单细胞分析揭示银纳米颗粒在淡水藻体中的富集特征

来源 :云南大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chen_d031
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银纳米颗粒(Silver nanoparticles)是目前世界上产量最大、商业化应用最广泛的纳米材料,其排放至环境中会产生生物富集,对生态环境乃至人类健康构成潜在威胁。目前,纳米颗粒的生物富集研究都是以传统的元素定量测定为基础,忽略了纳米颗粒自身独特的理化特性(如小粒径效应)和不同细胞个体的特性(形态、大小),因而难以清楚阐释纳米颗粒在生物体内独特的富集特征和规律。为此,本研究采用单细胞-电感耦合等离子体质谱仪(Single-cell ICP-MS)技术,选择粒径为50 nm和70 nm的柠檬酸钠包被的纳米银(Ag NPs-50 nm,Ag NPs-70 nm)为代表,在单细胞水平揭示了纳米颗粒粒径、浓度、暴露时间和藻类自身形态特征对纳米银在藻细胞中的生物富集水平的影响。主要研究结果如下:(1)纳米颗粒的粒径主导了纳米银在普通小球藻(Chlorella vulgaris)细胞内的富集水平。在纳米银暴露的24 h、48 h、72 h阶段,大粒径Ag NPs-70 nm组单个藻细胞中纳米银的含量、含有纳米银的藻细胞数量/藻细胞总数(以下简称含纳米颗粒的藻细胞百分比值)均显著大于小粒径Ag NPs-50 nm组。随着暴露时间增加,Ag NPs-70 nm组单个藻细胞中纳米银含量也逐渐增加,其单细胞银含量从65068.61 ag/cell(24 h)增加至110099.45 ag/cell(72 h);Ag NPs-50 nm组单个藻细胞中纳米银含量先增加后下降,其单细胞银含量从11793.84 ag/cell(24 h)变化为17147.32 ag/cell(72 h);与此同时Ag NPs-70 nm组和Ag NPs-50nm组的含纳米颗粒的藻细胞百分比值从26.3%和16.1%(24 h)分别降低至6.9%和1.2%(72 h)。在无银培养基中的清除阶段(48 h),大粒径Ag NPs-70nm组单个藻细胞中纳米银的含量和含纳米颗粒的藻细胞百分比值仍显著大于小粒径Ag NPs-50 nm组。藻细胞数量在暴露和恢复期间呈现指数性增长的稀释效应,显著降低了含纳米颗粒的藻细胞百分比值。(2)在纳米银环境相关浓度水平,纳米颗粒浓度对普通小球藻内化和细胞富集纳米银水平不产生显著影响。首先,纳米银颗粒浓度并未显著影响24 h、48h和72 h时藻细胞对纳米银(Ag NPs-70 nm)的富集量。低浓度纳米银处理组(藻细胞数量/纳米颗粒数量=1:5)在24 h和48 h藻细胞中富集的银含量分别为47549.10 ag/cell和20767.39 ag/cell。高浓度处理组(藻细胞数量/纳米颗粒数量=1:10)在24 h和48 h藻细胞中富集的银含量分别为88536.69 ag/cell和31635.06 ag/cell。其次,普通小球藻中含纳米颗粒藻细胞数占细胞总数百分比随着暴露时间的延长呈递减趋势。低浓度(1:5)处理组和高浓度(1:10)处理组在24 h、48 h、72 h含纳米颗粒细胞数占细胞总数百分比分别为30.5%、13.7%、0.8%,和31.7%、14.3%、1.3%。总之,两个浓度处理组间藻细胞对纳米银的单细胞富集量和含纳米颗粒的藻细胞百分比值均不存在显著差异。(3)藻类形态显著影响藻细胞富集纳米银的水平。纳米银在三种淡水藻细胞(圆球形的普通小球藻(Chlorella vulgaris)、月牙形的近头状尖胞藻(Raphidocelis subcapitata)和椭圆形的椭圆小球藻(Chlorella ellipsoidea))中的富集含量主要受到藻细胞形态的影响。在暴露24 h,Ag NPs-70 nm在藻细胞内的富集规律为藻细胞表面积越大,银富集量越大,排序为:近头状尖胞藻>普通小球藻>椭圆小球藻。相对而言,Ag NPs-50 nm在藻细胞内的富集规律为藻体积越大,富集量越大,排序为:普通小球藻>近头状尖胞藻>椭圆小球藻。Pearson相关性分析表明,藻细胞表面积对Ag NPs-70 nm在藻细胞内的富集量影响最大,而比表面积(表面积/体积)对含纳米颗粒的藻细胞百分比值影响最大。藻细胞体积对Ag NPs-50 nm富集纳米银的能力影响最大,比表面积(表面积/体积)对含纳米颗粒的藻细胞百分比值影响最大。综上所述,本研究首次在单细胞水平揭示了纳米银在淡水藻细胞中的富集特征。纳米颗粒粒径和细胞形态主导了纳米银在藻细胞中的生物富集水平。本研究结果为阐明在单细胞水平上纳米颗粒与生物细胞的相互作用和生物富集特征提供了新的视野。
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