纳米银对海洋微藻的环境效应及其毒性机制研究

发布时间：2017-04-18 16:09

  本文关键词：纳米银对海洋微藻的环境效应及其毒性机制研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：纳米银(AgNPs)有着独特的抗菌特性和光学导电性,广泛应用于医疗、电子、涂料和其他消费品。AgNPs大规模商业化应用增加了它进入水环境的机会,带来潜在的水体污染问题。AgNPs在环境中不易降解,是潜在的持久性污染源。河口近岸是AgNPs释放的重要归趋地,研究AgNPs对河口近岸生态环境健康和安全的影响有重要的环境意义。藻类是水生生态系统的主要初级生产者,其健康状况对维持水生生态系统结构和功能的稳定具有重要意义。中肋骨条藻和东海原甲藻是河口近海水域广泛分布的两种赤潮微藻,初期探索试验发现急性暴露条件下中肋骨条藻对AgNPs更敏感。本研究主要以中肋骨条藻为模式生物,系统研究了AgNPs对海洋硅藻的急性毒性效应及其可能的作用机制,旨在为AgNPs的生态毒性和风险评估提供科学依据。粒径和包裹物是AgNPs的两个重要理化特性,本论文研究比较了3种不同粒径和包裹物的AgNPs对中肋骨条藻的毒性效应。研究结果显示,AgNPs对中肋骨条藻的生长抑制作用表现出明显的剂量效应关系,其毒性大小依次为10nm油胺包裹的AgNPs (10nm-OA) 10 nm聚乙烯毗咯烷酮(PVP)包裹的AgNPs (10nm-PVP) 20 nm PVP包裹的AgNPs (10nm-OA)。此外,小粒径的AgNPs显著诱导光系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心蛋白基因(D1)下调表达,说明AgNPs粒径越小对中肋骨条藻的细胞毒性越大。动态光散射(DLS)数据表明10nm-PVP水动力粒径略大于10 nm-OA,包裹物通过影响AgNPs在水环境中的稳定性间接影响AgNPs的毒性。另外,油胺包裹的AgNPs比PVP包裹的AgNPs诱导藻细胞累积过多的活性氧(ROS),说明PVP比油胺更能降低AgNPs的生物毒性。在发现AgNPs对海洋微藻的生态效应的基础上,深入研究了10 nm油胺包裹的AgNPs对中肋骨条藻光合作用的影响及毒性作用机制。急性毒性研究表明AgNPs对中肋骨条藻有明显的生长抑制效应,EC50和EC10分别为25.77 mg/L和0.048 mg/L。0.5mg/L AgNPs处理组显著诱导藻细胞内ROS的含量增加了122%,而相应的细胞存活率则显著减少了28%。藻细胞存活率与细胞内ROS的含量呈负相关关系,说明ROS介导的氧化损伤可能是AgNPs对藻类的一种毒性途径。扫描电镜(SEM)显示吸附在藻细胞表面的AgNPs可能阻碍藻类对光的吸收,进而影响细胞内油脂和蛋白质等生物大分子的含量。在0.5 mg/L AgNPs胁迫下,藻细胞的PSⅡ叶绿素荧光参数Fv/Fm和NPQ分别降低了13%和19.5%,说明AgNPs显著抑制了光能量转化为光合电子的传递过程。此外,5 mg/L AgNPs显著诱导PSⅡ捕光蛋白基因3HfcpB和反应中心蛋白基因D1下调表达(P0.05),说明光合作用关键基因调控可能是AgNPs对藻类的光合作用效应的一个作用机制。基于上述研究,AgNPs对藻类的物理粘附和遮蔽效应可能会影响其光子传递系统和PSⅡ关键蛋白功能的损伤。AgNPs和银离子对海洋硅藻的光合作用抑制效应明显不同,有待进一步研究。这项研究表明,高浓度的AgNPs可能对浮游植物群落演替和水生生态系统平衡产生负面影响。AgNPs的毒性不仅与自身粒径大小、包裹物类型等理化参数有关,还会随环境介质和环境条件的影响而发生变化。由于AgNPs已经存在于许多水域生态系统,它与其他类型污染物在水环境中共存对水生生物产生复合污染毒性。本研究初步研究了铜和四环素这两类常见污染物分别与AgNPs共存时,复合污染对藻类的毒性效应及联合作用类型。AgNPs和铜对藻类毒性的联合作用类型先表现为协同作用,随着暴露时间延长表现为拮抗作用；而AgNPs和四环素对藻类毒性的联合作用类型为协同作用。此外,AgNPs对海洋微藻群落影响的初步研究表明,微藻群落受多种因素影响而且富磷水体能够减小AgNPs的毒性。基于上述研究,我们发现AgNPs的毒性不仅与粒径和包裹物相关,还与水环境离子强度和磷污染水平有关。此外,ROS介导的氧化损伤和光合作用关键基因调控是AgNPs对藻细胞可能的毒性作用机制。本研究还揭示了AgNPs对微藻具有多层次的毒性影响,这将最终对水生生态系统产生潜在的生态风险。
【关键词】：纳米银 海洋微藻 粒径 包裹物 急性毒性效应 毒理机制 复合毒性效应
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X171.5
【目录】：

• 摘要7-9
• ABSTRACT9-19
• 缩略词19-20
• 实验仪器20-21
• 第1章 绪论21-40
• 1.1 新型污染物的研究现状21-23
• 1.2 纳米银的水生生态毒理研究进展23-29
• 1.2.1 纳米银的来源及分布23-24
• 1.2.2 纳米银及银的环境浓度24-28
• 1.2.3 纳米银的迁移转化行为28-29
• 1.3 纳米银对水生生物毒性效应的主要影响因素29-36
• 1.3.1 粒径和包裹物对纳米银毒性的影响29-30
• 1.3.2 纳米银毒性与环境因子的关系30
• 1.3.3 纳米银对水生生物的毒性效应研究进展30-36
• 1.4 纳米银对藻类毒性效应及作用机制的研究进展36-38
• 1.4.1 氧化应激损伤36
• 1.4.2 光合作用相关毒性36-37
• 1.4.3 生物累积毒性37
• 1.4.4 纳米银毒性来源37-38
• 1.5 本研究的目的、内容和意义38-40
• 第2章 纳米银对海洋微藻的毒性效应研究40-52
• 2.1 引言40-41
• 2.2 材料与方法41-45
• 2.2.1 实验仪器与试剂41
• 2.2.2 人工海水配制41-42
• 2.2.3 藻种培养42-43
• 2.2.4 纳米银的表征43
• 2.2.5 硅藻和甲藻的生长特性43-44
• 2.2.6 急性毒性试验设计44
• 2.2.7 藻细胞存活率的检测44
• 2.2.8 藻细胞内活性氧(ROS)含量的检测44
• 2.2.9 数据分析44-45
• 2.3 结果45-51
• 2.3.1 纳米银的透射电镜(TEM)表征45-46
• 2.3.2 纳米银的动态光散射(DLS)表征46-47
• 2.3.3 硅藻和甲藻的生长曲线47-48
• 2.3.4 纳米银对硅藻甲藻细胞存活率的影响48-49
• 2.3.5 纳米银对硅藻甲藻细胞内ROS含量的影响49-51
• 2.4 讨论51
• 2.5 小结51-52
• 第3章 粒径和包裹物对纳米银在海洋微藻中的毒性影响52-67
• 3.1 引言52-53
• 3.2 材料与方法53-56
• 3.2.1 实验仪器及主要试剂53
• 3.2.2 纳米银的透射电镜表征53
• 3.2.3 纳米银的扫描电镜表征53-54
• 3.2.4 纳米银的DLS表征54
• 3.2.5 藻细胞形态观察54
• 3.2.6 藻细胞存活率54
• 3.2.7 藻细胞内ROS含量检测54
• 3.2.8 叶绿素a含量测定54
• 3.2.9 光合作用相关基因表达分析54-56
• 3.2.10 数据分析56
• 3.3 结果56-64
• 3.3.1 纳米银的透射电镜表征56
• 3.3.2 纳米银的扫描电镜表征56-57
• 3.3.3 纳米银的DLS表征57-59
• 3.3.4 纳米银粒径和包裹物对藻细胞存活率的影响59-60
• 3.3.5 纳米银粒径和包裹物对藻细胞形态的影响60-61
• 3.3.6 纳米银粒径和包裹物对藻细胞内ROS含量的影响61-62
• 3.3.7 纳米银粒径和包裹物对藻细胞叶绿素a含量的影响62-63
• 3.3.8 纳米银粒径和包裹物对藻细胞光合作用基因表达的影响63-64
• 3.4 讨论64-66
• 3.4.1 粒径对纳米银在海洋硅藻中的毒性影响64-65
• 3.4.2 包裹物对纳米银在海洋硅藻中的毒性影响65-66
• 3.5 小结66-67
• 第4章 纳米银对海洋硅藻的生长抑制效应67-74
• 4.1 引言67
• 4.2 材料与方法67-68
• 4.2.1 实验仪器与试剂67
• 4.2.2 急性暴露实验设计67-68
• 4.2.3 纳米银毒性效应浓度统计68
• 4.2.4 藻细胞存活率68
• 4.2.5 藻细胞内ROS含量检测68
• 4.2.6 数据分析68
• 4.3 结果68-72
• 4.3.1 纳米银对藻细胞的生长抑制浓度EC50和EC1068-70
• 4.3.2 纳米银对藻细胞存活率的影响70-71
• 4.3.3 纳米银对藻细胞内ROS含量的影响71-72
• 4.4 讨论72-73
• 4.5 小结73-74
• 第5章 纳米银对海洋硅藻细胞结构和代谢的影响74-84
• 5.1 引言74
• 5.2 材料方法74-78
• 5.2.1 实验仪器及主要试剂74-75
• 5.2.2 藻细胞形态学观察与记录75
• 5.2.3 藻细胞扫描电镜(SEM)样品制备75
• 5.2.4 还原糖含量测定75-77
• 5.2.5 总蛋白含量测定77
• 5.2.6 油脂含量测定77-78
• 5.2.7 数据分析78
• 5.3 结果78-82
• 5.3.1 纳米银对藻细胞形态的影响78-79
• 5.3.2 藻细胞形态的扫描电镜(SEM)及能谱(EDX)分析79-81
• 5.3.3 纳米银对藻细胞糖、油脂和蛋白质含量的影响81-82
• 5.4 讨论82-83
• 5.4.1 纳米银对海洋硅藻细胞结构的影响82-83
• 5.4.2 纳米银对海洋硅藻代谢的影响83
• 5.5 小结83-84
• 第6章 纳米银对海洋硅藻光合作用的分子毒性机制84-94
• 6.1 引言84-85
• 6.2 材料与方法85-87
• 6.2.1 实验仪器和主要试剂85
• 6.2.2 急性暴露实验设计85-86
• 6.2.3 叶绿素a含量测定86
• 6.2.4 叶绿素荧光参数测定86
• 6.2.5 光合作用相关基因表达分析86-87
• 6.2.6 数据分析87
• 6.3 结果87-90
• 6.3.1 纳米银对藻细胞叶绿素a含量的影响87-88
• 6.3.2 纳米银对藻细胞叶绿素荧光参数的影响88-89
• 6.3.3 纳米银对藻细胞光合作用关键蛋白基因表达的影响89-90
• 6.4 讨论90-93
• 6.5 小结93-94
• 第7章 纳米银在海洋硅藻细胞内的生物累积机制94-100
• 7.1 引言94-95
• 7.2 材料方法95-96
• 7.2.1 实验仪器及主要试剂95
• 7.2.2 急性暴露实验设计95
• 7.2.3 纳米银溶液中银离子释放量的测定95
• 7.2.4 藻细胞内总银含量的测定(ICP-MS)95-96
• 7.2.5 生物浓缩因子(BCF)计算96
• 7.2.6 数据分析96
• 7.3 结果96-98
• 7.3.1 纳米银溶液中自由银离子的含量96-97
• 7.3.2 纳米银和银离子在藻细胞内的生物累积机制97
• 7.3.3 藻细胞对纳米银和银离子的生物浓缩因子(BCF)97-98
• 7.4 讨论98-99
• 7.5 小结99-100
• 第8章 纳米银对海洋徽藻的环境效应初探100-110
• 第1节 纳米银与铜和四环素对海洋硅藻的联合毒性效应100-105
• 1.1 引言100
• 1.2 材料与方法100-101
• 1.2.1 实验仪器与试剂100-101
• 1.2.2 急性暴露实验设计101
• 1.2.3 藻细胞存活率101
• 1.2.4 数据分析101
• 1.3 结果101-104
• 1.3.1 纳米银和铜对海洋硅藻的联合毒性效应101-102
• 1.3.2 纳米银和四环素对海洋硅藻的联合毒性效应102-104
• 1.4 讨论104
• 1.5 小结104-105
• 第2节 纳米银和营养盐对海洋微藻群落的影响初探105-110
• 2.1 引言105
• 2.2 材料与方法105-107
• 2.2.1 实验仪器及主要试剂105-106
• 2.2.2 纳米银对不同营养盐条件下中肋骨条藻的暴露实验106
• 2.2.3 纳米银对混合培养藻群落的暴露实验106
• 2.2.4 数据分析106-107
• 2.3 结果107-109
• 2.3.1 纳米银对不同营养盐条件下中肋骨条藻细胞存活率的影响107-108
• 2.3.2 纳米银对混合藻群落结构的影响108-109
• 2.4 讨论与展望109-110
• 第9章 结论与展望110-114
• 9.1 纳米银对藻类的生长抑制效应110
• 9.2 纳米银的粒径效应和包裹物效应110-111
• 9.3 纳米银对藻类的毒性效应及作用机制111
• 9.4 纳米银的联合毒性及其对海洋微藻群落的影响111-112
• 9.5 纳米银对水生生态系统的潜在毒性危害112
• 9.6 研究展望112-114
• 参考文献114-126
• 硕士在读期间发表的论文126-127
• 硕士在读期间参与的主要科研项目127-128
• 致谢128

【参考文献】

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  本文关键词：纳米银对海洋微藻的环境效应及其毒性机制研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：315242