王婧坤，馬宇輝，趙鑫，馮承蓮，朱維晃，張智勇

1.西安建筑科技大學，西安710055

2.中國科學院高能物理研究所，北京100049 3.中國環(huán)境科學研究院，北京100012

納米二氧化鈰對蛋白核小球藻和大型溞的毒性及其在大型溞體內(nèi)的形態(tài)轉(zhuǎn)化

王婧坤1,2,3，馬宇輝2,*，趙鑫3,#，馮承蓮3，朱維晃1，張智勇2

1.西安建筑科技大學，西安710055

2.中國科學院高能物理研究所，北京100049 3.中國環(huán)境科學研究院，北京100012

隨著納米技術的飛速發(fā)展,納米材料的應用日益廣泛。同時,這類具有獨特物理化學特性的微小顆粒對環(huán)境和健康的影響引起了人們的關注。本工作參考國際經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)化學品生態(tài)毒理測試方法,以蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)和大型溞(Daphnia magna)為受試生物,研究了CeO2納米顆粒暴露對小球藻生長、葉綠素含量和細胞內(nèi)活性氧水平以及大型溞運動能力的影響,分析了大型溞體內(nèi)鈰的形態(tài)。隨著暴露濃度的升高和時間延長,CeO2納米顆粒逐漸抑制小球藻的生長,導致葉綠素水平的降低和活性氧水平升高。暴露96 h后,CeO2納米顆粒對小球藻生長的EC50為30.4mg·L-1,而對大型溞活動抑制的24 h、48 h-EC50分別為430.2mg·L-1和142.7mg·L-1。根據(jù)中華人民共和國環(huán)境保護行業(yè)標準中的毒性分級標準,CeO2納米顆粒對小球藻屬于中毒性物質(zhì),對大型溞屬于低毒性物質(zhì)。CeO2納米顆粒在大型溞體內(nèi)主要以Ce(IV)的形式存在,約有3%轉(zhuǎn)化為Ce(III)。對CeO2納米顆粒的水生態(tài)效應給予足夠重視并深入研究其毒性作用機制。

納米二氧化鈰；小球藻；大型溞；毒性

隨著納米科技的快速發(fā)展,納米材料的應用越來越廣泛。與此同時,納米材料可以通過生產(chǎn)設備、污水處理、商品使用等途徑直接或間接進入水環(huán)境,對水生生物造成危害,其中ZnO、CuO、TiO2等納米材料對藻類的毒性主要表現(xiàn)在對其光合作用的影響[1],如改變?nèi)~綠素含量或是干擾光合電子運轉(zhuǎn),使藻類消耗大量能量；多種金屬納米材料對大型溞的死亡率、繁殖能力、細胞毒性及生理變化(如跳躍頻率、后腹彎曲運動、心跳速率)等[2-4]均有影響；魚類毒性研究表明Ag、ZnO、nC60等納米材料會對胚胎發(fā)育情況(孵化時間、畸形、幼魚體長等)、死亡率、病理學分析及抗氧化基因的表達等產(chǎn)生影響[5-6]。

CeO2納米顆粒是一種典型的納米材料,因其獨特的儲存和釋放氧的能力及高溫快速氧空位擴散能力而被廣泛應用于氧化還原反應中,成為極具應用前景的催化材料[7-9]、pH傳感材料[10]、高溫氧敏材料[11-12]、固體氧化物燃料電池中的電極材料[13-14]、化學機械拋光研磨料[8,15]以及電化學池中的膜反應器材[16]等。最近,CeO2納米顆粒正越來越多地應用在汽車行業(yè),既可用于減少燃燒尾氣微粒含量的柴油添加劑,又可用于催化轉(zhuǎn)換器[11]。然而,隨著用量的逐漸增大,CeO2納米顆粒不可避免的被釋放到環(huán)境中,給環(huán)境物種帶來潛在影響[17],因此迫切需要對CeO2納米顆粒的環(huán)境生態(tài)效應進行研究。

浮游生物是水生態(tài)系統(tǒng)的重要功能類群,具有種類多、分布廣、豐度高等特點,對于維持生態(tài)系統(tǒng)的結構與功能起到關鍵作用[18]。關于CeO2納米顆粒對浮游生物中的藻類和大型枝角類的影響已有一些報道。例如,Ismael等[19]研究了CeO2納米顆粒對藍藻(Anabaena)和月牙藻(Pseudokirchneriella subcapitata)的毒性,在純水中暴露24 h后EC50值分別為0.27～6.3mg·L-1和2.4～29.6mg·L-1。類似的研究表明,10～20 nm CeO2和微米級CeO2對月牙藻暴露72 h的IC50值分別為(10.3±1.7)mg·L-1和(66±22)mg·L-1[14,20]。 Hoecke等[21]研究了尺寸分別為 14、20、29 nm的CeO2納米顆粒對3種不同營養(yǎng)級的水生生物的毒性。暴露24 h后,CeO2納米顆粒對月牙藻(Pseudokirchneriella subcapitata)、大型溞(Daphnia magna)和斑馬魚胚胎(zebrafish embryos)沒有明顯的毒性,暴露72 h后3種尺寸的納米顆粒對綠藻的半數(shù)抑制濃度為7.6～28.8mg·L-1。Gaiser等[22]的研究表明10mg·L-1的CeO2納米顆粒對大型溞的存活率沒有影響,其毒性遠低于相同濃度的納米銀。同樣的,Jemec等[23]的研究也表明低于 500mg·L-1的CeO2納米顆粒對大型溞沒有毒性。另外,Artells等[24]對其他枝角類生物的研究結果顯示,CeO2納米顆粒對同形溞(Daphnia similis)和蚤狀溞(Daphnia pulex)48 h的EC50分別為0.26mg·L-1和91.79mg·L-1。上述研究使我們初步了解了CeO2納米顆粒對部分藻類和枝角類的毒性作用,但考慮到不同物種之間的差異,還需要對CeO2納米顆粒對水生態(tài)毒性的進行更廣范圍的研究并開展毒性機制的探討。

本工作選取自然界廣泛分布的浮游生物蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)和大型溞(Daphnia magna)為受試對象,采用國際經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)化學品生態(tài)毒性測試的標準方法研究CeO2納米顆粒進入水環(huán)境后的生態(tài)毒理效應。研究結果有助于全面評價CeO2納米顆粒的水生毒性,同時將為減少納米材料對生態(tài)環(huán)境的影響和納米材料的合理應用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 藻液培養(yǎng)

取長勢良好的蛋白核小球藻藻種在無菌的條件下接種到盛有OECD 201培養(yǎng)基的錐形瓶中,在人工氣候箱中培養(yǎng)(PRX-450D,寧波賽福實驗儀器有限公司,寧波),培養(yǎng)溫度控制在(24±1)℃,光暗比為12 h:12 h,設置光照強度為(3 000±10%)lx。盡可能保證對藻液光照均勻,每天按時搖晃培養(yǎng)瓶數(shù)次,避免小球藻細胞團聚和貼壁現(xiàn)象。每隔10天重新接種一次避免藻種老化。取對數(shù)生長期的小球藻進行實驗。

1.2 小球藻暴露實驗

CeO2納米顆粒采用沉淀法合成[25-27]。調(diào)節(jié)顆粒濃度為2 000mg·L-1作為母液,室溫超聲震蕩20 min,使CeO2納米顆粒均勻分散。實驗前使用小球藻培養(yǎng)基稀釋,使實驗組所加入的CeO2納米顆粒終濃度為:0.1、1、10、50和200mg·L-1,使用小球藻培養(yǎng)基作為實驗對照組。在50 mL錐形瓶中分別加入各濃度梯度的CeO2納米顆粒懸液和藻液,調(diào)節(jié)小球藻細胞密度為2×106cell·mL-1,溶液終體積為15 mL,每組設3個平行,實驗結果取平均值。將錐形瓶置于恒溫搖床,維持光照強度為120μE·m-2·s-1,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為(90±5)r·min-1,分別于24、48、72、96 h后測定相應的指標。

1.3 小球藻生長抑制檢測方法

小球藻EC50的測定:分別于暴露后的第24、48、72、96小時使用酶標儀測定各濃度組在680 nm處的吸光度,計算小球藻細胞個數(shù)。由于CeO2納米顆粒的濁度會影響吸光度的測定,因此測得的吸光度需要扣除納米材料的背景值。使用SPSS概率單位法計算暴露96 h的EC50。

葉綠素含量測定:取50μL的綠藻暴露液加入200μL的乙醇溶液,混勻后加入96孔板中,孔板避光震蕩3 h,使用酶標儀測定其熒光強度(Ex/Em: 420 nm/671 nm)。

活性氧(ROS)的測定:分別于暴露后24、48、72、96 h使用熒光探針二氯二氫熒光素-乙酰乙酸酯(DCFH-DA)(分析純,Sigma)檢測各組細胞內(nèi)ROS的水平。DCFH-DA進入細胞后在細胞內(nèi)酯酶的作用下轉(zhuǎn)化為DCFH,DCFH被細胞內(nèi)ROS氧化生成有熒光的DCF,通過檢測細胞內(nèi)DCF的熒光強度來反映ROS的水平。取180μL小球藻暴露液,加入20μL的DCFH-DA,DCFH-DA終濃度為10μmol·L-1,混勻后加入黑色96孔板中,于37℃孵育20 min,酶標儀(spectraMax M2,Molecular Devices Corporation,USA)測定各組熒光強度(Ex/Em:488 nm/ 525 nm)。

1.4 大型溞培養(yǎng)

大型溞受贈于中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心,并在實驗室中培養(yǎng)超過一年。實驗室中連續(xù)培養(yǎng)5代以上孤雌生殖得到純品系,馴化用水為OECD 202培養(yǎng)基。人工氣候箱培養(yǎng),光照強度為800 lx,培養(yǎng)溫度為(20±1)℃,隔天更換培養(yǎng)液。實驗前使用重鉻酸鉀檢測大型溞的敏感性。結果顯示,重鉻酸鉀暴露24 h后EC50為0.884mg·L-1,符合實驗要求。

1.5 大型溞活動抑制實驗

分別在每個燒杯中放置溞齡為6～24 h的純化3代以上新生溞10只,加入終濃度分別為1、10、50、100、200、500和1 000mg·L-1的納米CeO2,每組設3個平行。實驗期間大型溞不喂食。分別于暴露后24 h和48 h觀察大型溞的活動情況。以大型溞活動受抑制作為觀察標準,輕輕晃動實驗容器,若15 s之內(nèi)大型溞不能游動,認為其運動能力受到抑制。使用SPSS概率單位法計算EC50值。

1.6 組織中Ce化學種態(tài)分析

將納米CeO2處理的大型溞清洗干凈,在-50℃、0.06 mbar下冷凍干燥,然后將干樣用研缽磨成粉末,壓片后用于XANES分析。利用北京同步輻射裝置(BSRF)1W1B XAFS實驗站進行圖譜采集。儲存環(huán)電子能量2.5 GeV,流強～200 mA。標準樣品納米CeO2、CePO4、Ce(CH3COO)3采用透射模式,大型溞樣品采用19元高純鍺固體陣列探測器檢測。所得譜圖用Athena軟件進行歸一化,采用線性擬合(linear combination fitting,LCF)對各組分比例進行分析。

1.7 數(shù)據(jù)分析

每種試驗均重復3次,結果以平均值±標準差表示。實驗數(shù)據(jù)用SPSS 16.0統(tǒng)計軟件進行方差分析,采用Tukey’s檢測各處理組與對照組之間的差異顯著性,P＜0.05表示有顯著性差異,P＜0.01表示有極顯著差異。

2 結果與討論(Results and discussion)

2.1 CeO2納米顆粒的表征

TEM(透射電子顯微鏡)結果顯示,合成的CeO2納米顆粒形貌穩(wěn)定,為缺角的八面體結構。粒徑均一,平均粒徑為(6.44±0.42)nm(圖1)。DLS結果顯示(表1),CeO2納米顆粒在二次水中的水動力學直徑顯著大于TEM測定結果,說明在水中會發(fā)生一定程度的團聚。但在綠藻培養(yǎng)基、大型溞培養(yǎng)基中團聚更明顯。Zeta電位測定結果顯示,CeO2納米顆粒在二次水的Zeta電位為+(44.6±1.0)mV；在綠藻培養(yǎng)基、大型溞培養(yǎng)基中,CeO2納米顆粒的Zeta電位顯著下降,Zeta電位測定結果與DLS測定得到的水和動力學直徑結果一致。

圖1 CeO2納米顆粒的TEM圖片F(xiàn)ig.1 TEM images of CeO2NPs

2.2 CeO2納米顆粒對小球藻生長的影響

從圖2中可以看出,濃度為0.1mg·L-1時,CeO2納米顆粒對小球藻細胞的生長沒有明顯抑制。隨著濃度升高,在暴露初期(t≤48 h)CeO2納米顆粒對小球藻細胞的抑制作用不明顯；但是隨著時間延長,抑制作用逐漸增強。濃度為200mg·L-1時,小球藻細胞生長基本停滯,藻體顏色變淺,甚至發(fā)白,抑制率高達90%。通過概率單位法計算得到CeO2納米顆粒對小球藻96 h的EC50為30.4mg·L-1,95%置信區(qū)間為(13.5,40.3),根據(jù)原國家環(huán)境保護總局發(fā)布的中華人民共和國環(huán)境保護行業(yè)標準[28]中藻類生長抑制毒性分級標準,CeO2納米顆粒對小球藻屬于中毒性物質(zhì)。

納米材料可能因為遮光效應使實驗體系的實際光強下降,從而抑制藻類的生長。本實驗中采用50 mL的錐形瓶裝15 mL的溶液,液層厚度約為1.4 cm,使用搖床在一定轉(zhuǎn)速下保證溶液處于紊流狀態(tài),并隨機變換錐形瓶在搖床的位置使藻類均勻受光,同時在底部或側面加以輔光,以此得到比較理想的結果。Baun等[29]的結果表明,在采取諸如降低光徑和保持湍流混合等光強補償措施后,藻類生長抑制實驗可用于濃度≤10mg·L-1的污染土壤懸浮液的生態(tài)毒性檢測。

圖2 CeO2納米顆粒對小球藻的生長抑制Fig.2 Effects of CeO2NPs on the growth of Chlorella pyrenoidosa

表1 水中和培養(yǎng)基中CeO2納米顆粒的物理化學性質(zhì)Table 1 The physicochemical characteristics of CeO2NPs in water and culture media

2.3 CeO2納米顆粒對小球藻葉綠素含量的影響

葉綠素是小球藻細胞進行光合作用的物質(zhì)基礎,可以通過檢測細胞內(nèi)葉綠素的含量來反映細胞的生長狀況。不同濃度CeO2納米顆粒處理后,細胞內(nèi)葉綠素的含量變化如圖3所示。濃度為0.1mg·L-1時,細胞內(nèi)葉綠素含量隨時間的延長先增加后減小,但與對照組相比沒有顯著性差異。隨著暴露濃度的升高及暴露時間,小球藻細胞內(nèi)的葉綠素含量逐漸降低。濃度為200mg·L-1時,暴露細胞48 h后葉綠素含量僅是同時刻對照組的25.1%(P＜0.01), 96 h后,與對照組相比減少了90%以上(P＜0.01)。

2.4 CeO2納米顆粒對小球藻體內(nèi)活性氧(ROS)的影響

圖4結果顯示了納米CeO2暴露后,小球藻細胞內(nèi)活性氧(ROS)水平的改變。由圖中可以看出,0.1mg·L-1組小球藻細胞內(nèi)ROS的水平與對照組相比無顯著差異,但隨納米顆粒濃度的增加和暴露時間的延長,細胞內(nèi)ROS的水平與對照組相比顯著升高。濃度為50mg·L-1和200mg·L-1的納米顆粒暴露細胞96 h,小球藻體內(nèi)的活性氧水平分別為對照組的2.5倍和4倍。因此,我們推測納米顆粒暴露細胞后可以誘導細胞內(nèi)ROS的產(chǎn)生,增加細胞內(nèi)氧化應激的程度,從而影響細胞的存活。

圖3 CeO2納米顆粒暴露后小球藻葉綠素水平的變化Fig.3 Effects of CeO2NPson the chlorophyll contents ofChlorella pyrenoidosa

圖4 CeO2納米顆粒對小球藻細胞內(nèi)ROS水平的影響Fig.4 Effects of CeO2NPs on the ROS level of Chlorella pyrenoidosa

2.5 納米顆粒對大型溞的急性毒性

CeO2納米顆粒對大型溞的24 h和48 h EC50分別為430.2mg·L-1和142.7mg·L-1,95%置信區(qū)間分別為239.8～587.4mg·L-1和85.7～210.9mg·L-1。其48 h EC50值大于100mg·L-1,根據(jù)原國家環(huán)境保護總局發(fā)布的中華人民共和國環(huán)境保護行業(yè)標準[28]中溞類急性活動抑制毒性分級標準,實驗中所用CeO2納米顆粒對大型溞屬于低毒性物質(zhì),這與Gaiser[22]和Hoecke等[21]的研究結果相似；而Artells等[24]研究發(fā)現(xiàn),CeO2納米顆粒對同形溞和蚤狀溞的48 h-EC50分別為0.26mg·L-1和91.79mg·L-1。以上結果說明,納米顆粒的物化性質(zhì)不同,采用的溞類品種不同,表現(xiàn)出的生物效應可能會有明顯的差異。

圖5 在CeO2納米顆粒懸液中暴露不同時間的大型溞注:A,0 h；B,24 h；C,48 h。Fig.5 The photographs ofDaphnia magnaafter exposure to CeO2NPsNote:A,0 h;B,24 h;C,48 h.

大型溞是濾食性生物,能濾食水中的藻類和碎屑,同時也會攝入CeO2納米顆粒。如圖5所示箭頭所指消化道,CeO2納米顆粒暴露24 h就可以看到大型溞對納米顆粒的攝取,且隨著時間的延長,大型溞對納米顆粒的攝入量顯著增加,充滿整個消化道。此外,大型溞體表具有疏水性,其表面也能夠吸附大量CeO2納米顆粒(如圖6C右下角箭頭),納米顆粒吸附于大型溞體表后能夠顯著抑制其活動能力。納米顆粒暴露48 h后,不僅能夠在大型溞的體內(nèi)觀察到大量的納米顆粒的存在,而且在大型溞的體表也有吸附的納米顆粒,尤其在觸角上吸附的納米顆粒的數(shù)量較多(見圖6C),顯著抑制了大型溞的活動。

2.6 大型溞體內(nèi)Ce的化學形態(tài)分析

基于同步輻射的XANES是分析元素化學形態(tài)的有力手段,它可以靈敏地區(qū)分元素的價態(tài)和局域結構。如圖6所示,Ce(III)在低能處有一尖峰(圖中實線),Ce(IV)在高能處有2個寬峰(圖中虛線)。對比樣品與標準化合物XANES譜圖可以看出,納米CeO2處理48 h后,大型溞體內(nèi)Ce的XANES譜與Ce(IV)O2本身十分接近,通過線性擬合(LCF)得到大型溞體內(nèi)的 Ce主要以 IV價形式存在,轉(zhuǎn)化為Ce(III)的比例約為3%。LCF擬合曲線和XAENS譜吻合良好,結合擬合參數(shù)(R-factor=0.000177)可以證明該擬合的結果可靠。

CeO2納米顆粒的作用有可能來自吸附在體表的納米顆粒對大型溞活動的抑制、攝入大型溞體內(nèi)的CeO2納米顆粒自身或釋放的Ce3+離子引發(fā)的毒性效應等,其確切機制有待進一步研究。

圖6 暴露于CeO2納米顆粒后大型溞中Ce的XANES譜圖Fig.6 XANES spectra of Ce inDaphnia magna after exposure to CeO2NPs

綜上可知:

(1)高濃度CeO2納米顆粒水懸浮液可以抑制小球藻的生長和大型溞的活動,并引起大型溞的死亡。

(2)CeO2納米顆粒對小球藻生長96 h的EC50值為30.4mg·L-1,屬于中毒性物質(zhì)；對大型溞的48 h EC50值為142.7mg·L-1,屬于低毒性物質(zhì)。

(3)根據(jù)XANES結果,處理48 h后CeO2納米顆粒在大型溞體內(nèi)主要以Ce(IV)存在,轉(zhuǎn)化為Ce(III)的比例很低。

致謝:感謝中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心李兆利老師的幫助。

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*共同通訊作者(Co-),E-mail:zhaoxin@craes.org.cn

Toxicity of CeO2Nanoparticles to Chlorella pyrenoidosa and Daphnia magna,and Its Transformation Inside the Daphnia magna

Wang Jingkun1,2,3,Ma Yuhui2,*,Zhao Xin3,#,Feng Chenglian3,Zhu Weihuang1,Zhang Zhiyong2
1.Xian University of Architecture and Technology,Xi’an 710055,China
2.Institute of High Energy Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China
3.China Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012,China

16 April 2015 accepted 6 July 2015

With the rapid development of nanotechnology,nanomaterials have been used in many applications. Meanwhile,the potential impacts of these tiny particles with unique physicochemical properties on the environment and human health have attracted increasing attention from the public.In accordance with the standard OECD Guidelines for the testing of chemicals(OECD 201 and 202),we studied the ecotoxicity of CeO2nanoparticles(nCeO2)with the size of 6.44 nm to green algae(Chlorella pyrenoidosa)and water-flea(Daphnia magna).Effects of nCeO2on the algal biomass,chlorophyll content,and cellular reactive oxygen species(ROS)level as well as daphnia acute immobilization were investigated.With the increase of exposure concentration and time,the growth of chlorella cell was gradually inhibited.The content of chlorophyll in the algae decreased,whereas the cellular ROS level increased under the stress of nCeO2.The 96 h EC50of nCeO2on the growth ofChlorella pyrenoidosa was 30.4mg·L-1and the 24 and 48 h-EC50of nCeO2onDaphnia magnawere 430.2 and 142.7mg·L-1,respectively.According to the grading standards of the People's Republic of China on environmental protection industry, nCeO2can be assumed to be of moderate and low toxicity forChlorella pyrenoidosaandDaphnia magna,respectively.The majority of Ce inDaphnia magnawas present as Ce(IV),while about 3%was transformed into Ce(III). Further research on the toxic mechanisms of nCeO2is highly needed in order to minimize the adverse ecological effects.

CeO2nanoparticles;Chlorella pyrenoidosa;Daphnia magna;toxicity

2015-04-16 錄用日期:2015-07-06

1673-5897(2016)1-362-07

X171.5

A

10.7524/AJE.1673-5897.20150416003

王婧坤,馬宇輝,趙鑫,等.納米二氧化鈰對蛋白核小球藻和大型溞的毒性及其在大型溞體內(nèi)的形態(tài)轉(zhuǎn)化[J].生態(tài)毒理學報,2016,11(1):362-368

Wang J K,Ma Y H,Zhao X,et al.Toxicity of CeO2nanoparticles toChlorella pyrenoidosaandDaphnia magna,and its transformation inside theDaphnia magna[J].Asian Journal of Ecotoxicology,2016,11(1):362-368(in Chinese)

環(huán)保部環(huán)保公益項目(201209012)

王婧坤(1990-),女,碩士研究生,研究方向為環(huán)境毒理,E-mail:wangjingkun1990@163.com；

),E-mail:mayh@ihep.ac.cn

簡介:馬宇輝(1978—)，女，博士，副研究員，主要研究方向納米材料的毒理效應。

趙鑫(1980—)，女，碩士，工程師，主要研究方向為環(huán)境標準。