多环境因素影响下纳米炭黑对蛋白核小球藻的毒性效应

编号：YYHY01001

篇名：多环境因素影响下纳米炭黑对蛋白核小球藻的毒性效应

作者：杜若锦

关键词： 纳米炭黑; 光转化; 藻类毒性; 环境因素; 碳氮同化;

机构： 江南大学

摘要： 纳米炭黑(Nano carbon black,CB)是一种广泛应用于橡胶、涂料、油墨等领域的碳基纳米材料(Carbon-based nanomaterials,CNMs),特别是以轮胎中主要添加剂的形式存在。在轮胎的生产和使用过程中,通过机械磨损的方式释放出的CB不可避免的进入水体环境中,进而对生态环境产生潜在威胁。然而,目前关于CB对水生生物毒性的研究仍相对较少,且CB在水环境中的生物可利用性是受多种环境因素和环境行为所综合调控。因此,开展多环境因素介导下CB对水生生态毒性的研究至关重要。基于此,本文聚焦于CB在内陆湖泊中的污染问题,尤其是多环境因素介导下的毒性和行为,重点考察了六个主要环境因素(温度、光照强度、电导率(EC)、pH、溶解性有机物(DOM)和悬浮矿物颗粒(ISS))对CB和TCB藻类毒性的联合效应。探讨了CB的光转化过程与机制,及其光转化前后对蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)的毒性效应。主要研究结果如下: (1)CB在模拟太阳光照射下能够发生光化学转化。X射线光电子能谱、拉曼光谱、X射线衍射结果表明,模拟太阳光照射15 d后CB发生了光氧化,且主要光转化过程在第7 d完成。光转化后的CB(TCB)表面含氧量增加了0.12,ID/IG增加15.8%,位于2θ=25o的特征峰发生明显蓝移。CB对蛋白核小球藻的72 h半数有效浓度为23.4 mg/L。环境相关浓度下(1 mg/L),CB对蛋白核小球藻的毒性效应显著高于其他CNMs(包括还原型氧化石墨烯、富勒烯、碳纳米管、纳米塑料),表明水环境中CB的环境风险需引起关注。环境相关浓度下,TCB的藻毒性是CB的1.64倍,表明光转化显著增加了CB对藻细胞的毒性效应。 (2)非靶向代谢组学结果表明,TCB抑制蛋白核小球藻细胞的碳氮同化作用,且其抑制作用比CB强13.2%-53.7%。TCB和CB暴露于蛋白核小球藻后,其中的核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶含量分别显著降低了14.7%和22.6%,藻细胞的脂质含量分别显著降低了18.4%和12.9%,TCB处理组中藻细胞的GS活性比CB处理组显著降低了32.3%,蛋白质含量比对照组低28.1%,TCB处理组中谷胱甘肽和超氧化物歧化酶的含量也降低了12.1%-27.4%。藻细胞膜损伤与氧化应激结果表明,与生长抑制结果相符,仍是TCB>CB>处理组。TCB暴露于蛋白核小球藻后,胞内的活性氧水平是CB的1.78倍,丙二醛含量是CB的1.67倍。异质聚集实验表明,CB与藻细胞之间的异相团聚(△ODplateau:0.110)大于TCB与藻细胞之间的异相团聚(△ODplateau:0.019),这是因为光转化增强了CB的表面负电荷和氧含量,进而增强了静电排斥并减少了与带负电荷藻细胞的疏水相互作用。自由基实验表明,经紫外光照射7 d后的CB均能产生羟基自由基、单线态氧和超氧阴离子,黑暗条件下则不产生以上几种自由基,表明光照在自由基的产生中起着至关重要的作用。营养物质耗竭实验表明,藻细胞的生长未受影响,表明营养物质耗竭不是CB和TCB诱导蛋白核小球藻毒性的主要机制。 (3)不同的环境因素对CB和TCB的毒性有显著影响。通过全因子实验设计(128组实验),系统地探讨了多种环境因素对CB及TCB对蛋白核小球藻毒性的影响。实验结果表明,温度和EC对CB的毒性表现出显著的调控作用,而EC、光照强度、DOM和ISS对TCB的毒性具有显著影响。这些环境因素通过复杂的相互作用,共同影响CB和TCB在自然水体中的毒性表现。实验进一步揭示了CB和TCB在太湖中的毒性具有显著的区域分布特征,在太湖的32个采样点中,TCB的毒性普遍高于CB,尤其是在太湖中心区域和东南部区域。上述结果表明,TCB在自然水生生态系统中具有更高的环境风险。 综上,本文揭示了光转化和环境因素调控下CB对天然内陆湖泊中浮游植物的毒性效应,加强了对颗粒态新兴污染物行为的理解,为评估CB在水生生态系统中的环境风险提供了理论依据。