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镍是常见的环境污染物，大量体外研究报道镍暴露可以引起微核产生、抑制DNA损伤修复和诱导凋亡；钴是人体必需的微量元素，但过多的摄入也可导致各种疾病；空气离子已经成为空气质量评估重要参数之一，现实生活中很多空气离子发生器被安装以改善空气质量。这些物质在自然和人为作用下，被释放到人类赖以生存的水和空气中，直接威胁人类的健康。本文以模式生物秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)为研究对象，利用一系列细胞凋亡和信号传导突变与转基因材料，从发育、寿命、生殖细胞凋亡及其损伤信号传导途径等方面，系统地研究了镍、钴遗传毒性和空气负离子生物学效应及其作用机理，实验数据对于从活体水平上进行水体镍、钴和空气负离子评价和防护具有重要意义。主要研究结果如下：
1.低剂量镍和钴慢性暴露对线虫的损伤作用
本章研究了低剂量镍和钴暴露对线虫发育周期、后代数量和寿命的影响，结果发现：将线虫及其后代持续暴露于含0.001mM镍和钴的固体培养基上，在当代没有引起繁殖和和发育显著损伤效应，但在持续暴露至第2代和第3代时，检测到发育周期明显延长和后代数量显著降低；0.001mM镍可以诱导当代线虫寿命显著缩短，而将线虫暴露于0.001mM钴2代后也引起寿命显著缩短。表明非致死低剂量镍和钴暴露毒性可以在线虫后代中积累。
2.ROS、DDR基因、MAPKs信号途径和HIF-1因子在镍和钴诱导细胞凋亡中的作用
以线虫性腺对研究对象，研究非致死剂量镍和钴暴露对线虫性腺细胞凋亡的影响及其可能机理，结果发现：在K-medium培养体系中，将线虫暴露于0.01mM镍或0.001mM钴中12h后，即可检测致到性腺细胞凋亡显著增加；将氧化自由基清除剂与镍和钴共暴露12h后，检测生殖细胞凋亡，显示L-抗坏血酸可恢复镍和钴诱导线虫生殖细胞凋亡，而DMSO只可以显著抑制钴诱导细胞凋亡；利用与哺乳动物细胞凋亡调控有关的线虫基因突变材料，研究显示，镍和钴诱导细胞凋亡不依赖于DNA损伤检测点基因hus-1，cep—1和egl-1，当JNK和p38MAPK信号传导途径的基因功能丧失抑制镍和钴诱导细胞凋亡，而ERK MAPK信号传导途径基因功能缺失对镍和钴诱导凋亡没有影响；利用与低氧应答调控有关的线虫基因突变材料，研究显示，镍和钴暴露诱导凋亡的同时引起线虫低氧应答，当低氧诱导相关基因椭hif-1，egl-9，vhl-1，缺失时，镍和钴均不能诱导线虫性腺细胞凋亡。
3.空气负离子暴露引起线虫损伤
鉴于当前大量电晕法空气负离子(ENIs)发生器在室内和公共场所的应用，我们将野生型线虫暴露于1.0×105ions/cm3中，发现ENIs暴露线虫可以加速衰老、缩短发育周期、降低后代数量，结果表明持续ENIs暴露会对线虫产生损伤作用，然后我们又将ROS敏感突变型线虫mev-1(kn1)经相同处理，发现ENIs对突变株线虫损伤作用更强。进一步研究显示，ENIs暴露显著诱导线虫性腺细胞凋亡数量增加，同时可诱导sod-3：gfp转基因线虫SOD-3水平升高，而自由基清除剂DMSO及L-抗坏血酸可显著降低性腺细胞凋亡数量，同时抑制SOD-3表达。研究表明持续ENIs暴露会对线虫产生氧化应激，从而对线虫具有损伤效应。