（环境科学专业论文）纳米tio2对黄型赤潮藻的毒性效应.pdf

关键词：纳米t i 0 2 ，r o s ，赤潮藻，电子传递链，氧化胁追 t o xicit ye f f e c t so f n a n o ti0 2o nre dtid eaig a e a b s t r a c t n a n o m a t e r i a l sa r ei n c r e a s i n g l y b e i n gu s e di ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o na sw e l la s t e x t i l e s , e l e c t r o n i c s ，p h a r m a c e u t i c s ，c o s m e t i c s ，a n de n v i r o n 【m e n t a lr e m e d i a t i o n a n d t h es e c u n t yp r o b l e mi sf o l l o w i n g ，w h i c hi s i ft h en a n o p a r t i c l e sh a v en e g a t i v ee f f e c t s o nt h eb i o l o g i c a l ，h u m a na n d e n v i r o n m e n t s n a n o m a t e r i a li su n i q u ei nt h ec h e m i c a l a n dp h y s i c a lp r o p e r t i e s ，s u c ha sh i g hs p e c i f i cs u r f a c ea r e a ，a b u n d a n tr e a c t i v e s i t e so n t h es u r f a c ea n dt i n ys i z e ，w h i c hc a n p o s eap o t e n t i a lh a z a r dt oo r g a n i s m st ot h ew h 0 1 e e c o s y s t e mn a n o m a t e r i a l sc a ne n t e ri n t ot h ea t m o s p h e r e ，s e d i m e n ta n dt h es e ai nt h e p 。o c e 8 so ft h ep r o d u c t i o n ，u s eo fp r o d u c t sb a s e do nt h en a n o t e c h n o l o g y t h ep a p e r s t u d l e st h et o x i c i t ye f f e c t so fn a n o t i 0 2o nr e dt i d e a l g a e ，i n c l u d i n gt h ec o n t e n to f c h l o r o p h y l l ，t h ec o n t e n to fh y d r o x y lr a d i c a l s ，h y d r o g e np e r o x i d ef r e er a d i c a l sa n d s u p e r o x i d er a d i c a l s ，t h ea c t i v i t yo fs o da n dc a t , a n df u r t h e rs t u d i e st h et o x i c i t v m e c h a n l s mo fn a n o t i 0 2o nr e dt i d ea l g a e ，d e t e r m i n et h er o s p r o d u c t i o ns i t eo rt h e t a r g e ts i t eo ft h en a n o t i 0 2 t h er e s u l t sw e r ep r e s e n ta sf o l i o w s ： t h ep a n i c l es i z eo f n a n o t i 0 2w a sl e s st h a n4 0 n mb yt r a n s m i s s i o ne l e c t r o n1 1 1 i c r o s c o d e a n dt h en a n o 。t i 0 2c a ni n t e ri n t ot h ea l g a ec e l l s n a n o t i 0 2h a v e s t o x i c i t ve f k c t so n b o t hg y m n o d i n i u mb r e v ea n ds k e l e t o n e m ac o s t a t u m a n d f e s p e c t i v e l yt h ee c 5 0i s9 7 m g 。l a n d7 37 m g l n a n o t i 0 2c a t lr e d u c et h ec o n t e n to f c h l o r o p h y l lo fr e dt i d e a l g a ec e l l s w i t ht h ei n c r e a s i n gc o n c e n t r a t i o no fn a n o t i t a n i u md i o x i d e ，t h ec o n t e n to fm d a d e c r e a s es i g n i f i c a n t l y , t h ea c t i v i t yo fs o d d e c r e a s e ss i g n i f i c a n t l y t h ea c t i v i t vo fc a t 1 n c r e a s e ss l g n i f i c a n t l y ，t h ec o n t e n to fh y d r o x y lr a d i c a l sa n dh y d r o g e np e r o x i d ef r e e r a d i c a l s1 n c r e a s e ss i g n i f i c a n t l ya n dt h ec o n t e n to fs u p e r o x i d er a d i c a l sd e c r e a s e si n g y m n o d i n i u mb r e v ec e l l s w h i l ew i t ht h ei n c r e a s i n gc o n c e n t r a t i o no fn a n o t i t a n i u m d l o x i d e ，t h ec o n t e n to fm d ad e c r e a s es i g n i f i c a n t l y , t h ea c t i v i t yo fs o di n c r e a s e s s i g n i f i c a n t l y , t h ea c t i v i t yo fc a td e c r e a s e ss i g n i f i c a n t l y , t h ec o n t e n to fh y d r o x v l r a d i c a l sa n dh y d r o g e np e r o x i d ef r e er a d i c a l si n c r e a s e ss i g n i f i c a n t l ya n d t h ec o n t e n to f s u p e r o x i d er a d i c a l sd e c r e a s e si ns k e l e t o n e m a c o s t a t u mc e l l 5 n a n o ，t i 0 2c a ng e n e r a t er o s i nr e dt i d ea l g a ec e l l s b u th o wg e n e r a t e sr o si nt h e c e l l s ? t h e r ew a sn o td e t e c t e dr o sa n dt i 4 + i nt h en a n o t i 0 2s u s p e n s i o n a n dt h e g r o w t ho fa l g a ec e l l sd on o tc h a n g eb e c a u s eo fs h a d i n ge f f e c t t h r o u g ht h ea d do f e l e c t r o n i ci n h i b i t o r s ( d i u r o n ，r o t e n o n e ，d i c o u m a r i n ) ，w es t u d yt h er o sp r o d u c t i o ns i t e o fn a n o t i 0 2o nt h ea l g a ec e i l s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t o n eo ft h em a i ns i t e so f n a n o t i 0 2o nt h ea l g a ec e l l si sc h l o r o p l a s t se l e c t r o nt r a n s p o r tc h a i n a n dt h r o u g ht h e s t u d yo fi l a n o t i 0 2o nt h ei s o l a t e dc h l o r o p l a s t s ，t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h ei s o l a t e d c h l o r o p l a s t si n d e e dg e n e r a t e sr o s k ey w ords ：n a i r l o t i 0 2 ，r o s ，r e dt i d ea l g a e ，e l e c t r o nt r a n s p o r tc h a i n ，o x i d a t i v e s t r e s s 纳米t i 0 2 对典型赤潮藻的毒性效应 0 前言 随着纳米科技的飞速发展，人工纳米材料在诸多方i 可应用广泛，例如纺织、 电子、医药、化妆品和环境保护等( n e le ta l ，2 0 0 6 ；d u n p h yg u z m a ne ta l 。2 0 0 6 ；t h e r o y a ls o c i e t y & t h er o y a la c a d e m yo fe n g i n e e r i n g ，2 0 0 4 ) 。0 5 年全球在纳米科技 上的投资达1 0 0 亿，而且预计在2 0 1 1 - 2 0 1 5 这5 年，在纳米相关产业的投资可达1 千 亿。2 0 1 0 年纳米颗粒的生产达至l j l 0 4 - 1 0 3 吨( n a v a r r oe ta l ，2 0 0 8 ) 。纳米材料在物 理化学性质方面有其独特性，具有表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应、宏观 量子隧道效应，对生物有毒性作用。人工纳米颗粒在生产、制造、磨损和处理的 过程中不可避免的进入环境，尤其是应用于环境修复中的纳米颗粒( 例如纳米 t i 0 2 等) 。2 0 0 3 年以来，许多学者都报道了纳米颗粒的潜在毒性，呼吁在高产量、 多行业利用人工纳米颗粒的同时，要加强纳米颗粒潜在毒性效应的研究。 海洋面积辽阔，直接或问接的受到各种物质的污染。纳米颗粒在水体中的行 为会影响到海洋生态系统的平衡以及生物链和生物网在生态系统中的地位( m a e ta l ，2 0 1 0 ；z h ue la l ，2 0 0 8 ) 。所以纳米材料对水资源的潜在毒性和环境效应受到 越来越多的关注。在海洋生态系统中，浮游植物属于生产者，是最基本的营养级， 其在海洋生态系统中的重要作用是显而易见的。浮游植物能够为其他营养级的生 物提供能量和氧气，对整个海洋生态系统的维系起关键作用。而以海藻为主的浮 游植物受到影响，其后果是难以估算的。所以，研究纳米二氧化钛对海藻的毒性 效应可以作为二氧化钛纳米材料对海洋环境影响评价的理论依据。本研究选择的 藻类是短裸甲藻和中肋骨条藻，都属于典型的赤潮藻。 已有研究表明纳米颗粒能够抑制藻类生长( v i l l e me ta l ，2 0 0 9 ；s t e l l ae la l ， 2 0 1 0 ；w a n ge la l ，2 0 0 8 ) 。虽然关于纳米颗粒对藻类的毒性效应的研究很多，但 足关于纳米颗粒对藻类的毒性机制的研究并不多。w a n ge la l ( 2 0 11 ) 研究了纳 米c u o 通过内吞作用进入细胞内产生r o s ，而且对d n a 产生损伤。但是关于 藻细胞内产生r o s 的主要位置目前尚无研究。本文主要研究了纳米t i 0 2 对典型 赤潮藻的毒性作用及其毒性效用的可能机制，且对于r o s 产生的主要位点，进 行了进一步的研究。 纳米t i o ! 刘典型赤潮藻的礴性效j 近 1 绪论 1 1 研究背景和意义 近年来，纳米科技飞速发展，如用作催化剂、传感器、涂层、药物载体、纺 织工业以及环保事业等。但是随之而来的是其安全问题，纳米颗粒是否对生物及 其环境有负效应。纳米产品在生产、使用和处理等过程中，能够进入到大气、沉 积物以及海洋中( b r a te ta l ，2 0 0 9 ；n o w a c ka n db u c h e l i ，2 0 0 7 ) 。纳米材料在物理 化学性质方面有其独特性，具有表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应、宏观量 子隧道效应，可能会给生物带来极大的安全隐患。目前，纳米颗粒对藻类( l i ne t a l ，2 0 0 9 a ；f r a n k l i ne ta l ，2 0 0 7 ；s a i s o ne la l ，2 0 10 ) 、植物( l i ne ta l ，2 0 0 9 b ；l i n $ g x i n g ，2 0 0 8 ；m ae ta l ，2 0 1 0 ) 、动物( c h e n g e ta l ，2 0 0 9 ；o b e r d o s t e r , 2 0 0 4 ) 和细菌 ( k a n ge ta l ，2 0 0 7 ；b r a y n e re la l ，2 0 0 6 ；s o t i r i o u 和p r a t s i n i s ，2 0 10 ) 的影响均有研 究。地球有7 1 被水覆盖，纳米颗粒在海洋中的行为会影响整个生态系统食物链 和食物网。海藻是海洋生态系统r t l 的生产者，在整个海洋生态系统中属于生产者 的位罟，一旦海藻的生存受到威胁，那么整个生态系统都将受到影响。本文研究 了t i 0 2 纳米颗粒对典型赤潮藻( 短裸甲藻和中肋骨条藻) 的毒性效应，而且迸 步研究纳米t i 0 2 对海藻的毒性机制，对纳米t i 0 2 的环境评价提供了依据，对保护 环境具有重大的意义。 1 2 纳米材料的定义、性质和应用 1 2 1 纳米材料的定义与性质 纳米科学与信息科学和生命科学并列，已经成为2 1 世纪的三大支柱科学。目 前对纳米材料的定义是：至少在一维空间内，粒径大小介于l 一1 0 0 n m 之间的颗粒 ( r o t e l l o ，2 0 0 3 ) 。纳米材料的土要特点就是尺寸小、精度高。纳米材料有其独特 的性质，例如比表面效应、小尺寸效应、界面效应和宏观量子效应等，这些效应 使得纳米体系的光、电、热、磁等的物理性质与常规材料不同，表现出很多新奇 特性。如光吸收显著增加，金属熔点降低，增强微波吸收等。人工纳米材料包括 纳米t i 0 2 对典型赤潮滦的毒性效胁 碳基材料( 碳纳米管，c 6 0 ) 、金属性纳米材料( 纳米金、纳米银、量子点、活 性金属氧化物等) 、树状聚合物( 用作药物载体) 以及复合材料( 李静，2 0 11 ) 。 1 2 2 纳米二氧化钛的特性以及应用 纳米t i 0 2 通常分为三种晶体类型：锐钛矿、金红石矿和板钛矿型。它属于 半导体金属氧化物纳米颗粒。纳米t i 0 2 既能吸收紫外线，也能反射、散射紫外 线，所以具有防紫外线的能力；在紫外线的作用下，纳米t i 0 2 能够杀死细胞和 细菌，所以具有杀菌功能；纳米t i 0 2 颗粒具有粒子团聚少、化学活性高，粒 径分布窄、形貌均一的特点，因而具有催化活性的特性；纳米t i 0 2 薄膜有 亲水性的特性，可以用作防雾剂或是防水剂。纳米t i 0 2 在涂料、汽车油漆、太阳 能电池、食品添加剂、化妆品、造纸、废水处理、杀菌、生物医用陶瓷材料等方 面均有广泛应用。 1 3 纳米颗粒进入环境的途径及进入水环境后的行为 纳米材料可以通过多种途径进入环境而成为纳米污染物( t a n ge la l ，2 0 0 4 ) ， 例如被工厂和实验室排放出来的废物，纳米监测系统等直接释放纳米颗粒，化妆 品等与生活相关的纳米产品在生产和处理中释放出来。总的来说，纳米颗粒进入 环境的主要途径是研究、生产、运输、使用及废物处理等过程中的问接和直接释 放。进入环境后的纳米颗粒可能进入到大气、土壤、沉积物和水环境中。 地球有7 1 被水覆盖，纳米颗粒进入水环境的可能性大大提高。纳米颗粒其 独特的性质，例如比表面积大、活性位点丰富等，决定了其胶体悬浮液的稳定性、 迁移状况以及在水中的聚合和沉积。纳米颗粒能否在水中形成胶体悬浮状态是被 藻类、植物和真菌吸收和产生毒性效应的关键条件( n a v a r r oe ta l ，2 0 0 8 b ) 。纳 米材料生态毒性的研究与材料的特征与水环境的物理化学性质有关。在水环境 中，溶液的p h 与纳米颗粒吸附的分子与离子会影响其表面电荷，从而影响纳米 颗粒的团聚( m a f u n ee ta l ，2 0 0 0 ；m a n d a le ta l ，2 0 0 1 ；m u n r oe ta l ，1 9 9 5 ) 。纳米颗 粒的团聚和沉积是必然的现象，团聚是指两个移动的物质之间的相互作用，沉积 是指移动的物质与固定相的相互作用( e l i m e l e c ha n do m e l i a ，1 9 9 0 ) 。当溶液中p h 与等电点相近时，纳米颗粒的表面电荷下降，排斥力减小，纳米颗粒更容易发生 纳米t i 0 2 对典型办潮藻的毒性效j 如 团聚。金属纳米颗粒一般包被一层有机或者无机的复合物，例如柠檬酸盐、半胱 氨酸、碳酸盐以及表面活性剂( 例如十二烷基磺酸钠可以维持胶体悬浮液的稳定 状态) ( m a f u n ee ta l ，2 0 0 0 ) 。因此，会属纳米颗粒的表面性质很大程度的由这层 包被物质所决定。当溶剂p h 为等电点时，其对纳米颗粒的稳定性起负面作用， 引起团聚。金属氧化物表面性质主要由酸度和z 电位决定的( g i a m m a re ta l ，2 0 0 7 ； h r i s t o v s k ie la 1 2 0 0 7 ；k o r m a n ne ta l ，19 91 ：s c h i n d l e ra n ds t u r n m ，19 8 7 ) 。例如，纳 米t i 0 2 在p h 7 时，其悬浮液趋于团 聚( d u n p h yg u z m a n e ta l ，2 0 0 6 ；r i d l e ye ta l ，2 0 0 6 ) ，而纳米s i 0 2 在大多数情况下都 比较稳定，因其等电点p h 在2 左右( h i e m s ”ae ta l ，1 9 9 6 ) 。非金属纳米颗粒，例如 碳纳米管和c 6 0 的表面是疏水性质，不容易在水体中分散，起作用的主要是表面 的极性基团( n a v a r r oe t 口f 2 0 0 8 ) 。 1 4 纳米材料对藻毒性效应的研究进展 1 4 1 纳米材料对藻的毒性作用 纳米材料对藻类的毒性效应的研究大多选择的受试生物为单细胞藻类，纳米 材料主要包括z n o 、c u o 和t i 0 2 等会属氧化物：s i 0 2 、c u 、a g 、a u 等纳米材 料( n a v a r r oe la l ，2 0 0 8 a ；a r u o j ae la l ，2 0 0 9 ) 。常用的受试单细胞藻类有莱茵衣藻 ( c h l a m y d o m o n a sr e i n h a r d t i i ) ，其细胞内全部基因序- 4 0 已被测定，月牙藻 ( p s e u d o k i r c h n e r i e l l as u b c a p i t a t a ) ，是经典的模型受试生物，小球藻( c h l o r e l t a e l l i p s o i d e a ) ，以及斜生栅藻( d e s m o d e s m u ss u b s p i c a t u s ) 。以上藻类均为单细胞淡 水藻类。另外，常用的海水受试藻类主要有威氏海链藻( t h a l a s s i o s i r aw e i s s f l o g i i ) 和硅藻( d i a t o m ) 。 n a v a r r oe t a l ( 2 0 0 8 b ) 的研究表明纳米级的颗粒要比微米级的颗粒毒性作用 大。而不同的纳米颗粒对同- f 0 藻的毒性作用往往是卜同的，例女f i v i l l e me ta l ( 2 0 0 9 ) 研究了纳米z n o 、c u o f h 1 1 i 0 1 2 埘月牙藻( p s e u d o k i r c h n e r i e l l as u b e a p l t a t a ) 的毒性作用，其结果表明纳米z n o 的毒性作用( 7 2 h ，e c s 0 0 0 4 m g l 。1 ) 大于纳米 c u o ( 7 2 h ，e c s 0 0 4 2m g l ) 干d t i 0 2 ( 7 2 h ，e c 5 0 0 9 8m g l 1 ) 对月牙藻的毒性作用，而 且纳米z n o 的毒性作用与同浓度的z n s 0 4 的毒性效果类似，由此可知，纳米z n o 4 纳米t i o ：对典型赤潮藻的毒性效应 的毒性作用主要是由锌离子的毒性起作用。纳米c u o 的毒性大于纳米t i 0 2 的毒 性。w a n ge la l ( 2 0 0 8 ) 的研究表明量子点( q d s ) 对莱茵衣藻的毒性大于纳米 t i 0 2 的毒性，而且其动力学曲线表明这两种纳米材料对莱茵衣藻的毒性开始于加 入纳米颗粒后的2 3 d 。同种纳米颗粒对不同种藻类的毒性作用是不同的。同种纳 米颗粒对于不同的藻类毒性作用也不相同。s t e l l ae ta l ( 2 0 1 0 ) 比较了纳米z n o 对中肋骨条藻和海链藻的毒性作用，结果表明纳米z n o 对中肋骨条藻的毒| 生( 7 2 h ， e c s 0 1 8 5m g l 。1 ) 大于对海链藻的毒。l 生( 7 2 h ，e c 5 0 3 2 8m g l 。) 。不同晶体结构同种 纳米颗粒的毒性也不相同，例如t i 0 2 ，锐钛矿t i 0 2 的毒性大于金红石t i 0 2 的毒性， 主要原因可能是锐钛矿t i 0 2 的粒径小于金红石矿t i 0 2 。纳米颗粒对藻类有毒性作 用，那么主要的致毒机理有哪些昵? 1 4 2 纳米颗粒对藻类的致毒机理 与动物细胞相比，大多数植物、藻、真菌有细胞壁，为纳米材料进入细胞提 供了第一道屏障。主要的细胞壁成分是碳水化合物，和蛋白质相互连接组成了坚 硬复杂的系统( h e r e d i ae la l ，1 9 9 3 ；k n o x ，1 9 9 5 ) 。在这些分子中包括很多官能团， 例如羧酸、碳酸基、胺基、硫基和咪哗，这些官能团含有独特活性位。点( v i n o p a le t a l ，2 0 0 7 ) 。植物和某些藻类的细胞壁的主要成分是纤维素，真菌细胞壁的主要成 分是几丁质。藻类的细胞壁主要是糖蛋白和多聚糖。其中硅藻的细胞壁成分是二 氧化硅。细胞肇是半渗透性的，能够允许小分子通过，而限制了较大分子的进入。 细胞壁的孔径直径大约是5 2 0 n m ，决定了进入细胞的分子大d , ( f l e i s c h e re ta l ， 1 9 9 9 ；f u j i n oa n di t o h ，1 9 9 8 ；m a d i g a ne la l ，2 0 0 3 ；z e m k e w h i t ee ta l ，2 0 0 0 ) 。这样， 只有直径范围在此之内的纳米颗粒和纳米颗粒聚合物才能穿过细胞壁到达质膜。 细胞在分裂的过程中细胞壁的渗透性会改变，新合成的细胞壁的孔径可能会变 大，增大了纳米颗粒进入细胞壁的可能性( o v e c k a e la l ，2 0 0 5 ；w e s s e l s ，1 9 9 3 ) 。 纳米颗粒通过细胞壁进入细胞膜，细胞膜可能通过内吞作用或是破坏细胞壁 进入细胞内，也可能通过嵌入式转移蛋白或离子通道进入细胞( m o o r e ，2 0 0 6 ) 。当 纳米颗粒进入细胞后，与细胞内的细胞壁通过各种方式结合，例如内质网、高尔 基体、溶酶体等，从而干涉了代谢过程。原因很可能是由于r o s 的生成。可能引 起的细胞变化可能有内质网的增大，液泡变化，吞噬细胞可能出现。而且，在多 纳水t i o ：对典型办潮藻的毒性效j 、i 壁纳米管的作用下，巨噬细胞的细胞核可能会退化、扩大或变小。纳米颗粒对藻 类的主要毒性作用机制有：1 ) 纳米颗粒积累在藻体的表面，因遮蔽作用从而抑 制光合作用，降低光能的利用率，抑制生物生长，而不是纳米颗粒的毒性。2 ) 团聚后的纳米颗粒比较大，吸附到细胞壁上后，可能阻碍细胞壁，从而影响营养 物质的吸收。3 ) 纳米颗粒对藻类产生毒性作用并不是纳米颗粒本身的毒性，而 是由于在水溶液中解离的离子产生的毒性。4 ) 纳米颗粒可能自己本身产生或在 环境的诱导下产生r o s 。 ( 1 ) 遮蔽效应 纳米颗粒对生物体的毒性也可能是由物理因素引起的，例如遮蔽效应。纳米 颗粒在光合作用生物体表面团聚，影响了光吸收速率，从而抑制了光合作用的速 率。h u a n ge ta l ( 2 0 0 5 ) 的研究表明t i 0 2 纳米颗粒能够吸附到藻细胞的表而，使 藻细胞的重量增加2 3 倍。碳的团聚可以使海藻的繁殖率降低( f e r n a n d e se t a 1 ( 2 0 0 7 ) 。纳米颗粒吸附在细胞壁的表面也会影响必须营养物质的吸收，或是阻 塞了细胞壁，使营养物质无法进入。但是，h u n d r i n k e 和s i m o n ( 2 0 0 6 ) 的研 究表明，t i 0 2 纳米颗粒的存在并没有影响藻体的生长和藻可利用的光照强度。那 么，遮黻效应是否是纳米颗粒对藻类产生毒性作用的主要机制，这需要进一步的 研究。 ( 2 ) 离子毒性 金属纳米颗粒能够解离出会属离子，诸多研究表明引起生物毒性效应的并非 是纳米颗粒本身，而是由解离出的金属离子所引起的。解离离子的能力往往是山 金属纳米颗粒本身的性质以及周围环境所决定的。同种纳米颗粒，其表面积大的 纳米颗粒的解离离子的能力和释放离子的能力要大于比表面积小的纳米颗粒 ( b o r me la 1 2 0 0 6 ) 。金属纳米颗粒对水生植物的毒性需要考虑金属离予的毒性 效应。一般来晚，c u o 纳米颗粒，z n o 纳米颗粒和q d s 等在水溶液中均可以解 离出金属离子。n a t a s h ae ta t ( 2 0 0 7 ) 比较了纳米z n o 、z n o 和z n c l 2 对淡水藻 的毒性效应，结果表明，纳米z n o 和z n o 没有出现粒径一毒性效应，而且纳米 z n o 、z n o 和z n c l 2 对淡水藻的半数致死浓度( e c 5 0 ) 的值是相近的，所以纳米 z n o 的毒性效应主要是由z n o 释放的z n 2 + 引起的。a r u o j ae ta l ( 2 0 0 9 ) 研究表 明纳米c u o 的毒性效应也是由于释放的铜离子造成的，而且纳米c u o 释放的可 6 纳米t i 0 2 对典型赤潮藻的毒性效应 利用铜离子大于c u o 的，所以纳米c u o 的毒性效应大于c u o 。n a v a r r oe ta l ( 2 0 0 7 ) 的结果表明a g n p 能够影响淡水藻的光系统i i 速率，而同样是由a g n p 释放的 1 a g + 引起的。m i a oe ta l ( 2 0 0 9 ) 的研究也表明a g n p 对海洋硅藻的毒性效应 是由a g n p 释放的a 矿引起的。 ( 3 ) 氧化损伤 氧化胁迫往往是由逆境胁迫造成的，逆境胁迫包括营养缺乏、紫外线、重金 属、极度温度( 高温和低温) 、高盐、干旱、高光强胁迫和组织缺氧等( s c a n d a l i o s e ta l ，2 0 0 5 ) ，它们会影响植物的生长发育和新陈代谢，可能会导致细胞死亡。植 物在逆境下通常会与氧化性损伤偶联( n i c o l a se ta l ，2 0 0 4 ；d a te ta l ，2 0 0 0 ) 。 纳米颗粒可与生物体相互作用产生r o s ，或是在环境中其他因素的作用下 产生r o s ，r o s 的产生可能与纳米颗粒在紫外照射下的光催化活性有关，例如 t i 0 2 ( k u se la l ，2 0 0 6 ) 。t i 0 2 纳米颗粒在可见光或是紫外光的照射下对细菌的毒 性作用明显增强( a d a m se ta l ，2 0 0 6 ) 。其他纳米颗粒，例如a g n p 在紫外光的照 射下也可产生r o s ( b a d i r e d d ye ta l ，2 0 0 7 ) 。由于r o s 的产生，细胞内的抗氧化 物质( 例如谷胱甘肽、维生素c 、维生素e 等) 和抗氧化酶系统( 例如超氧化物 歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶等) 也会随之发生变化( a s a d a ，19 9 2 ；n o c t o ra n d f o y e r ，1 9 9 8 ) ，调节由于r o s 变化引起的失衡。由a g n p 释放的a 矿能够抑制参 与呼吸作用的酶，产生r o s ( k i me ta l ，2 0 0 7 ) 。a g + 还可以与抗氧化酶分子中的 磺基、磷酸基结合，消耗抗氧化酶分子，影响细胞内r o s 失衡( h u s s a i ne ta l ， 2 0 0 5 ) 。因此，a g n p 可以降低海藻的生长率，叶绿素a 的含量，光系统i i 速率， 而这些毒性效应皆是由a 矿引起的( m i a oe la l ，2 0 0 7 ) 。王震宇等( 2 0 1 0 ) 研究结 果表明金红石相纳米y i 0 2 可以使植物组织内r o s 升高，丙二醛( m d a ) 含量升 高，超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶活性增强。s a i s me la l ( 2 0 1 0 ) 的研究表明，c s c u o - n p 可以使藻细胞产生r o s ，进而使叶绿素含量下降，光 系统i i 初级光反应下降。 1 5r o s 产生的主要途径 r o s 是生物体有氧代谢产生的一类活性含氧化合物的总称，主要包括超氧 阴离子自由基、羟自由基、过氧化氢和单线态氧等。高浓度的活性氧有很强的氧 纳米t i 0 2 对典型办潮藻的毒f i ：效j 母 化能力，几乎能与所有的细胞成分发生反应：破坏蛋白质结构，使d n a 核苷酸 链断裂，嘌呤氧化，还破坏蛋白质d n a 交叉连接，并引起脂质过氧化，导致膜 结构的破坏。因此长期以来，r o s 被认为是损伤细胞的毒性物质。 细胞内r o s 的发生主要由膜系统上的催化酶所催化，总的来说，儿涉及电 子传递链的蛋白质或是酶系都能导致r o s 的产生。在植物细胞中，r o s 主要是 在叶绿体和线粒体中产生，它们的电子传递链的电子渗漏，使分子0 2 被还原成 氧自由基；其他还有过氧化物体中的光呼吸作用，细胞壁中的氧化酶和过氧化物 酶，以及质膜上的n a d p h 氧化酶复合体也都能导致r o s 的产生。 1 5 1 叶绿体 叶绿体被认为是植物体内产生r o s 最主要的来源和发生部位。叶绿体产生 r o s 的主要原因是光和系统中电子传递链的最终受体c 0 2 固定消耗的光能与吸 收的光能不平衡，存在着吸收光能过剩的局而；同时，又由于气孔关闭，阻碍了 光合作用中产生的o ：的外排，因而在叶绿体中存在着0 2 的积累，于是0 2 分子 就成为过剩光能( 已转换成电子) 的可选择性受体，n a d p h 使0 2 还原成0 2 一。具 体来况，电子流从光系统中心传递给n a d p ，n a d p 还原成n a d p h ，然后进入 卡尔文循环，还原最终受体c 0 2 ，电子传递链中渗漏的电子从铁硫还蛋白传递给 0 2 ，生成超氧阴离子自由基，这个反应称为米勒反应。电子的渗漏也可发生在电 子传递链光系统i 中从2 f e 2 s 到4 f e ，4 s 的传递。后来的研究表明电子渗漏还会 发生在电子传递链光系统i i 中大的q a 和q b 位点( c l e l a n da n dg r a c e ，1 9 9 9 ；d a te l a l ，2 0 0 0 ) 。 超氧阴离子自由基产生的过程是限速过程，0 2 。旦产生，便会经过以下途 径，一是0 2 一质子化成h 0 2 。，接着引发脂质过氧化；二是0 2 经超氧化物歧化 酶作用变成h 2 0 2 和0 2 。由0 2 一产生的h 2 0 2 也有两种途径，一是经过f e s 中心 通过f e t o n 反应变成氧化能力更强的o h 二二是经过抗坏血酸一谷胱甘肽循环作用 变成h 2 0 和0 2 ( e d r e v a ，2 0 0 5 ) 。 诸多研究已表明，有毒物质能够使植物细胞叶绿体产生r o s ，g i o r g i oa n d p a o l o ( 1 9 7 6 ) 的研究表明叠氮化物和氰化物能够抑制叶绿体的光和作用和过氧化 物酶的活性，离体叶绿体( 从菠菜中分离) 在n 3 _ 矛口c n 。的作用下，过氧化物酶 纳米t i 0 2 对典型赤潮藻的毒性效应 的活性受到抑制，h 2 0 2 的含量增多，光合作用受到抑制，同时氧气的产量减少。 b a i s h n a b 和p r a s 籼a ( 1 9 8 0 ) 认为重金属z n 2 + 能够影响叶绿体电子传递链。在较低 浓度z n 2 + 的作用下，叶绿体电子传递链中光系统i i 受到抑制，光系统i 没有受到 抑制。而在较高浓度z n 2 + 的作用下，光系统i 也会受到抑制。 1 5 2 线粒体 线粒体是细胞的呼吸器官。细胞呼吸必须有氧的参与，0 2 使葡萄糖氧化成 c 0 2 和h 2 0 ，并释放a t p ，为各种生命活动所用。然而在这种有氧呼吸过程中， 当大部分电子传递到呼吸链( 电子传递链) 的末端与分子氧结合成水时，其中有 一小部分电子( 2 3 ) 由呼吸链酶复合体i , u l i i 处漏出，使分子氧发生单电子 还原，生成0 2 。，然后再通过特定的化学反应产生羟自由基、h 2 0 2 等，联系到 叶绿体光合作用中r o s 的发生，可以看出，各种活性氧的最初来源都是0 2 。 在人体和动物细胞内，线粒体被认为是活性氧发生的最主要的部位。在植物 细胞中，线粒体也是产生最主要的部位之一，仅次于叶绿体( 郑荣梁等，2 0 0 7 ) 。 线粒体电子传递链产生超氧阴离子自由基主要包括三个方面。一复合物i 和 i i i 是产生0 2 。的主要部位。n a d h 氧化成n a d + 时，释放出1 个质子和2 个电子。 此反应中释放的电子在复合物i 位置上可使0 2 发生单电子还原而生成0 2 一。当 电子沿电子传递链传到复合物i i i 时也生成0 2 。复合物1 1 只能产生极少量的 0 2 一。由于0 2 。的寿命极短，不易测定，所以常测定它的继发性生成物h 2 0 2 来反应0 2 。的多少。复合物i 生成h 2 0 2 的数量是4 6 2 n m o l ( m i n m gp r ) ，复合 物i i i 为4 2 4 ，而复合物i i 仅为0 0 3 ，可见复合物i 和i i i 是产生0 2 ”的主要部位( x u ， 2 0 0 4 ) 。二复合物i 中f m n 和f a d 产生0 2 一。复合物i 中黄素单核苷酸( f m n ) 可接受2 个电子，其中一个电子形成稳定的半醌自由基中间产物，另一个电子使 0 2 发生单电子还原生成0 2 一( m e m b r i l l o h e r n a n d e ze ta l ，1 9 9 6 ) 。黄素腺嘌呤二 核苷酸( f d a ) 生成0 2 ”机制与f m n 相同。丙酮酸可通过硫辛酸将电子传给f a d ， 同时使单电子0 2 还原成0 2 1 。三泛醌的非酶性氧化产生0 2 ”。当泛醌发生氧化 或者氧化型醌发生还原时，会变成半醌自由基，而半醌自由基再氧化成氧化型醌 时可通过还原反应时单电子0 2 还原成0 2 一。 影响电子传递链产生0 2 。的三个途径：1 ) 电子传递链是否通畅是决定0 2 9 纳米t i 0 2 对典型办渤藻的毒性效岵 产量的第一个因素；2 ) 电子传递链上氧的浓度，对于细胞色素氧化酶来说，它 剥。氧气有极强的亲和能力，可是对于非酶类物质来说，氧与还原剂反应却取决于 随机碰撞的概率；3 ) 线粒体的呼吸状态，只有当a d p 和无机磷充足时才能使电 子传递链的速度达到最高水平。 已有诸多研究表明线粒体电子传递链能够受到有毒物质的影响。邻苯二甲酸 二正j 一酯( d b p 一5 ) 有很强的细胞毒性，可引发细胞凋亡，同时引起r o s 的积 累，谷胱甘肽含量减少，线粒体膜电位损坏，进而引发细胞凋亡。鱼藤酮足线粒 体电子传递链的抑制剂，l i 等( 2 0 1 0 ) 的研究结果表明鱼藤酮能显著降低由d b p 一5 引起的r o s 升高，线粒体是d b p 5 产生r o s 的主要位点。w a n ge ta i ( 2 0 0 4 ) 研究了镉对细胞产生氧化胁迫的机制，结果表明，金属镉分别对肝、脑和心脏三 处组织均有氧化胁迫，三处组织提取的线粒体产生的r o s 均显著提高，且线粒 体电子传递链中复合物i i 和复合物i 【i 的活性均大于其他复合物，e s r 结果表明复 合物i i i 可能是镉作用于线粒体电子传递链的作用位点。 1 5 3 其他途径 研究表明，过氧化物酶体中的甘油酸氧化酶会催化甘油酸氧化成过氧化氢。 在微体中，黄嘌呤氧化酶和脂肪酸b 氧化酶可以使分子氧还原成0 2 。和h 2 0 2 。 细胞壁中的过氧化物酶在依赖m n 2 + 的反应中，通过消耗n a d p 使氧气还原 成超氧阴离子自由基，在超敏反应的氧化暴发中，大部分h 2 0 2 的发生是通过过 氧化物酶的催化作用，这种h 2 0 2 的产生强烈的依赖于p h ，并涉及氧化亚铁共轭 建的还原。 结合在质膜上的氧化酶复合体以n a d p h 和n a d h 两种辅酶作为电子供体， 将分子0 2 还原成0 2 。，它在植物对病原体的超敏反应中起着重要作用。这种酶 复合体蛋白已在各种植物体系中被鉴定，它具有激活快的特点，因此能迅速产生 大量的r o s ，形成氧化爆发，以抵御入侵的病原体。 1 5 4 植物细胞r o s 的消除 ( 1 ) 抗氧化酶系统。植物细胞中的抗氧化酶系统丰要包括超氧化物歧化酶 ( s u p e r o x i d ed i s m u t a s e ，s o d ) 和过氧化氢酶( c a t a l a s e ，c a t ) 。s o d 主要是催化 l o 纳米t i o ：对典型赤潮藻的毒性效应 0 2 一与h + 结合产生h 2 0 2 ；c a t 则是催化h 2 0 2 变成h 2 0 和0 2 。s o d 在细胞内的 各部位几乎都有它的分布，包括叶绿体、线粒体、过氧化物酶体、细胞质和质外 体。c a t 则主要存在于过氧化物体，乙醛酸循环体及相关的细胞器中，已发现 的c a t 有三种异型：c a t 1 ，c a t 。2 和c a t 3 。此外，还有过氧化物酶系( p o d ) 以及抗坏血酸过氧化物酶( a p x ) 和谷胱甘肽过氧化物酶( g p x ) 等。c a t 和 抗坏血酸一谷胱甘肽循环系统在消除h 2 0 2 中起重要作用，c a t 不需要还原能， 并有高反应速率，但对h 2 0 2 的亲和力较低，所以它只能除去高浓度的h 2 0 2 ；相 反，抗坏血酸谷胱甘肽循环系统有较高的亲和性，能消除低浓度的h ：0 2 。 ( 2 ) 植物线粒体解耦联蛋白。植物中的第一个解耦联蛋白( u c p ) 是从马 铃薯克隆出来的( l a l o ie ta l ，1 9 9 7 ) 。随后在拟南芥、水稻、大麦、番茄等植物 中也被克隆