球形与立方体纳米银对斜生栅藻毒性差异研究_李海波.pdf

华南师范大学学报(自然科学版)Journal of South China Normal University(Natural Science Edition)2022，54(6):6875doi:106054/jjscnun2022087收稿日期:20210929华南师范大学学报(自然科学版)网址:http:journalnscnueducn基金项目:国家重点研发计划项目(2019YFC1803804);中央高校基本科研业务费重点项目(N2001012);国家大学生创新培训计划项目(200048)*通信作者:李海波，Email:lihaibo mailneueducn球形与立方体纳米银对斜生栅藻毒性差异研究李海波*，柴睿，邓宁灿，杨悦(东北大学资源与土木工程学院，沈阳 110819)摘要:不同形貌的纳米银(Silver Nano Particles，AgNPs)对初级生产者斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)的毒性是否具有差异，目前还不清楚。为揭示斜生栅藻暴露于不同形貌的纳米银条件下的毒性效应，本研究分别在 0、5、10、15、20 mg/L条件下将球形纳米银(Silver Nano Spheres，AgNSs)和立方体纳米银(Silver Nano Cubes，AgNCs)暴露于斜生栅藻，并观测受试生物的生理生化响应。结果表明 AgNSs 暴露和 AgNCs 暴露对斜生栅藻均有明显毒性效应，表现为光合系统损伤和酶应激反应:(1)暴露 1248 h 条件下，各处理组的叶绿素 a 的质量浓度均显著降低，但存在较大差异;当 AgNSs 的质量浓度达到 10 mg/L 时，才能对叶绿素 a 产生明显抑制作用，且当 AgNSs 的质量浓度大于10 mg/L后，抑制作用保持稳定;而AgNCs 的质量浓度仅为5 mg/L 时就能显著抑制叶绿素a，当质量浓度为20 mg/L时抑制效应有所缓解。(2)AgNSs、AgNCs 暴露下的典型酶应激反应存在差异:AgNSs 的活性氧(OS)含量显著低于AgNCs 的;AgNSs 和 AgNCs 的质量浓度15 mg/L 时，AgNSs 的戊二醛(MDA)含量高于 AgNCs 的;AgNSs 和 AgNCs的质量浓度15 mg/L时，AgNSs 的戊二醛(MDA)含量低于 AgNCs 的;AgNSs 和 AgNCs 的质量浓度5 mg/L 时，AgNSs 的超氧化物歧化酶(SOD)活性保持稳定，AgNCs 的超氧化物歧化酶(SOD)活性呈下降趋势。(3)AgNSs 和AgNCs 引起的典型酶应激反应差异与二者粒径、比表面积、几何形状相关。本研究结果可为水环境中纳米银排放控制提供基础数据。关键词:球形纳米银;立方体纳米银;斜生栅藻;应激反应;毒性效应中图分类号:X1715文献标志码:A文章编号:10005463(2022)06006808Study on the Toxicity Difference Between Spherical andCubic Silver Nanoparticles to Scenedesmus ObliquusLI Haibo*，CHAI ui，DENG Ningcan，YANG Yue(School of esources and Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China)Abstract:It is not clear whether the Silver nanoparticles(AgNPs)with different morphologies have different toxi-city to Scenedesmus Obliquus In order to reveal the toxic effects of Scenedesmus Obliquus exposed to different mor-phologies of silver nanoparticles，Silver Nano Spheres(AgNSs)and Silver Nano Cubes(AgNCs)were exposed tothe algae at 0，5，10，15 and 20 mg/L respectively，observing the physiological and biochemical responses of thetested organisms The results showed that the exposure of AgNSs and AgNCs both had significant toxic effects onScenedesmus Obliquus，which showed damage of photosynthetic system and enzyme stress reaction:(1)Under 1248 h exposure，mass concentration of Chlorophyll a in all treatment groups decreased significantly，but there werealso obvious differences When the AgNSs concentration reached 10 mg/L，the Chlorophyll a inhibitory effect couldbe significantly produced，and when the AgNSs concentration was greater than 10 mg/L，the inhibitory effectremained stable While AgNCs significantly inhibited Chlorophyll a when the concentration was only 5 mg/L，andthe inhibition effect was alleviated at 20 mg/L(2)There are differences in typical enzyme stress responses betweenAgNSs and AgNCs exposure:The content of eactive Oxygen Species(OS)was significantly lower than that of thelatter The malondialdehyde(MDA)content of AgNSs was higher when the mass concentration of AgNSs and AgNCswere less than 15 mg/L，and the results were opposite when mass concentration of AgNSs and AgNCs were more than15 mg/L The superoxide dismutase(SOD)activity of the former remained stable while that of the latter decreasedwhen the mass concentration of AgNSs and AgNCs were above 5 mg/L(3)The difference of typical enzyme stressresponse between AgNSs and AgNCs was related to particle size，specific surface area and geometric shape Theresults of this study can provide basic data for the emission control of silver nanoparticles in water environmentKeywords:silver nanosphere(AgNSs);silver nanoscube(AgNCs);Scenedesmus Obliquus;stress response;to-xic effect金属及氧化物纳米材料一般都具有细胞毒性，毒性大小决定于纳米材料的质量浓度、形状、表面电荷性质等1。纳米银(Nano Silver Particles，AgNPs)通过生产、处置和排放等各个过程进入环境而导致直接或潜在的生物毒性的情况已被大量报道2。存在于水体中的 AgNPs 可能因物理、化学和生物等作用而转化/降解，并且纳米材料之间会发生团聚与分散的行为，甚至发生形貌转化，进而影响其环境归趋及迁移转化，并最终深刻影响其生物毒性3。而元素的不同形态在很大程度上影响着它们的毒性强弱，其形态的不同使机体对元素的吸收、分布、排泄产生很大差异，生物效应和致毒作用也不同4。大量研究表明:即使纳米材料的组成元素相同，但是其形貌、尺寸的差异也会对其生物学效应产生较大影响5:石墨烯纳米片的尺寸是影响其毒性的一个重要因素6;三氧化钨(WO3)纳米棒的尺寸效应影响其对肝脏和肾脏的毒性效应7;棒状纳米氧化铝对大鼠脑星形胶质细胞毒性的影响作用明显强于片状纳米氧化铝8。同时，制备所得的纳米银的形状、尺寸和聚集度等理化性质存在一定差异，不同的合成流程对纳米银的理化性质也有很大影响，而理化性质又直接影响其毒性911。虽然AgNPs可致生物毒性已获学界共识，如 HE 等12 证实 AgNPs 会对藻类生长产生影响，DAVID 和 AB-DALLAH13 认为 AgNPs 抑制藻类的光合系统。但AgNPs 形态与毒性效应之间的关系尚不十分清楚，其致毒的诱导途径、传递路径、分子过程及解毒机制均与其微观形态有关。为此，本文拟对比球形 AgNPs(Silver nano-sphere，AgNSs)和立方体 AgNPs(Silver nanoscube，AgNCs)对斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)的毒性效应差异，包括对藻密度、叶绿素 a(Chlorophyll a)的质量浓度、活性氧(OS)含量、丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响，以期为 AgNPs排放控制提供基础数据。1材料与方法11实验材料斜生栅藻(Scenedesmus obliquus):购自中国科学院淡水藻种库(FACHB)，标号(FACHB417)。在进行暴露实验前将斜生栅藻培育至对数生长期，并在培育过程中将其在 680 nm 处的 UVVis 的光密度值(A680)与对应的藻密度拟合得到关系曲线。AgNPs:实验室自制。12实验方法1212 种形貌的 AgNPs 的制备及表征参考并改良刘锦涛等14 的制备方法，得到 AgNSs 和 AgNCs:以银氨溶液为前驱体、聚乙烯吡络烷酮(PVP)溶液为保护剂、葡萄糖溶液为还原剂，在一定条件下制备得到 AgNSs;将硝酸银溶液为前驱体、PVP 溶液为保护剂、葡萄糖溶液为还原剂，并以氯化镁溶液为刻蚀剂，利用氧化还原反应制备得到 AgNCs。将制备所得的 AgNSs 和 AgNCs 在波长为 200600 nm 的区间进行紫外分光光度计(HACH D6000，USA)分析，并通过场发射扫描电子显微镜(FESEM，Carl ZeissAG，ULTAPLUS)表征形貌和粒径。122暴露实验方法KIM 等15 的研究表明 Ag-NPs 能抑制大肠杆菌和枯草芽孢杆菌菌落的生长，且质量浓度为 10 mg/L 的 AgNPs 对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的菌落形成有明显抑制效应。因此，本次实验中的 AgNPs 的质量浓度梯度的中间值设为10 mg/L。取处于对数增长期的斜生栅藻，在无菌环境下接种至 BG11 培养基16 中进行扩大培养;然后参