氧化石墨烯对4种微藻的致毒效应研究
氧化石墨烯(Graphene oxide，GO)作为石墨烯的重要衍生物之一，其应用领域广泛，独特的2D形状和物理化学特性更是在生物医学研究中存在巨大潜力。然而，随着纳米技术的迅速发展及使用量的不断增加，GO等纳米材料将会给生物体和自然界带来难以预测的安全隐患。微藻作为水生生态系统中的初级生产者，其多样性和产量的改变能够直接影响系统的功能结构。微藻生长抑制、抗氧化防御系统中各类酶活性的改变以及细胞损伤情况等方面已被广泛应用于多种纳米材料如Ag-NP、PbS-NP和碳纳米管CNTs等的毒性研究中。目前关于GO的毒性报道主要集中在细菌、哺乳动物细胞等方面，而关于GO对水生植物的毒性研究数量还极其有限。 本研究选用2种海水微藻——盐生杜氏藻(Dunaliella salina)、海水微绿球藻（Nannochloropsis oceanic），以及2种淡水微藻——斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）、淡水微绿球藻（N.limnetica）作为受试生物，通过配制不同GO浓度的培养液对4种微藻进行急性毒性研究，观察GO胁迫下微藻生长曲线的变化，计算72h EC50值，并对GO进行毒性分级，同时测定微藻体内生理生化指标（谷胱甘肽GSH及其相关酶，丙二醛MDA，光合色素）和生物活性物质（总蛋白质、碳水化合物、总脂）含量或活性对GO毒性效应的响应;探讨温度、盐度、pH等3种环境因子对GO毒性的影响;最后，通过多组验证试验对GO的致毒机制进行讨论。主要得到以下结论: (1) GO对微藻造成显著毒性效应，主要表现为: ①GO对4种受试微藻均具有明显的生长抑制作用，其中，盐生杜氏藻的72hEC50值最低(13.04 mg/L)，海水微绿球藻、斜生栅藻和淡水微绿球藻对GO的72h EC50值分别为79.10、25.63、48.44 mg/L;根据水体中急性毒性分级标准，GO对受试微藻的毒性强度属于轻毒; ②暴露于GO后，微藻的谷胱甘肽系统出现明显变化，表现为:10mg/L、100mg/L GO处理组中GPx活力和GSH含量的降低以及100mg/L GO对GR、GST活性的诱导; ③GO能够诱导氧化胁迫造成微藻细胞的膜脂质过氧化，高浓度GO(100mg/L)暴露下的4种微藻的MDA含量均显著升高，分别高于对照组18.03、10.88、4.48、15.06倍; ④低浓度(10mg/L) GO对藻细胞产生一定刺激作用，促进光合色素(Chla，Chlb，Car)合成，光合作用增强;当GO浓度达100mg/L时，超出藻细胞的自我调节能力，光合色素分子受损或合成代谢受阻，导致含量降低; ⑤高、低浓度的GO暴露均能显著增加藻细胞蛋白质和总脂含量;低浓度(10mg/L) GO还能刺激藻细胞内碳水化合物的合成。 (2)3种环境因子（温度、盐度、pH）均对GO的毒性效应产生显著影响: ①高温条件通过改变GO稳定性，促进GO团聚，降低GO对微藻的毒性作用，32℃时100mg/L GO中2种微藻细胞密度分别达到11℃时的1.59和2.69倍; ②高盐度下GO自身聚合严重，对盐生杜氏藻的毒性作用降低，藻细胞密度和生物量最大值出现在盐度为50时，比盐度为10时分别增加2.64倍和1.97倍; ③低pH条件（接近pHpzc）既能够促进GO团聚，又促使生成分形维数大、易于沉降的聚合物，因此，随着pH值(6.5-8.5)的降低，GO对斜生栅藻的毒性作用逐渐降低。由于海水中离子成分复杂，以及pH对盐生杜氏藻的影响，在pH=7.5时GO毒性作用最低。 (3)低浓度(10mg/L)和高浓度(100mg/L) GO对微藻的毒性作用均与其遮蔽效应有关，高浓度下这种遮蔽作用对微藻生长的抑制更大，100mg/L GO中盐生杜氏藻在光照和黑暗下生长抑制率分别为84％和23％; GO浸提液中Mn、Zn等金属杂质并不会对微藻生长产生抑制作用;GO能够吸附在藻细胞表面，影响微藻的光吸收过程，并通过与细胞表面的相互作用破坏细胞完整性;GO能够进入细胞壁和质膜间隙，并诱导细胞发生严重损伤和改变，包括细胞壁或细胞膜的破损、叶绿体的损伤、核染色质的凝集，并抑制细胞分裂等现象。综上，GO对微藻的致毒机制主要包括氧化胁迫、遮蔽效应、团聚吸附作用以及进入藻细胞。
海水微藻;氧化石墨烯;致毒效应;环境因子
中国海洋大学
硕士
生物工程
孟范平
2015
中文
Q949.2
73
2016-03-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）