海洋微藻小球藻（Chlorella sorokiniana）对单壁碳纳米管和Fe?O?纳米颗粒单独作用以及联合处理的生物响应

《Plant Physiology and Biochemistry》：Biological response of marine microalga Chlorella sorokiniana to single and combined treatments of multi-walled carbon nanotubes and Fe 2O 3 nanoparticles

纳米颗粒（NPs）因独特物理化学性质被广泛应用，但释放到环境中可能对生态系统造成影响。本研究以微藻Chlorella sorokiniana为模型，评估单种及混合暴露下多壁碳纳米管（MWCNTs）和α-Fe?O?纳米颗粒的毒性效应。结果表明：20 mg/L MWCNTs显著抑制藻类生长，可能与颗粒自聚集和光遮蔽效应有关；而混合暴露（MWCNTs+α-Fe?O?）进一步加剧氧化应激，导致脂质过氧化水平升高和抗氧化酶系统激活。扫描电镜证实藻细胞形态 altered，且混合暴露毒性效应强于单一颗粒。研究揭示了纳米颗粒复合暴露的协同毒性机制及生态风险。

　　本研究聚焦于纳米材料对海洋微藻的影响，特别是多壁碳纳米管（MWCNTs）与α-Fe?O?纳米颗粒（NPs）的单一与混合暴露对微藻生长及生理生化反应的潜在毒性。随着纳米技术的快速发展，纳米材料因其独特的物理化学特性被广泛应用于工业、医疗和商业领域，例如传感器、催化、太阳能电池以及废水处理等。然而，这些纳米材料在生产、运输、使用和处置过程中不可避免地进入自然生态系统，最终可能积累在水体中，对水生生物和整个生态环境产生影响。因此，研究纳米材料对水生生物的毒性机制，特别是对作为生态系统基础生产者的微藻的影响，具有重要的生态和环境意义。

微藻在海洋生态系统中扮演着关键角色，它们不仅是初级生产者，还构成了食物链的基础，对维持生态平衡至关重要。由于微藻具有快速生长、易于培养、体型微小以及对环境污染物高度敏感等特点，它们被广泛用作评估纳米材料毒性及生态风险的模式生物。研究发现，不同种类的纳米材料对微藻的毒性效应存在显著差异，这种差异可能受到实验物种、纳米材料特性以及检测方法等因素的影响。例如，一些研究指出，在低浓度的α-Fe?O?纳米颗粒暴露下，某些微藻种类的生长反而得到改善，而另一些微藻则表现出明显的生长抑制。因此，选择合适的微藻种类进行实验，有助于更准确地评估纳米材料的生态影响。

本研究中选用的模式生物是绿藻**Chlorella sorokiniana**，这是一种广泛分布于陆地、淡水和海洋环境中的微藻，常在自然环境中接触到外源物质，包括纳米材料。由于其生长速度快、适应性强，**C. sorokiniana**被广泛应用于生态毒理学研究中。研究中，对MWCNTs和α-Fe?O?纳米颗粒在不同浓度下的毒性进行了系统分析，同时探讨了它们的混合暴露对微藻的影响。研究还关注了纳米材料对微藻细胞造成的生理和生化反应，例如细胞数量变化、生长速率、光合色素含量、生物化学成分（如总碳水化合物、蛋白质和脂质）以及胞外聚合物（EPS）含量的变化。此外，通过扫描电子显微镜（SEM）观察了微藻细胞在纳米材料暴露下的形态变化，以进一步揭示纳米材料对微藻的毒性机制。

研究发现，单独暴露于MWCNTs的微藻在20 mg/L浓度下表现出显著的生长抑制，而较低浓度（5 mg/L和10 mg/L）下的生长趋势与对照组相似。这种生长抑制可能与纳米颗粒的同聚现象以及对光的遮蔽效应有关。同聚现象是指纳米颗粒在水体中相互聚集，形成较大的团簇，从而减少其与微藻细胞的直接接触。而遮蔽效应则是指纳米颗粒覆盖在微藻细胞表面，限制了光的吸收，进而影响光合作用效率。实验结果表明，随着MWCNTs浓度的增加，微藻细胞的光合色素含量也有所增加，这可能是因为微藻在面对纳米颗粒的遮蔽效应时，通过增强光合色素的合成来提高光能的利用效率。然而，这种生理适应并未能完全抵消纳米颗粒对微藻生长的抑制作用。

另一方面，α-Fe?O?纳米颗粒在单独暴露下对微藻的毒性相对较弱，但当与MWCNTs混合暴露时，其毒性显著增强。这表明两种纳米材料之间存在相互作用，这种相互作用可能通过改变纳米颗粒的表面性质、聚集行为或与其他物质的反应机制，进而影响微藻的生理状态。实验结果还显示，混合暴露下的微藻细胞表现出更高的氧化应激水平，这可能是由于两种纳米材料共同作用，导致活性氧（ROS）的产生增加，从而破坏细胞内的氧化还原平衡。氧化应激被认为是纳米材料诱导毒性的重要机制之一，因此，本研究特别关注了氧化应激相关的生物标志物，如脂质过氧化和抗氧化酶活性等，以评估纳米材料对微藻细胞的毒性程度。

为了进一步揭示纳米材料对微藻的影响机制，研究中还分析了微藻细胞在纳米材料暴露下的形态变化。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，暴露于纳米材料的微藻细胞表面出现形态改变，如细胞壁增厚、细胞结构扭曲等，这可能与纳米材料对细胞膜的物理损伤有关。此外，研究还发现，混合暴露下的微藻细胞中，生物化学成分如总碳水化合物、蛋白质和脂质的含量显著变化，这可能反映了微藻在面对纳米材料压力时，通过调整代谢途径来维持细胞功能。同时，胞外聚合物（EPS）的含量也有所增加，这可能是微藻为了应对纳米材料的毒性而分泌的保护性物质，以减少纳米材料对细胞内部的直接伤害。

研究结果表明，纳米材料对微藻的毒性不仅受到其自身浓度的影响，还与纳米材料之间的相互作用密切相关。这种相互作用可能导致纳米材料的毒性效应发生改变，例如毒性增强或减弱。因此，为了更全面地评估纳米材料对水生生态系统的潜在影响，需要考虑多种纳米材料在环境中的共存情况，而不仅仅是单一纳米材料的暴露。目前，关于MWCNTs和α-Fe?O?纳米颗粒混合暴露对微藻的影响研究仍较为有限，因此，本研究的发现对于理解纳米材料在自然环境中的复杂相互作用具有重要意义。

此外，研究还发现，微藻在面对纳米材料暴露时，其抗氧化防御机制被显著激活。这种防御机制包括酶促抗氧化和非酶促抗氧化两个方面，如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）以及谷胱甘肽（GSH）等。这些抗氧化物质的增加可能是微藻为了应对纳米材料诱导的氧化应激而采取的自我保护措施。然而，这种防御机制的激活程度受到纳米材料种类、浓度以及暴露时间等因素的影响，因此，不同条件下微藻的抗氧化能力可能存在显著差异。

本研究的结果为评估纳米材料对水生生态系统的潜在影响提供了新的视角。研究发现，纳米材料的毒性不仅取决于其自身的物理化学特性，还受到其在环境中的共存情况、暴露浓度以及与其他物质的相互作用等因素的影响。因此，在进行纳米材料生态风险评估时，必须考虑这些复杂因素，以确保评估结果的准确性。同时，研究还强调了微藻在生态毒理学研究中的重要性，作为敏感的生物指示剂，它们能够反映纳米材料对生态系统的影响，为环境保护和风险防控提供科学依据。

综上所述，纳米材料在自然环境中的广泛应用，使其成为生态风险评估的重要对象。研究发现，MWCNTs和α-Fe?O?纳米颗粒对微藻的毒性效应存在显著差异，且在混合暴露下，其毒性可能被放大。这种毒性放大可能与纳米材料的同聚行为、遮蔽效应以及氧化应激等因素有关。因此，为了更全面地理解纳米材料对水生生态系统的潜在影响，需要进一步研究它们在不同环境条件下的相互作用机制。此外，研究还强调了微藻在生态毒理学研究中的重要性，以及在纳米材料风险评估中的应用价值。这些发现不仅有助于揭示纳米材料对水生生物的毒性机制，也为环境保护和可持续发展提供了科学支持。