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公司公告

喜訊!天昊生物微生物項(xiàng)目文章登陸《Environmental Pollution》

發(fā)稿時(shí)間:2020-09-22來(lái)源:天昊生物



水生環(huán)境中的重金屬(HMs)主要影響魚(yú)類,因此魚(yú)類是便捷的污染生物指示劑。此研究調(diào)查了重金屬(HMs28天內(nèi)混合物(鉻(Cr)、鎘(Cd)、銅(Cu))在0-3.2mg/L濃度范圍內(nèi)對(duì)鯉魚(yú)的毒性作用。對(duì)重金屬積累,組織病理學(xué),氧化應(yīng)激和腸道微生物變化進(jìn)行了評(píng)估。 HMs的積累順序?yàn)?/span>Cr>Cu>Cd主要在腎臟,最后是鱗片。直到第14天,所有暴露組中活性氧的產(chǎn)生均增加,最大產(chǎn)生量為3.2 mg / L混合物,后來(lái)在第28天下降。丙二醛和超氧化物歧化酶水平從第7天到第28天隨著重金屬(HMs)濃度的增加而增加,而總蛋白則呈相反的趨勢(shì)。鰓組織病理學(xué)改變主要表現(xiàn)為初級(jí)板層隆起、解體、次級(jí)板層縮短。腎臟表現(xiàn)為腎小球壞死、鮑曼囊擴(kuò)張和腎小管間隙擴(kuò)張。在0.8mg/L3.2mg/L處理組中,Proteobacteria Firmicutes的豐度分別增加了59.4%99.16%。本研究對(duì)多重重金屬(HMs)脅迫下鯉魚(yú)的生理和腸道菌群的變化有了更深入的了解。




魚(yú)類養(yǎng)護(hù)與實(shí)驗(yàn)魚(yú)的選擇:

從甘肅省蘭州市當(dāng)?shù)佤~(yú)市場(chǎng)購(gòu)買了150多個(gè)鯉魚(yú)標(biāo)本,這些標(biāo)本是從黃河(YR)的不同位置采集的。使魚(yú)在自然光周期(光照14小時(shí)/ 10小時(shí)黑暗周期)和環(huán)境溫度(20-25°C)下在玻璃水族箱中適應(yīng)至少兩周。魚(yú)的重量和長(zhǎng)度分別在25-40g12-15cm之間。在整個(gè)適應(yīng)過(guò)程中,每天用自來(lái)水更新水箱中50%的水,并連續(xù)通氣(pH = 8.12,溶解氧(DO= 5.7 mg / L,總?cè)芙夤腆w= 346.4 mg / L,鹽度= 236 mg / L,電導(dǎo)率= 481.4 μS / cm)。用商業(yè)食品飼料(含有海藻粉、新鮮魚(yú)粉、蝦粉、小麥面筋和大豆圓酵母;粗蛋白:26%;粗纖維:8%;水分:10%;維生素:450毫克/千克),每天兩次(12:006:30)。喂食前使用ICP-OES確認(rèn)沒(méi)有重金屬(HMs)。每天監(jiān)測(cè)水質(zhì)pH值、溶解氧和溫度。選擇健康魚(yú)(未患?。┻M(jìn)行下游實(shí)驗(yàn),通過(guò)一般外觀(如顏色、皮膚光澤、眼睛和行為)確認(rèn)。

重金屬暴露實(shí)驗(yàn)裝置:

適應(yīng)兩周后,魚(yú)被分為5組(n=10)在5個(gè)不同的50L水箱中。4組添加了重金屬(HMs)混合物,剩余一組作為對(duì)照(不加HMs)。分析了從5個(gè)不同位置收集的黃河水樣品,以選擇本研究的HMs類型和濃度范圍。使用以下HMs和濃度:0 mg / L(對(duì)照),0.05 mg / L0.2 mg / L,0.8 mg / L3.2 mg / L KCrO7,CdCl 2CuSO4 . 5H2O。三種HMsCu的濃度最低(0.049mg/L),最高的是Cr2.86mg/L)。每天,用含有相應(yīng)HMs濃度的自來(lái)水替換水箱中50%的水,以保持重金屬(HMs)水平并確保適當(dāng)?shù)乃|(zhì)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,每天監(jiān)測(cè)pH值、溶解氧和溫度。

檢測(cè)組織中的重金屬:

將魚(yú)饑餓至少24 h,然后在冰上麻醉,解剖前記錄其長(zhǎng)度和重量。每組中的三條魚(yú)在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)被處死。在進(jìn)一步分析之前,所有被解剖的魚(yú)組織都儲(chǔ)存在?20°C的溫度下,然后將組織首先凍干,在80°C下干燥過(guò)夜,隨后稱重肌肉、皮膚、鱗片、腸、鰓和腎臟樣本,并用4.5 mL濃硝酸和0.5 mL過(guò)氧化氫溶液(30%)預(yù)消化過(guò)夜,然后將樣品在蒸煮器中于175°C進(jìn)一步消化2小時(shí),隨后冷卻,過(guò)濾提取物,并使用Milli-Q純水將體積提高至25 mL,采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法檢查制備樣品中的HMsCr、CdCu)。

組織病理學(xué)變化和氧化應(yīng)激檢測(cè):

察鰓和腎組織的組織病理學(xué)變化和氧化應(yīng)激。解剖組織用4%中性緩沖甲醛溶液固定,光鏡觀察。固定后(至少18-24小時(shí)),將組織在梯度乙醇溶液中脫水并植入石蠟中,用旋轉(zhuǎn)切片機(jī)切割6μm厚的細(xì)切片,放置在玻片上,用蘇木精和伊紅(HE)染色,用DPX固定。為了測(cè)定氧化應(yīng)激,測(cè)定活性氧(ROS)、超氧化物歧化酶(SOD)、丙二醛(MDA)和總蛋白(TP)活性,收集組織并在?80°C下立即保存在2?mL離心管中,直到進(jìn)一步分析,樣品在0.89%冰鹽水中均質(zhì),然后在12000×g下離心20min,樣品上清液用于ROS、SODMDATP生化分析:簡(jiǎn)而言之,使用2?,7?-二氯熒光素二乙酸酯(DCF-DA)熒光探針在發(fā)射波長(zhǎng)530?nm和激發(fā)波長(zhǎng)485?nm處監(jiān)測(cè)ROS的產(chǎn)生;用羥胺法測(cè)定超氧化物歧化酶(U蛋白/mg)活性;采用2-硫代巴比妥酸(TBA)法測(cè)定MDAnmol-protein/mg);以牛血清白蛋白為參考標(biāo)準(zhǔn),考馬斯亮藍(lán)G-250測(cè)定TPg蛋白/L)。

高通量測(cè)序:

從每個(gè)水箱收集腸,并混合成一個(gè)樣本,分別在第7、1428天收樣。從對(duì)照組、0.8 mg/L3.2 mg/L水箱中收集樣品,將樣品轉(zhuǎn)移到含有磷酸鹽緩沖鹽水(PBS;pH=7.4)的2mL高壓滅菌管中,在?80°C下儲(chǔ)存,使用DNeasy Blood & Tissue kitIllumina,USA)提取DNA,然后進(jìn)行16S擴(kuò)增子測(cè)序(V3-V4)。




鯉魚(yú)對(duì)重金屬(HMs的吸收及由此引起的危害極為敏感,因此可以作為一個(gè)合適的污染指標(biāo)。高濃度下的HMs吸收(0.8 mg/L3.2mg/L)引起嚴(yán)重的組織損傷、活性氧生成和腸道微生物群失調(diào),影響其健康和生存。HMs暴露引起的腸道微生物群失衡可能是導(dǎo)致觀察到致死性的主要原因之一。Cr是最大吸收的重金屬(HMs,因此可能是中毒和腸道菌群變化的主要因素。本研究將進(jìn)一步提供一個(gè)深入的研究范圍,以了解腸道微生物群與應(yīng)激源競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)制,以維持腸道功能和魚(yú)類健康。人類食用受重金屬污染的魚(yú)類會(huì)導(dǎo)致重金屬在人體內(nèi)的累積,導(dǎo)致類似的負(fù)面生理效應(yīng),并可能導(dǎo)致死亡。因此,重金屬污染的魚(yú)類需要在人類食用前進(jìn)行處理。

魚(yú)類組織對(duì)重金屬的吸收

暴露于CrCd、Cu的混合物會(huì)導(dǎo)致魚(yú)類的異常行為,如食物排斥、糞便排泄減少、缺乏游泳協(xié)調(diào)性、向水面移動(dòng)、鰓蓋快速但不規(guī)則的移動(dòng)、以及一側(cè)持續(xù)靜止不動(dòng)。這些行為在3.2mg/L組是極端明顯的,實(shí)驗(yàn)18天后,該組的死亡率為100%,這種行為可能是神經(jīng)元活動(dòng)受到抑制的結(jié)果。腸道微生物群的變化可能會(huì)改變魚(yú)類的生長(zhǎng)、健康、性能、飼料效率和飼料轉(zhuǎn)化率。與對(duì)照組相比,各暴露組的重金屬(HMs)累積量有顯著差異。魚(yú)的HMs在第28天的累積順序?yàn)?/span>Cr>Cu>Cd,并經(jīng)常以魚(yú)中的腎臟>>>皮膚>肌肉>魚(yú)鱗的形式積累(圖1)。據(jù)報(bào)道,食用魚(yú)類中HMs的允許限量為:1 μg / g Cr,30 μg / g Cu0.5 μg / g Cd。在第28天,暴露組的三個(gè)HMs都大大超過(guò)了允許的限值(圖1CF、IL、OR)。HMs在魚(yú)類組織中的積累程度受魚(yú)類類型(年齡、屬和體重)和棲息地、水中金屬類別、水狀況(溫度、透明度和pH值)、溶解氧豐度和生理?xiàng)l件的調(diào)節(jié)。雖然不同器官/組織的吸收不同,但魚(yú)體內(nèi)金屬的主要進(jìn)入途徑是鰓,魚(yú)類可以通過(guò)攝入的飼料和懸浮在水中的顆粒固體、通過(guò)親油性組織進(jìn)行離子交換和皮膚吸附來(lái)吸收HMsCr在所有組織中的吸收量最大,其次是Cu Cd(圖1)。因此,Cr的過(guò)度沉積對(duì)人類食用此類魚(yú)類造成了非常高的風(fēng)險(xiǎn)。與Cu Cd相比,高濃度Cr吸收主要有兩個(gè)原因:1Cr更容易被吸收,因?yàn)樗且环N強(qiáng)氧化劑,有更強(qiáng)的穿過(guò)細(xì)胞膜的傾向;2pH值在68之間強(qiáng)烈影響生物利用度、敏感性和魚(yú)類對(duì)CrVI)的吸收。pH7.86.5分別更適合Cr在內(nèi)臟和鰓中的積累,在這項(xiàng)研究中,水的pH值保持在78之間(圖S1)。Cu是哺乳動(dòng)物和魚(yú)類必需的微量營(yíng)養(yǎng)素(5-20 μg / g),但濃度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致毒性,腸道中的Cu濃度在第14天和第28天達(dá)到0.02 mg / L的峰值(圖1KL),因此可能沒(méi)有表現(xiàn)出顯著的毒性作用。除鰓在高濃度下(圖1 M、NO),Cd在所有部位的吸收最少,這與別人觀察到斑馬魚(yú)鰓中Cd積累較多的研究相似。

腎臟樣品中的HMs積累經(jīng)常是最高的(圖1PQ),因?yàn)樗鞘刮廴疚锱哦疽詼p輕有害影響的器官。腎臟在第28天的累積水平略有下降,這可能是由于HMs引起的腎臟損傷。因此,與CuCd相比,Cr是吸收最活躍的HMs。 


暴露7、1428天時(shí),肌肉、皮膚、鱗片、腸道、鰓和腎臟對(duì)重金屬的吸收。


鰓和腎臟的組織病理學(xué)變化

與對(duì)照組相比,HMs混合物對(duì)鰓和腎臟的損害作用顯著,基本上是在暴露14天和28天后(圖2)。對(duì)照組鰓的組織病理學(xué)分析顯示正常,其特征是存在初級(jí)板層(PL)、次級(jí)板層(SL)和層間層(IL)。與此相反,暴露組的鰓有組織異常,包括初級(jí)板層融合、初級(jí)板層剝離和隆起、血管損傷、層間層變薄、充血、次級(jí)板層縮短和組織破裂,這表明廣泛的組織損傷(圖2)。在0.05 mg / L組中,直到第14天變化并不十分明顯,但在第28天損害明顯(圖2B)。在0.2 mg / L組中(圖2C),與0.05 mg / L組相比,變化更為明顯,并且在第28天更為離散;在高濃度下,變化更為明顯,在第28天,這種損害在0.8 mg / L組中普遍存在(圖2D);而在3.2 mg / L組中,從第7天起就非常明確(圖2E)。銅的主要積累器官是肝臟,因此在本研究中,銅對(duì)鰓和腎組織沒(méi)有明顯的影響。


暴露71428天鰓的組織病理學(xué)變化:A)對(duì)照組:正常組織外觀,顯示清晰的初級(jí)板層(PL)、次級(jí)板層(SL)和層間層(IL);B0.05 mg/L:血管受損(DBV)、板層融合(LF)和初級(jí)板層隆起(UPL);C0.2 mg/L:充血(CN),隆起原發(fā)性板層(UPL)、原發(fā)性板層崩解(DPL)、層間層(IL)變?。^);D0.8 mg/L:次級(jí)板層縮短(SSL)、板層崩解(LD)、廣泛組織損傷,表現(xiàn)為板層變薄、完全板層破裂(LR)和IL(箭頭)變?。?/span>E 3.2mg/L:次級(jí)板層縮短(SSL)、層間層(IL)變薄(箭頭)、初級(jí)板層隆起(UPL)、IL破裂(ILR)。


腎臟是最早受到污染物影響的器官之一,在消除有害物質(zhì)方面非常重要。HMs暴露后,腎臟結(jié)構(gòu)被破壞,表現(xiàn)為腎小球壞死(GN)、腎小管間隙擴(kuò)張、腎小管充血、腎小管變性和鮑曼囊擴(kuò)張。盡管0.05 mg/L0.2 mg/L組的腎小球壞死(GN)并不明顯,但0.8 mg/L3.2 mg/L組顯示出顯著變化(圖3),這些變化,包括鮑曼氏囊變性,腎小球腎炎,腎小管管腔減少。0.05 mg/L組在第28天的損傷更為突出(圖3B);0.2 mg/L組在暴露14天時(shí)損傷更為明顯(圖3C);0.8mg/L組損傷強(qiáng)度在第28天最高,在第7天和第14天稍低(圖3D);在3.2 mg / L組中,從第7天起破壞就很強(qiáng)烈(圖3E)。 這表明HMs可以破壞組織結(jié)構(gòu),并且隨著HMs濃度的增加,破壞作用增加,因此,組織病理學(xué)變化可以指示環(huán)境污染。

暴露第7、1428天腎臟的組織病理學(xué)變化:A)對(duì)照組:正常組織外觀,顯示明確的腎小球(G)、初級(jí)小管(PT)、遠(yuǎn)端小管(DT)和小管間隙(TS=橢圓形);B0.05 mg/L:腎小球(G),TS直徑減小(#),TS擴(kuò)張(*);C 0.2 mg/L:腎小管充血(CT)、腎小球(GN)、TS直徑減小(#)、變性小管(箭頭),以及TS擴(kuò)張(*);D0.8 mg/L:腎小球壞死(GN),TS直徑減?。?/span>#),退行性小管(箭頭),小管間隙擴(kuò)張(*),鮑曼囊擴(kuò)張(+);E3.2 mg/L:腎小球壞死(GN),TS直徑減?。?/span>#),變性小管(箭頭),小管間隙擴(kuò)張(*),鮑曼囊擴(kuò)張(+)。


重金屬混合物對(duì)抗氧化脅迫的影響

與對(duì)照組相比,暴露組的活性氧(ROS)、超氧化物歧化酶(SOD)和丙二醛(MDA)顯著增加,而總蛋白(TP)降低(圖4)。腎臟中的ROS生成比鰓更普遍,從暴露的第7天到第14天增加,但在第28天減少(圖4A)。HMs通過(guò)取代原始金屬離子結(jié)合蛋白質(zhì)基團(tuán)的能力,導(dǎo)致酶失活和產(chǎn)生ROS(超氧自由基、羥基自由基和過(guò)氧化氫),這可能導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化、基因組突變、酶活性降低、蛋白質(zhì)降解和氨基酸氧化。在第7天和第14天,SOD生成量沒(méi)有顯著增加,但在第28天增加(圖4B)。超氧化物歧化酶(SOD)有助于將過(guò)氧化氫轉(zhuǎn)化為氧氣和水,從而防止ROS積聚,ROS的減少和SOD水平的增加(圖4)表明魚(yú)類清除ROS和減少氧化損傷水平的能力更強(qiáng)。在所有暴露組中,丙二醛(MDA水平以時(shí)間和劑量依賴的方式增加(圖4C)。丙二醛(MDA)是脂質(zhì)過(guò)氧化物(LPO)的一個(gè)指標(biāo),反映自由基損傷的程度。HMs可對(duì)細(xì)胞膜產(chǎn)生負(fù)面影響,從而通過(guò)LPO刺激改變生理學(xué),ROS的形成使細(xì)胞MDA水平波動(dòng),MDA濃度增加與活性氧濃度下降相關(guān)。蛋白質(zhì)是魚(yú)類必需的能量來(lái)源,當(dāng)受到壓力時(shí),魚(yú)類可能通過(guò)氨基酸氧化利用更多的蛋白質(zhì),總蛋白(TP)與MDA呈相反趨勢(shì)(圖4D)。在壓力下,由于食物攝入減少、組織修復(fù)、體內(nèi)平衡和解毒機(jī)制減少,蛋白質(zhì)水平可能會(huì)降低。隨著暴露時(shí)間和HMs濃度的增加,TP的減少與先前的研究類似。因此,高濃度的HMs會(huì)導(dǎo)致自由基的形成,從而增加損傷強(qiáng)度。

暴露7、1428天后鰓和腎臟的氧化應(yīng)激變化:A)活性氧(ROS);B)超氧化物歧化酶(SOD);C)丙二醛(MDA);D)總蛋白(TP)。


腸道微生物群落組成的變化

腸道微生物群在維持生物體的健康、生長(zhǎng)和發(fā)育中起著至關(guān)重要的作用,這些微生物群可能會(huì)受到各種環(huán)境因素的不平衡,因此在毒理學(xué)研究中很重要。在本研究中,對(duì)照組中門(mén)的相對(duì)豐度沒(méi)有顯著變化,但0.8 mg/L3.2 mg/L組從第7天到第28天出現(xiàn)了極端變化(圖5A)。在第7天,0.8mg/L組以Fusobacteria76.24%)為主,其次是Proteobacteria (12.38%),Firmicutes(8.5%), Bacteroidetes (1.59%);在3.2mg/L組中,Proteobacteria百分比最高(82.45%),其次是Fusobacteria (8.61%)Firmicutes (3.54%),Bacteroidetes (3%)。在第14天,0.8mg/LProteobacteria59.4%)增加,Fusobacteria31.25%)減少,Firmicutes (6.99%) Bacteroidetes (2.07%)無(wú)明顯變化;3.2mg/L組除Firmicutes99.16%)外,上述菌門(mén)均消失。在第28天,0.8 mg/L組的特征菌是Proteobacteria49.94%)、Actinobacteria (40.95%)Firmicutes (3.76%),但FusobacteriaBacteroidetes消失(圖5A)。

暴露組的Firmicutes/Bacteroidetes比率受到干擾,這與先前的鯉魚(yú)暴露于Cu的研究結(jié)果一致。在第14天(3.2mg/L組),Firmicutes占大多數(shù),因?yàn)槟c道菌群豐度非常低(圖S2a),這一觀察結(jié)果可能表明,在極端Cr濃度下,Firmicutes是最具抗藥性的類群,但其它類群的耐受性有限。研究表明Firmicutes是一種碳水化合物發(fā)酵群,產(chǎn)生丁酸鹽,主要為上皮細(xì)胞和胃腸道細(xì)胞提供營(yíng)養(yǎng)和能量,提高粘液產(chǎn)量,起到抗癌和抗炎作用,其耗盡可能會(huì)損害腸道屏障的完整性,因此,高比例的Firmicutes(圖5A)可能表明魚(yú)類需要通過(guò)保持腸道屏障功能來(lái)維持健康,而Bacteroidetes與營(yíng)養(yǎng)吸收、上皮細(xì)胞成熟和維持有關(guān)。有研究表明在低Cu濃度(高達(dá)0.28 mg/L)下,發(fā)現(xiàn)鯉魚(yú)體內(nèi)主要存在Proteobacteria、Fusobacteria、Verrucomicrobia、Bacteroidetes,而尼羅羅非魚(yú)(1 mg/L Cd)中,分別在暴露8周和4周后,Bacteroidetes Proteobacteria占優(yōu)勢(shì),這表明,在本研究中發(fā)現(xiàn)的腸道微生物群變化主要是由鉻(Cr引起的,因?yàn)殂t主要被魚(yú)吸收(圖1)。在第28天,0.8 mg/L組出現(xiàn)Actinobacteria(圖5A),Actinobacteria可以產(chǎn)生對(duì)病原微生物有活性的次級(jí)代謝產(chǎn)物,它的出現(xiàn)可能表明該組中的魚(yú)易感染病原微生物。

在屬水平上,在對(duì)照組和0.8 mg/L(第7天和第14天)組中主要檢測(cè)到Cetobacterium,而在第143.2 mg/L組中,LactococcusEnterococcus普遍存在(圖5B)。EnterococcusLactococcusCr無(wú)顯著相關(guān)性,但與Cd、Cu呈正相關(guān)。相反,Bacteroides、Chitinibacter、LuteolibacterCrCdCu呈負(fù)相關(guān)(圖S3),表明它們?cè)谒斜┞督M中消失(圖5B)。研究表明CetobacteriumLactococcus分別參與維生素B12的合成和葡萄糖發(fā)酵;Lactococcus在溫水(>20°C)和冷水(4-10°C)中可占優(yōu)勢(shì),而Bacteroides可在腸道內(nèi)出現(xiàn)每日波動(dòng);Lactococcus產(chǎn)生細(xì)胞外產(chǎn)物,如乳酸、過(guò)氧化氫、二氧化碳、抗生素肽/蛋白質(zhì)和有機(jī)酸,以抵御潛在病原體。因此,上述數(shù)據(jù)表明,重金屬暴露導(dǎo)致腸道微生物失調(diào),然而,益生菌可以通過(guò)腸道定植穩(wěn)定腸道微生物群來(lái)防止失調(diào),潛在的益生菌,如Bacillus sp.Enterococcus sp.,可顯著提高魚(yú)類的飼料利用率或轉(zhuǎn)化率、生長(zhǎng)性能、免疫力、消化酶和抗氧化酶活性,以及抗病性。


圖5 對(duì)照組、0.8 mg/L和3.2 mg/L組在7、14和28天,重金屬暴露對(duì)腸道菌群的影響:a)在門(mén)水平鑒定的腸道微生物群的相對(duì)豐度;b)顯示屬水平的細(xì)菌熱圖。


在第7天,所有組共有70個(gè)OTU,而在第14天和第28天,所有組中分別共有72個(gè)和96個(gè)OTU(圖6A、B、C)。

維恩圖顯示了對(duì)照組、0.8 mg/L3.2 mg/L組在7天(A)、14天(B)和28天(C)的特異和共有的OTUs。



目前的研究表明,重金屬(HMs)對(duì)魚(yú)類是有毒的,鉻(Cr是其中毒性最大的。魚(yú)體內(nèi)高鉻的積累使其不適合人類食用。低濃度暴露會(huì)改變魚(yú)類的生物學(xué)參數(shù),但長(zhǎng)期高濃度暴露會(huì)導(dǎo)致死亡。重金屬吸收隨重金屬濃度的增加而增加。損傷程度隨著時(shí)間和重金屬劑量的增加而增加,引起極端的組織損傷、ROS生成和腸道微生物失調(diào)。高濃度重金屬混合物(0.8 mg/L3.2 mg/L)對(duì)組織和腸道有害。3.2mg/L的混合液引起最大限度的ROS生成和腸道微生物失調(diào)。需要進(jìn)一步研究重金屬混合物對(duì)魚(yú)類的影響,特別是腸道微生物的變化。未來(lái)的研究可以揭示重金屬在魚(yú)類中的毒性機(jī)制。




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