-1时,水稻根际土壤的碳循环类酶活性指数为12.029,氧化还原类酶活性指数为1.192,均达到最大。由此可得,该浓度的生物质炭施入对两大类酶活性值的提升均有显著作用。

基于国内的研究,《植物根际土壤酶对重金属污染的响应机制研究综述》[15]中,总结了大部分单一重金属污染,重金属复合污染,重金属-有机物复合污染,纳米重金属及其氧化物污染案例中hormesis效应的规律与应用。

然而,Hormesis对环境管理的影响目前尚不清楚,存在一系列待解决的问题。例如,对健康成人有益的低剂量可能对儿童或老年人有不同的影响。值得关注的是,关于Hormesis现象是否适用于类似生态系统等的其他层级的研究还存在争议。一些研究者认为,基于单个组织与生态系统之间适应性定义的差异,Hormesis的概念适用于其他层级的对象。另外一些研究者认为,生态系统尺度的Hormesis现象与已经描述过的生物个体效应不完全相似,Hormesis的概念不直接适用于生态系统,对个别生物体产生影响的刺激效应并不一定意味着在群体层面会产生影响。因此,尽管大量有关Hormesis效应在生物个体中的研究取得了重要进展,但长期以来多关注于效应本身,涉及Hormesis应用到更高层级的研究陷入困境,目前没有产生任何革命性的变化。然而,尽管存在几次科学争议,监管实践迟钝,科学认识有限,Hormesis依然成为科学主流。实际上,美国环保局已经在考虑如何将这种双相剂量-反应关系与服务于社会和个人健康的转化医学和公共卫生/监管实践联系起来。

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