溶解有机质影响下CuO纳米颗粒对铜绿微囊藻的致毒机制

论文摘要

随着纳米技术的飞速发展,大量的纳米产品应运而生。然而,在这些纳米产品的生产、使用和处置等过程中,人工纳米颗粒（Engineered nanoparticles,ENPs）难免会进入环境,最终通过工业废水排放、雨水沉降和地表径流等方式进入水体。由于ENPs自身具有极其微小的粒径、较大的比表面积、表面含有大量活性位点等特殊的物理化学性质,使其暴露于环境中就会对生物甚至整个水生生态系统造成巨大的潜在危害。ENPs在自然水体中的环境行为很复杂,溶解有机质（DOM）、pH和离子强度等水化学条件均会影响ENPs的水化学过程,进而影响ENPs的生物可利用性。本研究拟以淡水水体中典型藻类-铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）作为受试生物,系统研究水体中DOM影响下,ENPs对藻类的毒性效应及其致毒机理。主要研究结果如下:本研究比较了含DOM与不含有DOM的水体中CuO ENPs对铜绿微囊藻的毒性效应,结果表明,在池塘水(TOC浓度:26 mg C L-1)培养基中的CuO ENPs对铜绿微囊藻的生长抑制作用明显高于在蒸馏水培养基中的抑制作用。进而通过外加DOM模拟自然水体的试验发现,加入20 mg L-1富里酸（SRFA）显著降低了CuO ENPs的72 h半效应致死浓度(EC50,0.48 mg L-1),增加了CuO ENPs的生物毒性。这是由于:①SRFA促进了CuO ENPs中Cu2+的释放,离子毒性增强;②SRFA增加了CuO ENPs在水体中的悬浮稳定性,降低了CuO ENPs的聚集,从而增加了CuO ENPs与藻细胞接触及进入细胞的机会。通过高分辨透射电子显微镜（HRTEM）对藻细胞内具有高电子密度的团聚体进行分析,首次发现小于5 nm的CuO ENPs可以通过细胞壁孔径接触到原生质体,后主要通过内吞方式跨过细胞膜进入细胞,而且进入胞内的ENPs主要为Cu2O ENPs,这是CuO ENPs在胞内还原环境及细胞内酶类的作用下还原得到的结果。进入藻细胞后的CuO ENPs会不断聚集在细胞中的某些位点上。通过分析藻细胞胞内积累额外活性氧自由基（ROS）及DNA损伤的动态变化,可以初步断定ROS的累积可以导致DNA的损伤。ROS的产生及DNA损伤会造成细胞膜的破坏,最终导致藻细胞的死亡。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CuO ENPs对M. aeruginosa的重要致毒机制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0 前言
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 ENPs 的定义、种类及应用
• 1.3 ENPs 在水环境中的行为
• 1.3.1 水体ENPs 的来源
• 1.3.2 ENPs 在水体中存在形式对纳米毒性的影响
• 1.3.3 DOM 与ENPs、藻类的相互作用
• 1.3.3.1 DOM 对ENPs 水体行为的影响
• 1.3.3.2 DOM 与藻类的相互作用
• 1.4 ENPs 对藻类毒性效应研究进展
• 1.4.1 ENPs 对藻类生长的影响
• 1.4.2 ENPs 对藻类致毒机理研究进展
• 1.4.2.1 藻细胞对ENPs 的摄取
• 1.4.2.2 氧化损伤
• 1.4.2.3 金属离子毒性
• 1.4.2.4 ENPs 的遮蔽效应
• 1.4.2.5 ENPs 性质以及官能团的毒性作用
• 1.4.3 生物对ENPs 的作用
• 1.5 研究目的与内容
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 研究内容
• 1.5.3 研究技术路线
• 2 CuO ENPs 的表征
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 材料
• 2.2.2 实验方法
• 2.2.3 分析测定方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.4 小结
• 3 不同水环境下 CuO ENPs 对铜绿微囊藻生长抑制效应
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 材料
• 3.2.2 实验方法
• 3.2.3 分析方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 自然水体与实验室水体中CuO ENPs 对铜绿微囊藻毒性比较
• 3.3.2 DOM 对CuO 纳米毒性的影响
• 3.4 小结
• 4 CuO ENPs 对铜绿微囊藻毒性机理的初步研究：DOM 的作用
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 材料
• 4.2.2 实验方法
• 4.2.3 分析测定方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 CuO ENPs 对藻类产生的遮蔽效应
• 4.3.2 DOM 对纳米颗粒悬浮液稳定性以及粒径大小的影响
• 4.3.3 CuO ENPs 解离Cu2+效应
• 4.3.4 细胞内、细胞壁Cu 的分布
• 4.3.5 ENPs 对藻细胞形态及亚显微结构的影响与ENPs 在藻细胞内的分布
• 4.3.6 藻细胞对纳米颗粒的摄取、跨膜方式
• 4.3.7 铜绿微囊藻细胞内ROS 的变化以及DNA 损伤
• 4.3.8 ENPs 对藻细胞膜稳定性的影响
• 4.4 小结
• 5 结论、创新之处与展望
• 5.1 结论
• 5.2 创新之处
• 5.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果