纳米二氧化钛与磷互作对莱茵衣藻砷累积与生物转化的影响.pdf
《纳米二氧化钛与磷互作对莱茵衣藻砷累积与生物转化的影响.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《纳米二氧化钛与磷互作对莱茵衣藻砷累积与生物转化的影响.pdf(11页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、纳米二氧化钛与磷互作对莱茵衣藻砷累积与生物转化的影响张鑫1,2,杨帆1,于子悦1,2,颜昌宙1*1.中国科学院城市环境研究所城市环境与健康重点实验室2.中国科学院大学摘要纳米材料因其较大的比表面积以及较强的反应活性,对砷(As)的环境行为具有一定的调控作用,而这可能对微藻 As 吸收代谢产生潜在的影响。以模式生物莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)为研究对象,探究不同磷酸盐(PO43)浓度下,纳米二氧化钛(nano-TiO2)对莱茵衣藻中 As()累积和生物转化的影响。结果表明:暴露初期(第 1 天)nano-TiO2作为载体显著促进了 0.013、0.100 和 0
2、.500mmol/LPO43处理组藻细胞对 As 的累积,但随着暴露时间的延长,nano-TiO2的载体效应呈下降趋势;暴露结束后(第 8 天),nano-TiO2添加组中,进入藻细胞的 As()除了还原成 As()及甲基化成二甲基砷外,还能进一步转化为一种可能为砷糖的未知化合物,且随着 PO43浓度的降低,藻细胞内这种砷糖所占比例逐渐增加,这可能会抑制 As()的外排;暴露结束后(第 8 天),培养基中主要检测到的 As 形态为 As()和 As(),1.0 和 0.5mmol/L 处理组还有少量二甲基砷。nano-TiO2的添加降低了培养基中 As()的浓度,尤其是 0.5 和 1.0mm
3、ol/LPO43处理组。研究结果表明,纳米材料与 PO43的互作可显著改变微藻 As 的累积与代谢过程。关键词莱茵衣藻;砷酸盐;磷酸盐;纳米二氧化钛;砷形态中图分类号:X173文章编号:1674-991X(2023)04-1404-11doi:10.12153/j.issn.1674-991X.20220728The interactive effects of titanium dioxide nanoparticles and phosphate on arsenicaccumulation and biotransformation in Chlamydomonas reinhardti
4、iZHANGXin1,2,YANGFan1,YUZiyue1,2,YANChangzhou1*1.KeyLaboratoryofUrbanEnvironmentandHealth,InstituteofUrbanEnvironment,ChineseAcademyofSciences2.UniversityofChineseAcademyofSciencesAbstractNanomaterialscanmodifytheenvironmentalbehaviorofarsenic(As)duetotheirlargespecificsurfaceareaandhighreactionacti
5、vity,whichmayaffecttheabsorptionandmetabolismofAsinmicroalgae.Inthisstudy,Chlamydomonas reinhardtii was used as model organism to investigate the influence of titanium dioxidenanoparticles(nano-TiO2)on As()accumulation and biotransformation in algal cells at different phosphateconcentrations.Theresu
6、ltsshowedthatnano-TiO2significantlypromotedAsaccumulationinalgaecellsin0.013,0.100and0.500mmol/Lphosphategroupsatthebeginningofexposure(1d),butthecarriereffectofnano-TiO2decreasedwiththeextensionofexposuretime.After8daysofexposure,inthenano-TiO2additiongroups,As()inalgalcellswasnotonlyreducedtoAs()a
7、ndmethylatedtodimethylarsenic,butalsofurthertransformedtoanunknownAscompound,possiblyarsenosugars.Andtheproportionofarsenosugarsinalgalcellsgraduallyincreasedwiththedecreaseofphosphateconcentration,whichmightinhibittheeffluxofAs().After8daysofexposure,As()andAs()werethemainAsspeciesintheculturemediu
8、m,andasmallamountofdimethylarsenicwasalsodetected.Theadditionofnano-TiO2decreasedtheproportionsofAs()intheculturemedium,especiallyin0.5and1.0mmol/Lphosphategroup.ThisstudyindicatedthattheinteractionbetweennanomaterialsandphosphatesignificantlyaffectedtheaccumulationandmetabolismofAsinmicroalgae,whic
9、hfacilitatestheapplicationofmicroalgaeinAsremediation.Key wordsChlamydomonas reinhardtii;arsenate;phosphate;nano-TiO2;Asspecies收稿日期:2022-07-19基金项目:国家自然科学基金项目(21906157)作者简介:张鑫(1997),女,硕士研究生,主要从事水环境与水生态研究,*责任作者:颜昌宙(1969),男,研究员,博士,主要从事污染物环境效应与生态风险研究,Vol.13,No.4环境工程技术学报第13卷,第4期Jul.,2023JournalofEnvironm
10、entalEngineeringTechnology2023年7月张鑫,杨帆,于子悦,等.纳米二氧化钛与磷互作对莱茵衣藻砷累积与生物转化的影响 J.环境工程技术学报,2023,13(4):1404-1414.ZHANGX,YANGF,YUZY,etal.TheinteractiveeffectsoftitaniumdioxidenanoparticlesandphosphateonarsenicaccumulationandbiotransformationinChlamydomonas reinhardtiiJ.JournalofEnvironmentalEngineeringTechnol
11、ogy,2023,13(4):1404-1414.砷(As)是一种广泛存在于水、大气、土壤、岩石和生物体的有毒类金属,被世界卫生组织(WHO)国际癌症研究机构(IARC)定级为一类致癌物质。As 在天然水体中的浓度范围很大,从小于 0.5g/L到大于 5000g/L 不等,在地表富氧水体中主要以砷酸盐As()的形态存在1。越来越多的证据表明,即使是在较低的 As 暴露水平(10g/L)下也会对人体健康产生影响2。藻类修复是一种绿色、低成本、可持续的水环境污染原位生物修复方法。浮游藻类细胞壁具有较大的表面积与黏性,可提供多种官能团与 As 结合,使其可有效地吸附和富集 As 等离子3。李妍丽4研
12、究了 5 种淡水绿藻对 As 污染水体的生物修复,发现 1.0107个/mL 藻细胞作用 24h后 As()(1mg/L)的去除率为 68.35%85.45%,该研究还指出微藻在 As()修复过程主要涉及细胞表面官能团,如羧基、氨基、羟基、磺酸基等。此外,微藻还能通过甲基化等途径对 As 进行代谢转化5,甲基化的 As 还可以继续转化成为毒性相对较低的有机砷,如砷糖和砷脂等6,因而微藻在水体 As 污染修复中具有很大的潜力。然而,自然水环境是一个非常复杂的体系,大部分 As 与环境中的各种颗粒物(纳米颗粒、腐殖酸等)共存。由于环境物质可能会通过与 As 竞争在微藻表面的结合位点7、影响细胞膜的
13、渗透性8等方式改变 As 在藻-液界面的物理化学行为,进而调控 As 在藻细胞中的吸附、吸收与形态转化过程。因此,探究环境物质包括纳米颗粒对微藻 As 吸收转化的调控作用,对于系统了解微藻对As 的代谢机制及其生态修复功能,具有十分重要的理论价值和现实意义。纳米二氧化钛(nano-TiO2)因其独特的理化性质在水处理、造纸、纺织等行业中得到广泛应用。预计到 2025 年,nano-TiO2的年产量约为 250 万 t9,这将使其不可避免地暴露于水环境中。根据预测调查,地表水和废水中nano-TiO2浓度为15ng/L16g/L,高暴露情境下地表水中 nano-TiO2浓度可以达到mg/L 级别
14、10-12。nano-TiO2因其较大的比表面积与吸附能力,能作为载体促进 As 在水生生物(鲤鱼13、大型蚤14、丰年虾15)中的摄入,并调控生物对 As 的排泄与利用。针对浮游藻类的研究也发现类似的现象,如 Luo 等5的研究表明,添加 nano-TiO2后铜绿 微 囊 藻(Microcystis aeruginosa)和 斜 生 栅 藻(Scenedesmus obliquus)对 As 的累积和甲基化作用显著增加。Yang 等16研究发现,nano-TiO2与 As()共暴露 24h 后,As 在拟微绿球藻(N.maritima)细胞碎屑组分中的分布显著增加,而在细胞器组分中的占比却显
15、著降低,该研究认为细胞壁对纳米颗粒的拦截效应降低了 As 对微藻的毒性作用。但是,目前关于 nano-TiO2如何影响微藻 As 累积与生物利用方面的研究仍相对较少,尤其是 As 的代谢转化方面,相关调控机理的揭示仍比较零散,缺乏系统性,有待开展深入研究。笔者以模式生物莱茵衣藻(Chlamydomonasreinhardtii)为研究对象,以 PO43为限制性条件,采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)和高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱联用技术(HPLC-ICP-MS)分析藻细胞中 As 的累积量以及培养基和藻细胞中As 形态,研究 nano-TiO2存在与否条件下,莱茵衣藻对 As()累
16、积代谢差异,探究 nano-TiO2对莱茵衣藻 As()累积和生物转化的调控作用,以期为应用微藻修复 As 污染水体提供理论依据。1材料与方法 1.1材料与试剂研究用 nano-TiO2为锐钛矿晶型,其粒径小于25nm,纯度大于 99.7%,购于 Sigma-Aldrich 公司。将 nano-TiO2粉末分散于超纯水中,配制成 1g/L 的储备液,冰浴超声 30min 后于 4 避光保存。试验前,将储备液稀释至 2 和 20mg/L,冰浴超声 30min后待用。采用 Na3AsO412H2O(国药集团化学试剂有限公司)配制 1mmol/L 的 As()储备液,试验前稀释至 10mol/L。1
17、.2藻种及培养条件莱茵衣藻购于中国科学院水生生物研究所淡水藻种库,在 TAP 培养基(pH=7.0)中悬浮培养,培养温度为 25,光照强度为 2000lx,光暗比为 12h12h。藻种扩增及培养过程中均采用无菌操作。1.3nano-TiO2沉降动力学及对 As()的吸附采用紫外-可见光分光光度法监测 nano-TiO2在不同 PO43浓度 TAP 培养基中的动力沉降过程17:在 nano-TiO2浓度为 2 和 20mg/L 纳米混悬液冰浴超声后的 0、1、2、4、6、12、24、36、48h,吸取适量样品在 370.5nm 处测定样品吸光度,以吸光度的变化表征 nano-TiO2在不同 PO
18、43浓度 TAP 培养基中的动力沉降过程。将 As()和冰浴超声分散后的 nano-TiO2添加到不同 PO43浓度的灭菌 TAP 培养基中,使培养基中 As()终浓度为 10mol/L,nano-TiO2终浓度为2 和 20mg/L,体系 pH 调至 7.0 后密闭置于恒温振荡培养箱(25、175r/min)中,于 0、1、2、4、6、12、第4期张鑫等:纳米二氧化钛与磷互作对莱茵衣藻砷累积与生物转化的影响140524、48h 取适量样品,12000g 离心 10min,稀释、过滤后,使用 ICP-MS 测定上清液中 As 浓度,通过其变化特征分析计算不同 PO43浓度下 nano-TiO2
19、在TAP 培养基中对 As()的吸附。nano-TiO2在不同 PO43浓度 TAP 培养基中对As()的吸附率和吸附量计算公式如下:A=C0CeC0100%(1)B=(C0Ce)Vm(2)式中:A 为吸附率,%;B 为吸附量,g/mg;V 为溶液体积,L;C0为 As()初始浓度,g/L;Ce为吸附后As()浓度,g/L;m 为 nano-TiO2质量,mg。1.4莱茵衣藻试验设置分别设置了 1 个 As()浓度(10mol/L),3 个nano-TiO2浓度(0、2、20mg/L)和 4 个磷酸盐(PO43)浓度(0.013、0.1、0.5、1.0mmol/L)进行交叉试验(表 1)。PO
20、43浓度梯度设置,主要参考 Zhang 等18的研究以及地表类水中 PO43浓度。通过高浓度的 PO43限制藻细胞对游离态 As()的吸收,比较莱茵衣藻对 nano-TiO2结合态 As()、游离态 As()吸收与代谢的差异。将预培养至对数生长期的莱茵衣藻在 4 下于 2500r/min 离心 15min,弃去上清液,用灭菌的无磷 TAP 培养基清洗 3 次,去除细胞表面吸附的PO43。将藻细胞重新分散于无磷 TAP 培养基中缺磷驯化 3d,以耗尽藻细胞内储存的 PO43,确保试验不受藻细胞内 PO43的干扰。将达到对数生长期的缺磷莱茵衣藻重悬于 200mL 灭菌 TAP 培养基中,接种初始
21、OD680为 0.06(藻细胞密度约为 1105个/mL)。各试验组设置 3 个重复,培养条件与预培养一致,每天手摇 3 次以保证气体交换以及 nano-TiO2颗粒与藻细胞充分接触。暴露周期为 8d,每天定时测定藻细胞生长密度,并于第 1、4、8 天收集一定量的藻液,测定不同处理条件下生长初期、对数生长期和静止期莱茵衣藻对 As 的累积,以及暴露结束时(第8 天)培养基和藻细胞中的 As 形态。1.5总 As 和 As 形态分析测定1.5.1藻体总 As 的测定取一定量藻液于 4000r/min、4 下离心 15min 后收集藻细胞,用适量磷酸盐缓冲液1mmol/LK2HPO4、0.5 mm
22、ol/L Ca(NO3)24H2O 和 5 mmol/LMES,pH 为 6.0和超纯水清洗 3 遍以去除莱茵衣藻细胞表面吸附的 As。藻细胞冷冻干燥至恒质量后,取 5mg 左右冻干藻样加入纯 HNO3-HF 混合液(二者比例为 51)共 1.2mL 于微波消解(程序为 600W、2 min;0 W、2 min;450 W、45 min),用 2%HNO3定容,经 0.22m水系过滤器过滤后,采用ICP-MS 测定样品中 As 浓度。1.5.2培养基与藻细胞中水溶性 As 形态的提取与测定莱茵衣藻暴露 8d 后取一定量的藻液离心,上清液经 0.22m 水系过滤器过滤后于80 保存,待测。藻细胞
23、中 As 形态的提取参照文献 19-20 的方法:称取一定量冷冻干燥后的藻样,加入 2mL 超纯水为萃取剂,冰浴超声萃取 10min(100W、40Hz)后 4000r/min 离心 5min;重复提取 3 次,将离心的上清液合并后定容,提取液经 0.22m 水系过滤器过滤后于80 保存,待测。培养基和莱茵衣藻藻细胞中的 As 形态采用HPLC-ICP-MS 测定。将前置保护柱(11.2mm,1220m)与阴离子交换柱(HamiltonPRP-X100)串联,使 用 流 动 相 10 mmol/L(NH4)2HPO4,10 mmol/LNH4NO3,pH 为 6.25对各 As 形态进行分离,
24、同时配置不同浓度的 As()、一甲基砷(MMA)、二甲基砷(DMA)和 As()混合标准溶液对样品中 As 的形态与浓度进行鉴定与分析。检测条件:进样体积 50L,流速 1.0mL/min,运行时间 10min。1.6质量控制与数据统计分析在总 As 和 As 形态的测定过程中,以45Sc、72Ge和103Rh 为内标元素,以 As 的标准曲线进行定量。分析过程中每 10 个样品对 5.0 和 20.0g/LAs 标准样品进行回测,确保测试信号的稳定性和数据的准确性。总 As、As()、MMA、DMA 和 As()的检出限分别为 0.01、0.07、0.12、0.07 和 0.20g/L。使表
25、 1 试验分组设计Table1Experimentalgroupdesign试验组别As()浓度/(mol/L)PO43浓度/(mmol/L)nano-TiO2浓度/(mg/L)P0.013T0100.0130P0.013T2100.0132P0.013T20100.01320P0.1T0100.10P0.1T2100.12P0.1T20100.120P0.5T0100.50P0.5T2100.52P0.5T20100.520P1.0T0101.00P1.0T2101.02P1.0T20101.0201406环境工程技术学报第13卷用紫菜标准品(GBW08521,中国国家标准材料研究中心)进行
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 纳米 氧化 作对 莱茵衣藻砷 累积 生物转化 影响
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。