铜离子的生物学特性及其吸收转运调控机制研究进展

介绍铜离子的生物学特性,阐述铜离子吸收转运的调控机制,包括缺铜情况下铜离子平衡的调控和铜离子自我反馈调控途径。     

真核细胞内的铜转运及平衡机制研究进展

以果蝇为例,阐述了铜在动物体内的摄入、分配、排泄以及转录水平调控过程。果蝇细胞对铜的摄取主要通过金属反应转录因子MTF调节转运蛋白Ctr与金属硫蛋白mt之间的表达调控铜离子的摄取。进入胞浆内的铜主要通过ATX1、CCS和Cox17这3种铜伴侣蛋白经3条不同途径进行转运和调节。金属硫蛋白与P型ATP7酶在铜的排泄中起重要作用。     

铜胁迫下的西瓜食酸菌转录组分析

【目的】分析西瓜食酸菌(Acidovorax citrulli)在铜胁迫下转录水平的响应特征,研究对其抗铜系统和抗铜机制,为进一步解析西瓜食酸菌的铜耐受分子机制积累数据。【方法】以西瓜食酸菌亚群I的抗铜菌株FC440铜胁迫和无胁迫培养下的菌体为材料,提取RNA并利用RNA-Seq技术获取细菌对铜胁迫的应答数据,分析数据质量、差异表达基因的类型、KEGG富集与Pathway注释、GO富集分析等转录组水平特征,并进行qPCR验证。【结果】共获得6个转录组文库,总数据量23.6 Gb;该细菌共有4 344个基因表达,其中有466个基因差异表达(上调266个,下调200个);差异表达的基因显著富集于ABC转运系统的跨膜转运、双组分系统通路的信号转导以及氨基酸代谢等约9大通路;基因表达趋势与转录组测序数据的趋势一致。【结论】铜胁迫下谷氨酸、谷胱甘肽等氨基酸代谢在西瓜食酸菌抗铜胁迫中发挥重要作用;双组分系统参与西瓜食酸菌对铜离子胁迫的响应且受到负调控;该菌中可能存在包含ABC转运体的跨膜转运、氧化还原反应、胞内束缚沉淀等多种系统互作的抗铜机制。     

有机微量元素在奶牛养殖中应用的研究进展

微量元素主要是指锌、锰、铜、铁、硒、铬、钴、碘等,其在日粮中的添加量低,但却在体内抗氧化等方面发挥着重要的作用,微量元素的离子主要在小肠通过主动转运或上皮细胞间隙吸收;在主动吸收模式下其可能共用转运载体,因此存在拮抗情况。反刍动物对微量元素的吸收受复杂的因素所影响,有机微量元素具有更高的吸收率,补充有机微量元素对奶牛健康、繁殖和生产性能产生有利影响。文章主要综述了锌、锰、铜、铁、硒等五种主要有机微量在奶牛上的应用。     

6种植物对铜污染土壤的修复作用

为了筛选出对铜离子污染土壤具有较好修复效果的植物,选取长岭-威远一带非常规油气开发区域的黑麦草、玉米草、苏丹草、狼尾草、紫花苜蓿、白三叶草6种植物作为研究对象,测定这6种植物在不同含量铜离子条件下的发芽率,并开展其在不同铜离子含量土壤条件下的生长性试验,计算土壤中铜离子的去除率。结果表明,黑麦草、玉米草、苏丹草和狼尾草对铜离子的耐受性高于紫花苜蓿和白三叶草;玉米草、狼尾草、苏丹草中的铜离子主要富集在根系,在土壤中铜离子含量为100 mg/kg时,3种植物根系中铜离子含量分别达到了57.25、52.70、47.50 mg/kg;黑麦草中的铜离子主要富集在叶、茎,在土壤中铜离子含量为100 mg/kg时,黑麦草叶、茎中铜离子含量分别达到了23.29、12.12 mg/kg,根中铜离子含量仅仅1.24 mg/kg。当土壤中铜离子含量为25 mg/kg时,黑麦草与苏丹草的铜离子去除率均达到了60%以上,高于狼尾草和玉米草;而当土壤中铜离子含量为50 mg/kg时,苏丹草和玉米草的铜离子去除率均达到了55%以上,高于黑麦草与狼尾草。因此,在长岭-威远一带非常规油气开发区域,在土壤中铜离子含量较高(大于50 mg/kg)时,可选用玉米草作为修复植物;在土壤中铜离子含量低于25 mg/kg时,可选用黑麦草与苏丹草作为修复植物。     

植物的铜稳态研究综述

微量元素在植物生长发育过程中是必不可少的,因此研究植物内各种微量元素的稳态具有重要意义。铜在光合作用、呼吸作用、乙烯感应、活性氧清除和细胞壁重塑中发挥重要作用。铜的运输是由一组进化上高度保守的转运蛋白和金属伴侣共同完成的。由于根中转运蛋白的调控和高铜含量土壤非常稀缺,使得植物组织中的铜含量一般不会过高。然而,铜的利用率低会降低植物的生产能力。由于某些功能保守的基因的控制,植物会响应铜缺乏的外界环境。植物主要通过Ctr/COPT铜转运家族转运蛋白家族从细胞外吸收铜,之后由铜伴侣蛋白及P型ATP酶将铜运输到各细胞器中。铜在木质部的运输及铜从衰老叶片到嫩叶与生殖组织中进行的再分配都须要烟酰胺发挥作用。此外,铜的再分配过程须要黄色条纹状(yellow stripe-like,简称YSL)转运体及铜伴侣蛋白CCH的参与,其中CCH蛋白存在于植物的韧皮部。当铜供给不足时,植物中增加铜吸收的系统会被激活,并且使铜能更有效地被利用。一些参与铜调控的小分子RNA会下调某些不重要的铜蛋白的表达量。低铜条件下,主要的铜应答转录因子SPL7既可以激活参与铜吸收的基因的表达,又可以上调某些Cu-microRNAs的表达量。这种调节允许光合自养生物生长所需的最重要的含铜蛋白质(如质体蓝素)在一定的铜浓度范围内保持活性,这更有利于植物的生长。植物中铜过量会造成活性氧的快速积累,活性氧会破坏核酸、氧化蛋白并导致脂质过氧化,从而影响细胞的诸多功能,对细胞产生毒害。细胞内铜过量时会上调金属硫蛋白(metallothionein,简称MT)的表达以减少细胞质中游离铜离子的含量。主要阐述植物中铜稳态的作用及其研究进展,以及植物对铜的吸收与再分配过程,同时对铜在细胞内的传递及细胞内铜稳态的调控进行简单概述。并对大部分重要的含铜蛋白的研究进行简要描述。由于高等植物中铜蛋白的研究报道还较少,因此对植物中铜稳态的研究概述可以加强研究者对含铜蛋白质生物学功能的了解,同时也可以为进一步阐明植物吸收利用铜的分子机制提供依据。     

海带吸附铜、镍离子的研究

[目的]研究海带吸附铜、镍离子过程中的影响因素。[方法]在100ml铜/镍离子溶液中加入0.2g海带粉,所有试验的振荡速度均设为120r/min,用原子分光光度计测定过滤后溶液中的铜、镍离子浓度。[结果]海带吸附铜、镍离子的最佳pH值为4.0。海带对镍离子的吸附平衡时间为60min,对铜离子的吸附平衡时间为90min,吸附等温线均符合Freundlich模型。在pH值为3.0时,海带对铜离子的吸附效率达80%以上。前30min海带对2种离子的吸附速度较快,而后30min吸附速度相对较慢。在同一温度下,相同质量的海带粉对铜离子的吸附量大,对镍离子的吸附量小。海带对铜离子的吸附指数介于0.3～0.5,对镍离子的吸附指数介于0.4～0.6。[结论]该研究为利用生物吸附剂处理工业废水奠定了理论基础。     

铜胁迫对鸭跖草的生长及生理特性的影响

通过盆栽试验研究了不同浓度铜离子对鸭跖草的生长及生理特性的影响.处理用的铜离子浓度为20、50、100、200和400mg/L,以去离子水作对照组.研究结果表明,在5种不同浓度的铜离子浇灌下,鸭跖草均能正常生长.随着铜离子浓度的增加,与对照组相比,铜离子浇灌的鸭跖草植株在前期生长较快,后期生长减慢.在前期各处理组的平均株高增加量随着浓度的升高而增加.经过不同浓度的铜离子浇灌处理后,各处理组鸭跖草叶片的超氧化物歧化酶(SOD)活性及脯氨酸含量逐渐增加.方差分析结果表明,不同浓度的铜离子处理对SOD酶的活性及脯氨酸的含量均没有产生显著的影响.不论地上部分还是地下部分,各处理组的生物量都表现为随铜离子浓度的升高而降低.由此可见,在重金属铜离子的胁迫下,鸭跖草对铜具有较强的耐性.通过体内提高SOD酶及脯氨酸的含量等生理响应来增加抵抗重金属铜胁迫的毒害作用.     

三乙胺改性木屑处理含铜、镉重金属离子废水的研究

试验研究了改性木屑对废水中铜、镉重金属离子的吸附能力,结果表明：在温度为30℃、pH为8的条件下,三乙胺改性木屑对在400mg/kg以内的铜离子吸附率基本保持在99.99%,之后随着铜离子初始浓度的增加而陡然变小;改性木屑对100mg/kg以内的镉离子吸附率基本保持在99.69%,之后随着镉离子初始浓度的增加而陡然变小。总体上看,三乙胺改性木屑对铜离子的吸附能力强于镉离子。     

壳聚糖对铜离子的吸附作用

高脱乙酰化度的壳聚糖能够有效地从水溶液中分离出铜离子。对壳聚糖吸附铜离子的动力学和吸附等温线的研究结果表明，在２０℃时，直径为１００～１５０μｍ的壳聚糖颗粒，对铜离子的吸附速率很快，且吸附饱和容量可达２３ｇ／ｋｇ。壳聚糖对铜离子的吸附容量随其颗粒直径的下降而增加。有钠、钾阳离子存在时，对分离铜离子的效果几乎没有影响，但是有ＥＤＴＡ存在时，会严重阻碍壳聚糖对铜离子的吸附作用。     

胡敏酸和柠檬酸对铜在土壤中吸附-解吸行为的影响

铜在土壤中的吸附-解吸行为及其影响凶素是评价铜在环境中去向的主要因素之一.本研究采用一次平衡法,目的是为了阐明两种可溶性有机碳(DOC)--胡敏酸(HA)和柠檬酸(CA)对铜在不同土壤中的吸附-解吸行为的影响.结果表明,HA有显著促进土壤对铜的吸附的趋势,但在碱性土壤中比在酸性土壤中的促进效果更为明显;而CA显著抑制碱性土壤对铜离子的吸附,对铜离子在酸性土壤中的吸附行为的影响随加入铜离子浓度的不同而异,低浓度时(<63.54 mg·L-1)CA对铜离子的吸附有抑制作用,而随着铜离子浓度的升高.CA又反过来促进土壤对铜离子的吸附.被碱性土壤吸附的铜离子很难用中性盐解吸出来.产生上述现象的原因可能与铜离子随pH变化的水解程度不同和不同类型DOC本身性质不同有关.土壤对铜吸附行为的变化有可能用来预测重金属对水体的污染潜力.     

壳聚糖对铜离子的吸附作用

高脱乙酰化度的壳聚糖能够有效地从水溶液中分离出铜离子，对壳聚糖吸附铜离子的动力学和吸附等温线的研究结果表明，在２０℃时，直径为１００￣１５０μｍ的壳聚糖颗粒，对铜离子的吸附速率很快，吸吸附饱和容量可达２３５ｇ／ｋｇ。壳聚糖对铜离子的吸附容量随其颗粒直径的下降而增加，有钠、钾阳离子存在时，对分离铜离子的效果几乎没有影响，但是有ＥＤＴＡ存在时，会严重阻碍壳聚糖对铜离子的吸附作用。     

铜锌复合胁迫下禾本科观赏草的富集、转运效应评价

研究禾本科观赏草在土壤重金属铜、锌复合污染下的富集、转运效应,筛选出耐性品种,为挖掘超富集植物及推动利用植物修复铜、锌污染环境提供参考依据。以9种常见禾本科观赏草作为试验植材,设置5个胁迫梯度,采用盆栽控制法,探究供试观赏草体内铜、锌含量分布状况并分析其对铜、锌的富集能力与转运特征。结果表明,不同供试观赏草吸收重金属铜、锌的能力存在差异;不同部位吸收重金属铜、锌的能力亦差异显著,供试观赏草地上部吸收锌的能力强于地下部,而地下部吸收铜的能力强于地上部。供试观赏草富集、转移锌的能力均强于铜,在锌富集系数、转运系数方面高于铜。采用隶属函数法及Q型聚类分析法,当相对距离为7.5时,可将供试观赏草划分为高、中、低铜锌积累型3类,丽色画眉草、细叶芒综合表现最强且属于高铜锌积累型。     

重金属铅胁迫对刺槐幼苗生长及铅离子转运特性的影响

为了解刺槐Robinia pseudoacacia对铅胁迫的耐受程度与耐受机制,以刺槐幼苗为研究对象,用硝酸铅溶液浇灌处理,研究幼苗的生长特性、组织铅离子质量分数（μg·g-1）及离子转运特征。结果表明:250 mg·L-1铅处理对刺槐幼苗的茎高、地径、干质量、鲜质量等有一定的促进作用;在中高铅离子质量浓度（≥500 mg·L-1）下,刺槐幼苗的生长受到抑制。随着铅处理质量浓度的增加,幼苗根系铅离子质量分数显著上升（P < 0.05）;茎部铅质量分数先升后降;叶中铅质量分数大体呈现降低趋势;叶/茎离子转运率急剧下降（P < 0.05）;（叶+茎）/根、茎/根离子转运率先升后降。通过多元回归分析,发现根系铅质量分数、（叶+茎）/根离子转运对幼苗干物质积累影响最大;茎部铅离子质量分数、根茎间铅离子转运对幼苗地径、苗高生长影响最大。图 3 表 2 参23     

铜吸收与代谢的研究进展

铜是人和动物必需的微量元素之一,在机体生长和发育过程中发挥着重要作用。文章就铜在动物体内的分布、吸收、转运及排泄途径进行综述。     

石英砂-腐殖酸-Cupriavidus gilardii CR3复合体对铜离子的吸附特性及机理研究

[目的]研究pH、初始铜离子浓度和吸附时间对石英砂-腐殖酸-Cupriavidus gilardii CR3复合体吸附铜离子的影响。[方法]利用等温吸附模型和动力学模型拟合试验数据,通过测定复合体吸附铜离子前后的Zeta电位、扫描电子显微镜-能谱(SEM-EDS)和傅里叶红外光谱(FTIR),研究吸附剂对铜离子的吸附特性及机理。[结果]pH是影响吸附能力的主要因素,静电作用可使复合体表面负电荷增多,提高吸附量。在最适pH(5.0)下,复合体对铜离子的最大吸附量为13.08 mg/g。复合体对铜离子的吸附过程符合化学单分子吸附的Langmuir模型和二级动力学模型。[结论]该研究认为静电作用和单分子化学吸附是石英砂-腐殖酸-Cupriavidus gilardii CR3复合体吸附铜离子的主要机制。     

废弃纤维板制备的活性炭对含铜离子废水的吸附

以废弃纤维板为原料,KOH为活化剂,制备了低成本的活性炭。通过单因素试验来选择处理含铜离子废水的工艺。同时研究了活性炭吸附铜离子的吸附动力学和吸附等温线。结果表明,用活性炭处理200 mL的初始质量浓度为20 mg/L的铜离子溶液时,活性炭用量为65 g,温度为30℃,pH=5时,240 min后吸附就达到平衡,活性炭吸附铜离子的吸附性能最佳。活性炭对铜离子的吸附行为遵循二级动力学规律,Langmuir等温线更符合铜离子在活性炭中的吸附行为的描述。     

植物铜伴侣蛋白的研究进展

铜是植物生长发育所必需的微量元素,是参与生命基本过程的辅因子。铜伴侣蛋白在运输铜离子、参与目的蛋白的装配及保护机体免受游离铜离子毒害等方面发挥重要作用。因此,铜伴侣蛋白对植物体内铜稳态的调节具有重要的贡献。为了促进植物铜伴侣蛋白的进一步深入研究,从铜伴侣蛋白的起源、种类及3种铜伴侣蛋白(ATX-like、CCS和COX17)相关研究方面进行综述。     

铜、锌肥对优质稻桂育9号的影响效应研究

【目的】明确铜离子溶液浸种对水稻种子发芽率的影响以及叶面喷施铜肥和锌肥对水稻产量和米质的影响。【方法】以优质稻桂育9号为试验品种,分别于2019年2月和2019年3—7月进行了4处理铜离子浓度浸种发芽率试验和双因素7处理铜锌肥喷施试验。【结果】铜离子溶液浸种时,M2处理(9.2 mg/L)可提高种子发芽率和发芽整齐度,铜离子浓度过高效果下降。大田喷施铜锌肥时,随着锌离子喷施量的增加,有效穗、成穗率、千粒质量、穗长、结实率、蛋白质、产量、糙米率、整精米率、粒长、长宽比、直链淀粉含量升高,锌离子喷施量增加至24.75 g/hm~2后,产量、糙米率、整精米率、粒长、长宽比、直链淀粉含量开始下降,喷施铜离子处理比未喷施处理的有效穗、成穗率、穗粒数、结实率、产量、糙米率、整精米率有明显提升,千粒质量、垩白粒率、垩白度和蛋白质降低。铜锌肥互作条件下,各处理的穗长、穗粒数均比对照有所提升,同一锌离子水平下,喷施铜离子的各处理穗粒数、结实率、产量均优于未喷施处理,除A1B0处理外其他各处理糙米率、整精米率和粒长比对照有不同程度提升。叶面积指数仅在抽穗初期存在显著差异,其他时期差异不显著。叶绿素含量在各生育期处理间均未出现显著差异。单独喷施锌离子可以降低精米铜含量,但可能导致锌含量下降;配合喷施铜离子会促进精米铜、锌元素吸收。【结论】9.2 mg/L铜离子溶液(M2处理)浸种,可有效提高水稻种子发芽率和发芽整齐度;分蘖期喷施6.9 g/hm~2铜离子(每hm~2对水450 L)和抽穗开花前喷施16.5 g/hm~2锌离子(每hm~2对水450 L)可使水稻桂育9号获得良好的产量和米质。     

乙草胺及铜离子复合施用对黑土农田生态系统土著微生物的急性毒性效应

采用实验室模拟方法研究了乙草胺、铜离子及其复合物在施加12d内对黑土农田生态系统中土著微生物种群数量及其土壤生物学特性的急性毒性效应。结果表明：单独施加乙草胺或铜离子对土壤中主要微生物类群——细菌、放线菌以及作物生长有益微生物类群——自生固氮菌、矿化磷细菌及硅酸盐细菌具有明显的急性毒性作用；这种毒性效应尤以第6d最为显著。单独施加乙草胺或铜离子可使供试土壤中的真菌数量明显提高，第9d时，乙草胺和铜离子处理土壤中真菌数量比对照分别提高20．87倍和3．01倍。乙草胺和铜离子的复合施加在前6d对土壤中所有被检测微生物种群的毒性均比其相应的单因子的毒性强，表现出明显的乙草胺—铜离子协同毒性效应。乙草胺对供试土壤的呼吸强度和脱氢酶活性具有明显的刺激效应。铜离子在前6d刺激供试土壤呼吸强度增强，从第9d开始抑制供试土壤的呼吸强度；而铜离子在处理过程中对土壤脱氢酶活性却表现为强烈的抑制效应。当乙草胺和铜离子复合施加时，对供试土壤的呼吸强度和脱氢酶活性的作用随作用时间呈现不同作用规律。