溶解性有机质影响下人工合成氧化铜纳米颗粒对蛋白核小球藻的致毒机制

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人工纳米颗粒(Engineered nanoparticles, ENPs)具有小粒径、大比表面积、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应等特殊的性质,具有广阔的应用前景。近年来已成为研究的热点。纳米材料的大量生产和应用中产生的人工合成纳米颗粒(ENPs)不可避免地进入环境中,并且经过排放、径流以及沉降等方式进入水体中。研究表明,水体中的ENPs会对水生生物产生毒性效应。而藻类作为水体中的初级生产者,对调节水生生态系统稳定性具有重要作用。暴露于ENPs中的藻细胞摄取ENPs之后,在生物放大作用下,ENPs可能对以摄取藻细胞为食的生物产生危害,而藻细胞的大量死亡也会给水生生态系统乃至整个生态系统带来不可预计的后果。自然水体中的ENPs对生物的毒性效应与溶解性有机质(DOM)、pH、离子强度密切相关。本论文中选取纳米材料为人工合成氧化铜纳米颗粒(CuOENPs)受试生物为蛋白核小球藻,探究了在富里酸(SRFA)影响下,CuO ENPs进入藻细胞的方式及分布规律,探讨ENPs可能的致毒机制,为评估ENPs的环境风险提供理论依据。主要研究结果概括如下:(1)随着CuO ENPs浓度的增加,蛋白核小球藻生长抑制效应越明显,其72小时半数效应浓度(EC50)为45.6mg L-1。分析在不同浓度SRFA(0、10、20、30、40mg L-1)影响下40mg L-1CuO ENPs对藻细胞的生长抑制情况,当外加20mg L-1SRFA,藻细胞生长抑制率开始出现显著性升高,因此我们选择20mgL-1作为后续实验中的SRFA浓度。(2)外加20mg L-1SRFA明显增强了CuO ENPs对蛋白核小球藻的毒性,其72h EC50为10.26mg L-1。一方面是因为SRFA促进了Cu2+的释放,离子毒性增强;另一方面是SRFA增加了CuO ENPs在水体中的悬浮稳定性,水力半径减小, CuO ENPs与藻细胞接触的机会增大。(3)SRFA促进了藻细胞内置化Cu含量,增加的Cu主要是CuO ENPs内置化的结果。(4)首次利用透射电子显微镜(TEM)直接观察未切片藻细胞,CuO ENPs作用下胞外多聚物层增厚。在距离藻细胞壁≥100nm的CuO ENPs的结构无改变,而在细胞壁处的ENPs是以小于3nm的CuO ENPs为主,确定了CuO ENPs结构变化发生在距离细胞壁100nm以内。(5)通过加入内吞抑制剂,藻细胞内置化的Cu含量减少了26%,因此内吞作用是ENPs跨膜的方式之一,而在TEM观察中,我们也发现了ENPs以内吞形式进入藻细胞的现象。(6)CuO ENPs处理下,藻细胞出现质壁分离现象,叶绿体光合片层出现断裂,细胞核核膜破坏。CuO ENPs在蛋白核小球藻中主要是以小于3nm的CuOENPs形式存在,并且以单个或者几个颗粒聚集的形式分散于藻细胞质、细胞核、叶绿体片层中;ENPs主要以团聚体形态存在于膜结构中。(7)藻细胞胞内额外活性氧自由基ROS的产生积累会导致氧化胁迫,使细胞膜稳定性降低,ROS的过量会诱导线粒体膜电位下降,藻细胞进入凋亡过程。因此,CuO ENPs进入细胞造成胞内ROS积累,进而导致过氧化损伤能是CuOENPs对蛋白核小球藻的重要致毒机制。
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