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纳米银对水生植物的毒性机制及其生态效应

江红生  
【摘要】:纳米银(AgNPs)广泛应用于医疗设备、抗菌除臭产品和其他抗菌商品中。含有AgNPs的产品在生产、运输、消费和废弃的过程中,AgNPs会不可避免的释放到自然环境中。水生态系统是AgNPs在自然界中重要的汇之一。AgNPs的输入是否会加剧正在经历污染及富营养化过程的水生态系统结构的改变和功能的丧失。本研究选用了生态毒理学中常用的模式种:高等水生植物紫萍(Spirodela polyrhiza)和低等水生植物绿藻莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)探究在实验室纯培养条件下AgNPs对水生植物的毒性大小及毒性机制。另外构建含有底泥、水体、黑藻(Hydrilla verticillata)、萝卜螺(Radix spp)和食蚊鱼(Gambusia affinis)的水生态系统微宇宙(microcosm)探究AgNPs对水生态系统的长期影响。研究结果表明0-10 mg/LAgNPs处理后,紫萍组织内活性氧(ROS)的积累、抗氧化酶活和抗氧化物质活性的增都具有浓度依赖效应。10 mg/L AgNPs处理导致紫萍叶绿体结构发生了改变,叶绿体膜系统解体,积累淀粉粒,叶绿体可能是AgNPs诱导ROS或AgNPs在植物细胞内作用的目标之一。进一步通过叶绿素荧光分析发现5和10 mg/L AgNPs能够显著改变紫萍叶绿素荧光参数,损伤光合反应中心。快速光曲线结果显示,AgNPs不仅抑制光合作用能力也降低紫萍在高光强下的自我保护能力。CO2固定的关键酶1,5-二磷酸核酮糖羧化酶(Rubisco)对AgNPs最为敏感,活性最易受到AgNPs的抑制。荧光显微照片显示ROS主要产生于紫萍的叶绿体。进入紫萍组织的AgNPs和银离子诱导紫萍产生ROS的能力相当。AgNPs处理同样导致莱茵衣藻细胞内叶绿体大量积累ROS,诱导藻细胞产生氧化胁迫。并且在光照条件下比黑暗条件下积累更多的ROS。荧光显微镜观察到ROS主要产生部位为叶绿体。细胞中糖代谢相关的酶活性显著受到AgNPs的抑制,其中卡尔文-本森循环中的Rubisco和3-磷酸甘油醛脱氢酶(GAPDH)对AgNPs最敏感。进入细胞内的AgNPs(或其释放的银离子)可能和细胞内蛋白质巯基(-SH)结合,导致酶活性的降低。酶反应中心含有巯基的GAPDH比反应中心不含巯基的苹果酸脱氢酶(MDH)的活性更容易受到AgNPs和银离子的抑制。质谱数据和圆二色谱显示银元素和蛋白质中的-SH结合,改变蛋白质二级结构,导致酶活性丧失。水生态系统微宇宙结果表明释放到水生态系统中的AgNPs主要沉积在表层底泥中,底泥是AgNPs在水生态系统中主要的汇。在90天的长期暴露试验中,生态系统中的浮游藻类、黑藻、螺和食蚊鱼的生物量和对照组没有显著差异,但是黑藻、螺和食蚊鱼体内都大量积累银元素(分别为:60、70和12 μg/g干重),Ag可能会通过食物链传递造成生态风险。底泥中硝化细菌Nitrospira相对丰度在AgNPs处理时显著减少,从而导致硝化速率的降低导致水生态系统硝化能力的降低,干扰氮循环。本研究主要从室内纯培养和模拟水生态系统两个方面探讨了 AgNPs对水生态系统的影响及其机制。研究结果表明:1、AgNPs可能进入植物细胞内,释放银离子和细胞内蛋白质的巯基相互作用,抑制卡尔文-本森循环,使光合电子传递链上的能量不能及时被固定导致ROS的积累,产生氧化胁迫。2、在水生态系统中表层底泥是AgNPs主要的汇,水生动植物大量积累银元素,可能具有通过食物链传递的风险。另外AgNPs导致底泥中硝化细菌丰度显著减少,从而影响水生态系统的氮循环,造成生态风险。


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