納米二氧化鈰對(duì)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，馬宇輝，趙鑫，馮承蓮，朱維晃，張智勇

1.西安建筑科技大學(xué)，西安710055

2.中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所，北京100049 3.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京100012

納米二氧化鈰對(duì)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(xué)，西安710055

2.中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所，北京100049 3.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京100012

隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展,納米材料的應(yīng)用日益廣泛。同時(shí),這類具有獨(dú)特物理化學(xué)特性的微小顆粒對(duì)環(huán)境和健康的影響引起了人們的關(guān)注。本工作參考國(guó)際經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)化學(xué)品生態(tài)毒理測(cè)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(duì)小球藻生長(zhǎng)、葉綠素含量和細(xì)胞內(nèi)活性氧水平以及大型溞運(yùn)動(dòng)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(shí)間延長(zhǎng),CeO2納米顆粒逐漸抑制小球藻的生長(zhǎng),導(dǎo)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(duì)小球藻生長(zhǎng)的EC50為30.4mg·L-1,而對(duì)大型溞活動(dòng)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(guó)環(huán)境保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的毒性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),CeO2納米顆粒對(duì)小球藻屬于中毒性物質(zhì),對(duì)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(duì)CeO2納米顆粒的水生態(tài)效應(yīng)給予足夠重視并深入研究其毒性作用機(jī)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(yīng)用越來(lái)越廣泛。與此同時(shí),納米材料可以通過(guò)生產(chǎn)設(shè)備、污水處理、商品使用等途徑直接或間接進(jìn)入水環(huán)境,對(duì)水生生物造成危害,其中ZnO、CuO、TiO2等納米材料對(duì)藻類的毒性主要表現(xiàn)在對(duì)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(yùn)轉(zhuǎn),使藻類消耗大量能量；多種金屬納米材料對(duì)大型溞的死亡率、繁殖能力、細(xì)胞毒性及生理變化(如跳躍頻率、后腹彎曲運(yùn)動(dòng)、心跳速率)等[2-4]均有影響；魚(yú)類毒性研究表明Ag、ZnO、nC60等納米材料會(huì)對(duì)胚胎發(fā)育情況(孵化時(shí)間、畸形、幼魚(yú)體長(zhǎng)等)、死亡率、病理學(xué)分析及抗氧化基因的表達(dá)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(dú)特的儲(chǔ)存和釋放氧的能力及高溫快速氧空位擴(kuò)散能力而被廣泛應(yīng)用于氧化還原反應(yīng)中,成為極具應(yīng)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(xué)機(jī)械拋光研磨料[8,15]以及電化學(xué)池中的膜反應(yīng)器材[16]等。最近,CeO2納米顆粒正越來(lái)越多地應(yīng)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(lái)潛在影響[17],因此迫切需要對(duì)CeO2納米顆粒的環(huán)境生態(tài)效應(yīng)進(jìn)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(diǎn),對(duì)于維持生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能起到關(guān)鍵作用[18]。關(guān)于CeO2納米顆粒對(duì)浮游生物中的藻類和大型枝角類的影響已有一些報(bào)道。例如,Ismael等[19]研究了CeO2納米顆粒對(duì)藍(lán)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(jí)CeO2對(duì)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(duì)3種不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)的水生生物的毒性。暴露24 h后,CeO2納米顆粒對(duì)月牙藻(Pseudokirchneriella subcapitata)、大型溞(Daphnia magna)和斑馬魚(yú)胚胎(zebrafish embryos)沒(méi)有明顯的毒性,暴露72 h后3種尺寸的納米顆粒對(duì)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(duì)大型溞的存活率沒(méi)有影響,其毒性遠(yuǎn)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(duì)大型溞沒(méi)有毒性。另外,Artells等[24]對(duì)其他枝角類生物的研究結(jié)果顯示,CeO2納米顆粒對(duì)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(duì)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(duì)CeO2納米顆粒對(duì)水生態(tài)毒性的進(jìn)行更廣范圍的研究并開(kāi)展毒性機(jī)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(duì)象,采用國(guó)際經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)化學(xué)品生態(tài)毒性測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)方法研究CeO2納米顆粒進(jìn)入水環(huán)境后的生態(tài)毒理效應(yīng)。研究結(jié)果有助于全面評(píng)價(jià)CeO2納米顆粒的水生毒性,同時(shí)將為減少納米材料對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響和納米材料的合理應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 藻液培養(yǎng)

取長(zhǎng)勢(shì)良好的蛋白核小球藻藻種在無(wú)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(shí)驗(yàn)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(shè)置光照強(qiáng)度為(3 000±10%)lx。盡可能保證對(duì)藻液光照均勻,每天按時(shí)搖晃培養(yǎng)瓶數(shù)次,避免小球藻細(xì)胞團(tuán)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(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的小球藻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2 小球藻暴露實(shí)驗(yàn)

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(shí)驗(yàn)前使用小球藻培養(yǎng)基稀釋,使實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)對(duì)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(xì)胞密度為2×106cell·mL-1,溶液終體積為15 mL,每組設(shè)3個(gè)平行,實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均值。將錐形瓶置于恒溫?fù)u床,維持光照強(qiáng)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(cè)定相應(yīng)的指標(biāo)。

1.3 小球藻生長(zhǎng)抑制檢測(cè)方法

小球藻EC50的測(cè)定:分別于暴露后的第24、48、72、96小時(shí)使用酶標(biāo)儀測(cè)定各濃度組在680 nm處的吸光度,計(jì)算小球藻細(xì)胞個(gè)數(shù)。由于CeO2納米顆粒的濁度會(huì)影響吸光度的測(cè)定,因此測(cè)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(jì)算暴露96 h的EC50。

葉綠素含量測(cè)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(biāo)儀測(cè)定其熒光強(qiáng)度(Ex/Em: 420 nm/671 nm)。

活性氧(ROS)的測(cè)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(cè)各組細(xì)胞內(nèi)ROS的水平。DCFH-DA進(jìn)入細(xì)胞后在細(xì)胞內(nèi)酯酶的作用下轉(zhuǎn)化為DCFH,DCFH被細(xì)胞內(nèi)ROS氧化生成有熒光的DCF,通過(guò)檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)DCF的熒光強(qiáng)度來(lái)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(biāo)儀(spectraMax M2,Molecular Devices Corporation,USA)測(cè)定各組熒光強(qiáng)度(Ex/Em:488 nm/ 525 nm)。

1.4 大型溞培養(yǎng)

大型溞受贈(zèng)于中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,并在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)超過(guò)一年。實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度為800 lx,培養(yǎng)溫度為(20±1)℃,隔天更換培養(yǎng)液。實(shí)驗(yàn)前使用重鉻酸鉀檢測(cè)大型溞的敏感性。結(jié)果顯示,重鉻酸鉀暴露24 h后EC50為0.884mg·L-1,符合實(shí)驗(yàn)要求。

1.5 大型溞活動(dòng)抑制實(shí)驗(yàn)

分別在每個(gè)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(shè)3個(gè)平行。實(shí)驗(yàn)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(dòng)情況。以大型溞活動(dòng)受抑制作為觀察標(biāo)準(zhǔn),輕輕晃動(dòng)實(shí)驗(yàn)容器,若15 s之內(nèi)大型溞不能游動(dòng),認(rèn)為其運(yùn)動(dòng)能力受到抑制。使用SPSS概率單位法計(jì)算EC50值。

1.6 組織中Ce化學(xué)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(shí)驗(yàn)站進(jìn)行圖譜采集。儲(chǔ)存環(huán)電子能量2.5 GeV,流強(qiáng)～200 mA。標(biāo)準(zhǔn)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(cè)器檢測(cè)。所得譜圖用Athena軟件進(jìn)行歸一化,采用線性擬合(linear combination fitting,LCF)對(duì)各組分比例進(jìn)行分析。

1.7 數(shù)據(jù)分析

每種試驗(yàn)均重復(fù)3次,結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析,采用Tukey’s檢測(cè)各處理組與對(duì)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(jié)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(jié)果顯示,合成的CeO2納米顆粒形貌穩(wěn)定,為缺角的八面體結(jié)構(gòu)。粒徑均一,平均粒徑為(6.44±0.42)nm(圖1)。DLS結(jié)果顯示(表1),CeO2納米顆粒在二次水中的水動(dòng)力學(xué)直徑顯著大于TEM測(cè)定結(jié)果,說(shuō)明在水中會(huì)發(fā)生一定程度的團(tuán)聚。但在綠藻培養(yǎng)基、大型溞培養(yǎng)基中團(tuán)聚更明顯。Zeta電位測(cè)定結(jié)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(cè)定結(jié)果與DLS測(cè)定得到的水和動(dòng)力學(xué)直徑結(jié)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(duì)小球藻生長(zhǎng)的影響

從圖2中可以看出,濃度為0.1mg·L-1時(shí),CeO2納米顆粒對(duì)小球藻細(xì)胞的生長(zhǎng)沒(méi)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(duì)小球藻細(xì)胞的抑制作用不明顯；但是隨著時(shí)間延長(zhǎng),抑制作用逐漸增強(qiáng)。濃度為200mg·L-1時(shí),小球藻細(xì)胞生長(zhǎng)基本停滯,藻體顏色變淺,甚至發(fā)白,抑制率高達(dá)90%。通過(guò)概率單位法計(jì)算得到CeO2納米顆粒對(duì)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(guó)家環(huán)境保護(hù)總局發(fā)布的中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[28]中藻類生長(zhǎng)抑制毒性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),CeO2納米顆粒對(duì)小球藻屬于中毒性物質(zhì)。

納米材料可能因?yàn)檎诠庑?yīng)使實(shí)驗(yàn)體系的實(shí)際光強(qiáng)下降,從而抑制藻類的生長(zhǎng)。本實(shí)驗(yàn)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(jī)變換錐形瓶在搖床的位置使藻類均勻受光,同時(shí)在底部或側(cè)面加以輔光,以此得到比較理想的結(jié)果。Baun等[29]的結(jié)果表明,在采取諸如降低光徑和保持湍流混合等光強(qiáng)補(bǔ)償措施后,藻類生長(zhǎng)抑制實(shí)驗(yàn)可用于濃度≤10mg·L-1的污染土壤懸浮液的生態(tài)毒性檢測(cè)。

圖2 CeO2納米顆粒對(duì)小球藻的生長(zhǎng)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(xué)性質(zhì)Table 1 The physicochemical characteristics of CeO2NPs in water and culture media

2.3 CeO2納米顆粒對(duì)小球藻葉綠素含量的影響

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

2.4 CeO2納米顆粒對(duì)小球藻體內(nèi)活性氧(ROS)的影響

圖4結(jié)果顯示了納米CeO2暴露后,小球藻細(xì)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(xì)胞內(nèi)ROS的水平與對(duì)照組相比無(wú)顯著差異,但隨納米顆粒濃度的增加和暴露時(shí)間的延長(zhǎng),細(xì)胞內(nèi)ROS的水平與對(duì)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(xì)胞96 h,小球藻體內(nèi)的活性氧水平分別為對(duì)照組的2.5倍和4倍。因此,我們推測(cè)納米顆粒暴露細(xì)胞后可以誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)ROS的產(chǎn)生,增加細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激的程度,從而影響細(xì)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(duì)小球藻細(xì)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(duì)大型溞的急性毒性

CeO2納米顆粒對(duì)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(guó)家環(huán)境保護(hù)總局發(fā)布的中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[28]中溞類急性活動(dòng)抑制毒性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),實(shí)驗(yàn)中所用CeO2納米顆粒對(duì)大型溞屬于低毒性物質(zhì),這與Gaiser[22]和Hoecke等[21]的研究結(jié)果相似；而Artells等[24]研究發(fā)現(xiàn),CeO2納米顆粒對(duì)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(jié)果說(shuō)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(yīng)可能會(huì)有明顯的差異。

圖5 在CeO2納米顆粒懸液中暴露不同時(shí)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(shí)也會(huì)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(duì)納米顆粒的攝取,且隨著時(shí)間的延長(zhǎng),大型溞對(duì)納米顆粒的攝入量顯著增加,充滿整個(gè)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(dòng)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(jiàn)圖6C),顯著抑制了大型溞的活動(dòng)。

2.6 大型溞體內(nèi)Ce的化學(xué)形態(tài)分析

基于同步輻射的XANES是分析元素化學(xué)形態(tài)的有力手段,它可以靈敏地區(qū)分元素的價(jià)態(tài)和局域結(jié)構(gòu)。如圖6所示,Ce(III)在低能處有一尖峰(圖中實(shí)線),Ce(IV)在高能處有2個(gè)寬峰(圖中虛線)。對(duì)比樣品與標(biāo)準(zhǔn)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(guò)線性擬合(LCF)得到大型溞體內(nèi)的 Ce主要以 IV價(jià)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(jié)合擬合參數(shù)(R-factor=0.000177)可以證明該擬合的結(jié)果可靠。

CeO2納米顆粒的作用有可能來(lái)自吸附在體表的納米顆粒對(duì)大型溞活動(dòng)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(yīng)等,其確切機(jī)制有待進(jìn)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(zhǎng)和大型溞的活動(dòng),并引起大型溞的死亡。

(2)CeO2納米顆粒對(duì)小球藻生長(zhǎng)96 h的EC50值為30.4mg·L-1,屬于中毒性物質(zhì)；對(duì)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(jié)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(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心李兆利老師的幫助。

[1]Aruoja V,Dubourguier H C,Kasemets K,et a1.Toxicity of nanoparticles of CuO,ZnO and TiO2to microalgae Pseudokirchneriella subcapitata[J].Science of the Total Environment,2009,407:1461-1468

[2]Tao X,Fortner J D,Zhang B,et al.Effects of aqueous stable fullerene nanocrystals(nC60)onDaphnia magna: Evaluation of sub-lethal reproductive responses and accumulation[J].Chemosphere,2009,77(11):1482-1487

[3]Yang X,Edelmann R,Oris J.Suspended C60nanoparticles protect against short-term UV and fluoranthene photo-induced toxicity,but cause long-term cellular damage in Daphnia magna[J].Aquatic Toxicology,2010,100(2): 202-210

[4]Lovern S B,Strickler J R,Klaper R.Behavioral and physiological changes inDaphnia magnawhen exposed to nanoparticle suspensions(titanium dioxide,nano-C60,and C60HxC70Hx)[J].Environmental Science&Technology, 2007,41(12):4465-4470

[5]Klaine S J,Alvarez P J,Batley G E,et al.Nanomaterials in the environment:Behavior,fate,bioavailability,and effects[J].Environmental Toxicology and Chemistry, 2008,27(9):1825-1851

[6]Zhu X,Zhu L,Li Y,et al.Developmental toxicity in zebrafish(Danio rerio)embryos after exposure to manufactured nanomaterials: Buckminsterfullerene aggregates (nC60)and fullerol[J].Environmental Toxicology and Chemistry,2007,26(5):976-979

[7]Palmqvist A,Johansson E,J?r?s S,et al.Total oxidation of methane over doped nanophase cerium oxides[J].Catalysis Letters,1998,56(1):69-75

[8]Tsch?pe A,Birringer R.Oxyreduction studies on nano-structured cerium oxide[J].Nanostructured Materials, 1997,9(1):591-594

[9]Barbier J,Oliviero L,Renard B,et al.Catalytic wet air oxidation of ammonia over M/CeO2catalysts in the treatment of nitrogen-containing pollutants[J].Catalysis Today,2002,75(1-4):29-34

[10]Shuk P,Ramanujachary K,Greenblatt M.New metal-oxide-type pH sensors[J].Solid State Ionics,1996,86: 1115-1120

[11]Izu N,Shin W,Murayama N,et al.Resistive oxygen gas sensors based on CeO2fine powder prepared using mist pyrolysis[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2002, 87(1):95-98

[12]杜新華,劉振祥,謝侃,等.CeO2/Nb2O5界面效應(yīng)對(duì)提高CeO2氧敏特性的XPS研究[J].物理學(xué)報(bào),1998,47 (12):2025-2030 Du X H,Liu Z X,Xie K,et al.XPS studies of CeO2/ Nb2O5intreface effect of the improvement of the oxygen sensiivity of CeO2layer[J].Acta Physica Sinica,1998,47 (12):2025-2030(in Chinese)

[13]Mori T,Drennan J,Wang Y,et al.Influence of nanostructure on electrolytic properties in CeO2based system [J].Journal of Thermal Analysis and Calorimetry,2002, 70(2):309-319

[14]Katsuki M,Wang S,Yasumoto K,et al.The oxygen transport in Gd-doped ceria[J].Solid State Ionics,2002, 154:589-595

[15]宋曉嵐,楊振華,邱冠周,等.納米氧化鈰在高新技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用及其制備研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2003, 17(12):36-39 Song X L,Yang Z H,Qiu G Z,et al.Developments in synthesis and application of CeO2nanoparticles[J].Materials Review,2003,17(12):36-39(in Chinese)

[16]Zhang Y,Andersson S,Muhammed M.Nanophase catalytic oxides:I.Synthesis of doped cerium oxides as oxygen storage promoters[J].Applied Catalysis B:Environmental,1995,6(4):325-337

[17]Milt V,Querini C,Miró E,et al.Abatement of diesel exhaust pollutants:NOx adsorption on Co,Ba,K/CeO2catalysts[J].Journal of Catalysis,2003,220(2):424-432

[18]張文靜,魏繼雨,羅會(huì)濤,等.池塘浮游生物優(yōu)勢(shì)種組成與DNA指紋的關(guān)系[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào),2010, 16(5):672-677 Zhang W J,Wei J Y,Luo H T,et al.Relations between DNA fingerprinting data and dominant species composition of pond plankon communities[J].Chinese Journal of applied and Environmental Bilogy,2010,16(5):672-677 (in Chinese)

[19]Rodea-Palomares I,Boltes K,Fernández-Pi?as F,et al. Physicochemical characterization and ecotoxicological assessment of CeO2nanoparticles using two aquatic microorganisms[J].Toxicological Sciences,2011,119(1):135-145

[20]Rogers N J,Franklin N M,Apte S C,et al.Physicochemical behaviour and algal toxicity of nanoparticulate CeO2in freshwater[J].Environmental Chemistry,2010,7 (1):50-60

[21]Hoecke K V,Quik J T,Mankiewicz-Boczek J,et al.Fate and effects of CeO2nanoparticles in aquatic ecotoxicity tests[J].Environmental Science&Technology,2009,43 (12):4537-4546

[22]Gaiser B K,Fernandes T F,Jepson M A,et al.Interspecies comparisons on the uptake and toxicity of silver and cerium dioxide nanoparticles[J].Environmental Toxicology and Chemistry,2012,31(1):144-154

[23]Jemec A,Djinovic'P,Tis'ler T,et al.Effects of four CeO2nanocrystalline catalysts on early-life stages of zebrafish Danio rerioand crustaceanDaphnia magna[J].Journal of Hazardous Materials,2012,219:213-220

[24]Artells E,Issartel J,Auffan M,et al.Exposure to cerium dioxide nanoparticles differently affect swimming performance and survival in twoDaphnidspecies[J].Plos One,2013,8(8):e71260

[25]Schubert D,Dargusch R,Raitano J,et al.Cerium and yttrium oxide nanoparticles are neuroprotective[J].Biochemical and BiophysicalResearch Communications, 2006,342(1):86-91

[26]He X,Zhang H,Ma Y,et al.Lung deposition and extrapulmonary translocation of nano-ceria after intratracheal instillation[J].Nanotechnology,2010,21(28):285103

[27]Ma Y,Kuang L,He X,et al.Effects of rare earth oxide nanoparticles on root elongation of plants[J].Chemosphere,2010,78(3):273-279

[28]國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局,2006

[29]Baun A,Justesen K B,Nyholm N.Algal tests with soil suspensions and elutriates:A comparative evaluation for PAH-contaminated soils[J].Chemosphere,2002,46(2): 251-258

*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(duì)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(xué)報(bào),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(xiàng)目(201209012)

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

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

簡(jiǎn)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(yīng)。

趙鑫(1980—)，女，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。