截止到2015年,全球累计生产了 83亿吨塑料。但是,所有生产的塑料中只有6-26%被回收利用,其余的最终被填埋或释放到环境。进入环境中的塑料,在多种非生物与生物作用下,会被分解成微塑料(<5 mm)甚至纳米塑料(<100 nm)。纳米塑料还来源于工业直接制造的纳米颗粒。这些纳米塑料能够穿透细胞膜并在生物体的组织和器官中蓄积,从而引发生理代谢紊乱、生长障碍、生殖适应能力下降甚至早期死亡。此外,纳米塑料能够吸附并富集水环境中的有机污染物,从而增加该复合体被暴露的生物吸收和累积速率,并通过食物链和纳米颗粒的远距离运输将复合体转移到其他环境中,从而对生态系统产生威胁。因此,纳米塑料在水环境中的生物效应已成为全球关注的问题。但是,当前的研究主要聚焦于纳米塑料对动物特别是海洋动物的影响。基于此,本论文根据水生生态系统中纳米塑料的环境行为和归趋,研究纳米塑料对典型水生微生物的生物效应和作用机制,为评估纳米塑料的生态环境效应以及其可能存在的环境风险提供基础数据。本论文的主要内容和结论如下:(1)解析了纳米塑料与污水处理厂中微生物聚集体的相互作用机制。通过活性污泥内源呼吸速率测定,发现纳米塑料对活性污泥的急性抑制作用随其浓度的增加而增强。胞外聚合物(EPS)在活性污泥与纳米塑料的相互作用中扮演着重要作用。X射线光电子能谱(XPS)结果表明,参与纳米塑料与EPS相互作用的官能团是羰基和酰胺基以及脂质或氨基酸的侧链。此外,傅立叶变换红外光谱(FTIR)结果表明,纳米塑料与EPS的结合降低β-转角和无规卷曲的相对丰度,增加了聚合链、β-折叠和α-螺旋的相对丰度,进而提高了活性污泥的生物絮凝能力。(2)明确了纳米塑料对细长聚球藻产生急性毒性作用的信号通路,拓展了从分子机制水平评估纳米塑料环境安全性的新方法。选取河流中主要初级生产者蓝藻的模式菌株—细长聚球藻为研究对象,通过不同电荷纳米塑料对细长聚球的急性毒性实验,发现带正电荷的氨基修饰的聚苯乙烯纳米塑料(PS-NH2)能显著抑制细长聚球藻的生长(EC50为3.81 μg/mL),而带负电荷的磺酸基修饰的聚苯乙烯纳米塑料(PS-S03H)浓度100μg/mL以下对其生长的影响是可忽略的。非靶向代谢组学分析表明,PS-NH2的暴露影响了烷基胺、氨基酸、碳水化合物、脂肪酸、脂类、核苷酸和有机酸类等代谢。代谢组学与基因编辑技术结合,发现谷胱甘肽代谢途径的紊乱与细胞膜的完整性的损害是纳米塑料造成蓝藻毒性的主要原因。(3)阐明了纳米塑料对铜绿微囊藻在翻译水平上的作用机制,筛选了微囊藻毒素(MC)合成与释放的关键蛋白。研究了纳米塑料对引发水华的优势藻种—铜绿微囊藻的生长、MC合成和释放的影响,发现短期暴露时,PS-NH2对铜绿微囊藻的生长抑制明显,藻体由正常绿色变为黄色。PS-NH2抑制作用在长期暴露后显著减弱,藻体逐渐恢复正常绿色,表明PS-NH2与铜绿微囊藻的相互作用是动态的。PS-NH2的短期和长期暴露均显著地促进了 MC合成和释放。而PS-S03H的短期暴露对MC释放率的影响可忽略不计。PS-NH2的暴露抑制铜绿微囊藻光系统II的效率,减少有机物的合成,诱导氧化应激。为提高种群的适应性,MC的合成配额会增加,从而促进MC的合成。同时,PS-NH2诱导了细胞膜破损和转运蛋白上调,进而促进了 MC的释放。通过权重基因共表达网络分析(WGCNA),发现有机物代谢过程与MC合成呈负相关,磷脂层合成与MC释放呈正相关,类囊体膜与捕光系统与MC释放呈负相关。(4)解析了在河口表层水中不同电荷纳米塑料吸附四环素的机理,评估了四环素与纳米塑料复合体对中肋骨条藻的联合毒性。发现在河口,盐度的变化加剧了纳米塑料的聚集。纳米塑料的稳定性不仅取决于周围环境,也受纳米塑料的本身特性的影响,特别是纳米塑料表面修饰的官能团。由于静电排斥、盐析作用和分配作用,随着盐度的增加,不同电荷的纳米塑料对四环素类抗生素的吸附能力增强。纳米塑料与四环素复合体对中肋骨条藻的生物学效应取决于该复合体表面的疏水性和电荷。