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镧系元素(Lanthanides,Ln)位于化学元素周期表中第IIIB族,由镧(La)至镥(Lu)15种元素组成,加上与它们相似的钪(Sc)和钇(Y)共17种化学元素,统称作稀土元素(REEs)。由于拥有独特的4f电子轨道结构以及与钙离子相似的性质,稀土元素广泛应用于工业、医药等行业。中国是稀土大国,稀土农用是我国独创的领域。含稀土元素的微肥或添加剂对农作物及牲畜具有提质增产,提高抗病力的作用。随着稀土在农牧业广泛使用,这种生物非必须元素不可避免地进入环境并随食物链积累于人体。国内外早已开展了稀土毒理研究。但是有关稀土对免疫器官,如脾脏以及对免疫系统的生物效应研究较少,且往往集中于单个稀土元素或稀土混合物,对不同稀土元素所产生的不同生物效应的比较研究不多。因此我们选用镧(La)、铈(Ce)、钕(Nd)三种主要的农用稀土元素,分别采用腹腔和口径染毒小鼠的方法,围绕稀土对小鼠体内脾脏的损伤机制,对免疫和肝功能的的影响以及体外稀土对酶蛋白的作用等方面开展研究,尝试从动物整体、器官、组织、细胞和分子等不同层次了解稀土的生物效应,为稀土农用的安全评估提供参考。论文主要涉及以下内容:(1)研究了亚慢性腹腔染毒氯化稀土溶液对小鼠脾脏的影响,结果发现稀土处理引起小鼠脾脏肿大,脾体比增高,与肝、肺、肾等器官相比,三种稀土元素在脾中的积累浓度最高,通过电镜切片观察到稀土离子损伤了脾细胞,造成细胞凋亡以及线粒体增殖肿大。脾组织抗氧化实验结果表明稀土对脾脏造成了氧化伤害,引起了脾组织内活性氧自由基升高以及脂质过氧化,同时抑制了酶和非酶系统的抗氧化水平。另外稀土离子还通过激活诱导型一氧化氮合酶活性,显著提高了脾组织中一氧化氮含量,进一步加剧对脾的损伤。实验证实由腹腔进入体内的稀土离子易在脾脏中蓄积,进入脾细胞后对脾脏产生刺激作用,并诱导脾组织氧化损伤,提示稀土元素可能对小鼠免疫系统产生负面影响。在这三种稀土离子处理中,Ce3+处理组表现出最严重的脾细胞超微结构损伤和脾组织氧化胁迫,其次是Nd3+处理组,La3+处理影响较Ce3+和Nd3+轻微。(2)研究了亚慢性腹腔染毒硝酸稀土溶液对小鼠几个重要器官以及血生化指标的影响,发现稀土引起小鼠脾体比、腺体比和肝体比的增加,通过血生化分析发现稀土对小鼠心肌、肝脏以及肾脏功能均产生损伤作用,同时肝组织病理切片观察到稀土处理组的肝组织出现中央静脉淤血、扩张,细胞坏死以及嗜碱性变等症状。这些结果证实稀土由腹腔进入体内对小鼠一些重要组织和器官,如胸腺、心脏、肝脏、脾脏以及肾脏等都带来了不良影响。提示稀土对动物体的影响广泛。我们还发现不同稀土离子处理后,Ce3+对小鼠的毒害程度最严重,不但严重干扰肝功能并损伤了肝组织,另外还对心肌、肾等器官造成一定伤害;相对Ce3+,Nd3+对小鼠造成的伤害较轻;La3+对心、肾等器官无明显影响,损伤作用最轻。(3)研究了长期口径染毒稀土离子对小鼠免疫及肝功能的影响,结果发现稀土对小鼠的影响具有剂量效应:低剂量影响较轻,中、高剂量则随剂量增加对小鼠免疫和肝功能造成了不同程度的损伤,包括抑制外周血T、B淋巴细胞以及NK细胞,降低血液中白细胞、血小板和网织红细胞数以及血清免疫球蛋白IgM水平,破坏正常肝功能,干扰肝脏糖、脂的代谢,损伤肝组织以及破坏了脾脏超微结构。其中高剂量产生的损伤比中剂量明显,还严重影响小鼠的生长发育。本部分提示长期接触稀土元素可能降低人体免疫水平,损伤肝功能,并对整体带来负面效应。三种不同稀土离子处理后,Ce3+表现出最明显的抑制和损伤效应,Nd3+和La3+其次。以上三部分研究认为,La3+、Ce3+、Nd3+对小鼠造成不同程度损伤以及不同损伤机制的原因可能与稀土元素4f轨道的电子数有关。(4)以离体的牛红血球超氧化物歧化酶(SOD)为实验材料,探讨了Ce3+对SOD酶活性和构象的影响,发现Ce3+对酶的活性具有两面性,低浓度Ce3+处理时,SOD活性逐渐增加,且显著高于对照,高浓度Ce3+处理时,SOD活性逐渐下降。光谱学分析表明Ce3+能够与酶结合,结合位点数为0.96,结合常数分别为6.78×105 L?mol-1和1.68×105 L?mol-1;Ce3+能导致酶二级结构的变化。因此推测:Ce3+在SOD酶中创造了一个新形式的金属离子活性位点,从而影响SOD酶的活性。
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