重金属锌是海洋微藻生命活动所必需的金属元素, 低浓度时可促进微藻的生长, 而在高浓度时则表现为抑制其生长, 并对微藻的细胞形态以及生命活动产生影响。

纳米颗粒, 被定义为粒径在1~100 nm之间的粒子。由于纳米颗粒具有良好的导电、感光、传热等性能, 从20世纪80年代开始便引起了人们的关注。纳米氧化锌(Nano-ZnO)广泛地应用于遮光剂、防晒霜、塑料、陶瓷、玻璃、医药及食品(提供营养元素Zn)等领域。Nano-ZnO可通过皮肤、呼吸道或消化道进入生物体并在体内积累, 但机体难以排除这类微小物质, 因此Nano-ZnO具有一定的生物毒性效应, 对其生物安全性的研究已成为目前研究热点^[1]。

随着工农业的发展以及工业纳米材料的广泛应用, 海洋中纳米氧化锌和锌离子有富集增加的趋势, 从而会对海洋微藻产生重要的影响。海洋微藻是海洋重要的初级生产者, 也是海洋氨基酸的重要来源。微藻的生长变化将会影响释放到海洋中的氨基酸含量和种类, 进而会影响海洋氮循环过程, 干扰生物地球化学循环。本文的研究拟通过不同浓度Zn²⁺和Nano-ZnO对中肋骨条藻和新月菱形藻的抑制试验和相关参数的测定, 来探究重金属锌的毒性及纳米颗粒对海洋微藻生长的影响, 为研究重金属对微藻藻源氨基酸产出和海洋氮循环的影响提供参考。

1 材料与方法 1.1 材料

培养实验中选用的两种硅藻新月菱形藻和中肋骨条藻, 均取自中国海洋大学海洋污染生态化学实验室藻种室。培养微藻的海水为胶州湾的陈化海水。

1.2 培养方法

陈化海水经混合纤维滤膜(0.45 μm)过滤后, 于高压灭菌锅中(120℃, 20 min)灭菌, 室温冷却后, 加入f/2培养基^[2]接入藻种。

先将微藻接入5 L锥形瓶进行扩大培养, 待微藻进入指数生长期后再分瓶接入多个500 mL锥形瓶进行抑制实验。微藻的培养条件:培养温度为20±1℃, 光照强度为4 000 lx, 光暗比(L:D)12 h:12 h, 每天摇瓶数次。

1.3 抑制试验

配制的两种重金属锌试剂分别为七水合硫酸锌储备液和Nano-ZnO储备液。在新月菱形藻的培养实验中, Zn²⁺和Nano-ZnO的添加浓度都为1~20 mg/L, 各设置7个不同浓度。在中肋骨条藻的培养实验, Zn²⁺的添加浓度为0.3~5 mg/L, 共设置7个不同浓度, Nano-ZnO的添加浓度为0.5~10 mg/L, 共设置7个不同浓度。每组浓度设置3个平行样, 培养时间为4 d。

1.4 测定方法 1.4.1 细胞数目计数

藻细胞密度用血细胞计数板于倒置生物智能显微镜下计数, 结果采用Origin Pro 9.0进行平均值和标准偏差的计算。

1.4.2 藻液中Zn²⁺的测定和样品扫描电镜的观察

取抑制实验处理96 h的藻样, 进行藻液中Zn²⁺的测定。将藻液离心并收集上清液, 然后使用Thermo Fisher Scientific的ICP-OES电感耦合等离子体发射光谱(USA)测定。取抑制实验处理24 h的藻样, 进行扫描电镜观察。将藻液离心后收集藻细胞, 在藻细胞中加入戊二醛(2.5%)并于4℃冰箱中过夜。将藻细胞样品用0.1 mol/L的磷酸缓冲液(PBS, pH=7.4)冲洗3遍, 每次冲洗完后离心弃除上清液, 并保留底部藻细胞。之后依次用不同浓度乙醇溶液(30%、50%、80%、90%和100%)进行样品的梯度脱水, 每步脱水持续20 min。脱水后的样品加入叔丁醇于4℃冰箱中进行固定, 冷冻干燥后涂布在导电胶上, 使用Hitachi的S-4800 SEM冷场发射扫描电子显微镜(Japan)进行观察。

1.4.3 氨基酸样品的采集和分析

取抑制实验处理48 h的藻样, 进行氨基酸样品的采集和测定。取出藻液并离心弃除上清液。用超纯水定容到原始体积, 反复离心清洗3次, 确保不含有胞外有机物(EOM), 然后用细胞破碎仪将细胞进行破碎, 使得藻细胞释放出胞内有机物(IOM), 最后离心获取上清液IOM, 使用Hitachi-2000高效液相色谱仪(Japan)进行氨基酸的分析。溶解态氨基酸(DFAA)直接取1.0 mL样品于色谱瓶中上机测定。氨基酸样品的分析测定采用改进的柱前邻苯二甲醛(OPA)衍生方法^{[3, 4]}进行测定。用梯度洗脱所得氨基酸标准的色谱图如图 1所示。

实验中测定的14种氨基酸谱图依次是Asp(天冬氨酸)、Glu(谷氨酸)、Ser(丝氨酸)、His(组氨酸)、Gly(甘氨酸)、Thr(苏氨酸)、Arg(精氨酸)、Ala(丙氨酸)、Tyr(酪氨酸)、Val(结氨酸)、Met(甲硫氨酸)、Phe(苯丙氨酸)、Ile(异亮氨酸)、Leu(亮氨酸)^[5]。

1.5 数据处理

取抑制实验处理48 h的藻样, 进行生长抑制率的计算。采用单因素方差分析(one-way ANOVA)检验各个7处理组之间显著性差异(P < 0.05)。生长抑制率IR计算公式为: IR(%)=(1–T/C)×100%, T为实验组微藻细胞密度, C为对照组微藻细胞密度。

半数效应浓度EC₅₀用统计软件SPSS 19计算, 置信区间为95%。

2 结果 2.1 生长抑制率

对两种微藻在抑制试验处理48 h后的抑制率进行了计算和处理, 如图 2所示, 两种硅藻新月菱形藻和中肋骨条藻的生长均受到了Zn²⁺和Nano-ZnO的抑制, 其抑制率随着加入的Zn²⁺或Nano-ZnO浓度的增加而增加, 且对Zn²⁺的响应程度大于Nano-ZnO。对于新月菱形藻, 当Zn²⁺的浓度为15 mg/L时, 其抑制率达到58.2%。当Nano-ZnO浓度为20 mg/L时, 其抑制率达到56.1%。对于中肋骨条藻, Zn²⁺的浓度为4 mg/L时, 其抑制率达到了57.2%。Nano-ZnO的浓度为15 mg/L时, 其抑制率达到66.1%。

引入半数效应浓度EC₅₀来进一步探讨新月菱形藻和中肋骨条藻对Zn²⁺和Nano-ZnO的敏感程度及不同形态锌的毒性大小, 结果如表 1所示。两种藻的EC₅₀表现出相同的变化趋势, 即Zn²⁺对两种藻的抑制作用要大于Nano-ZnO。中肋骨条藻对锌的敏感度要高于新月菱形藻, 这与此前李芳芳等^[6]的研究结果一致。

2.2 藻液中Zn²⁺浓度

为了更好地对比Zn²⁺和Nano-ZnO对藻的影响机制, 在抑制实验第4 d, 测定了所有藻液培养基中的Zn²⁺浓度(如图 3)。由图可知, 藻液中的Zn²⁺浓度随着加入的Zn²⁺和Nano-ZnO增加而增加。溶液中Zn²⁺的实际浓度要低于添加浓度, 这是因为培养基中的一部分Zn²⁺被微藻吸收或吸附于微藻表面。从图中也可以看出Nano-ZnO在海水中的溶解度较低。Nano-ZnO浓度为5.0 mg/L的溶液中Zn²⁺浓度为0.26 mg/L, 其对中肋骨条藻的抑制率为36.7%, 因此Nano-ZnO还可能通过其他的途径影响微藻的生长^[6]。

2.3 团聚与吸附

团聚和吸附是纳米颗粒物抑制海洋微藻生长的重要机制^[7]。如图 4电镜扫描图所示, Nano-ZnO会吸附在新月菱形藻的表面, 以前的研究也发现Nano-ZnO也会吸附在中肋骨条藻表面。同时Nano-ZnO也会团聚在一起, 形成粒径更大的纳米颗粒, 如图 4b中所示。

2.4 重金属锌对两种藻藻源氨基酸的影响

重金属粒子会对微藻产生氧化损伤、抑制光合效率等, 从而抑制微藻的生长。同时因为重金属离子对藻体的蛋白质合成等产生影响, 微藻也可以通过自身的调节来抵御重金属的毒害, 这种调节主要为胞内蛋白质的变化。本研究测定了Zn²⁺和Nano-ZnO暴露处理48 h后, 两种硅藻细胞内溶解态氨基酸的变化(图 5)。从图 5可以看出, 重金属锌会抑制新月菱形藻和中肋骨条藻胞内氨基酸的合成, 藻细胞内氨基酸含量随着Zn²⁺和Nano-ZnO浓度的增加而逐渐降低。Glu、Ser、Ala和Gly是这两种藻细胞内的主要氨基酸, 占总含量的40%以上^[8]。在新月菱形藻中的占比分别为8.6%、17.9%、23.9%和12.6%, 在中肋骨条藻中占比分别为18.9%、9.6%、16.4%和8.5%。当氨基酸总含量降低的时候, 这四种氨基酸的含量也受到重金属粒子的抑制作用合成量降低。

3 讨论 3.1 Zn²⁺和Nano-ZnO对微藻生长的影响

重金属锌是海洋浮游植物生长所必须的微量元素, 在保持微藻蛋白核的完整中起着重要的作用^[9], 但是浓度过高会抑制浮游植物的光合作用降低叶绿素的量, 也会引起细胞形态的变异^[10]。纳米材料可能通过多种途径进入环境而成为纳米污染物, 如纳米材料直接向环境的释放、工厂和实验室的废物排放、纳米产品在使用过程中向环境的释放等^[11]。

在抑制实验中发现, Zn²⁺和Nano-ZnO都会显著抑制浮游植物的生长, 随着浓度的增加其抑制程度也增加。李雅洁^[12]等也发现Nano-ZnO对斜生栅藻的抑制作用, 随浓度的增加而增加。同时, 不同微藻对重金属锌的敏感度不同, 中肋骨条藻比新月菱形藻敏感。

3.2 Nano-ZnO对微藻生长的抑制机制

Nano-ZnO在海水中会释放出Zn²⁺, 进而对微藻的生长和形态产生影响。这与Chen^[13]等研究的Nano-ZnO对生物造成毒性作用主要是从纳米颗粒中释放到溶液中的溶解Zn²⁺的结果一致。

在中肋骨条藻的抑制实验中, 当加入的Zn²⁺浓度为1.0 mg/L时, 藻液中Zn²⁺浓度约为0.2 mg/L左右时, 抑制率为24.2%;而当加入的Nano-ZnO浓度为5.0 mg/L时, 藻液中Zn²⁺浓度为0.26 mg/L时, 其抑制率却为36.7%, 高于Zn²⁺加入组的抑制率。由此可以推断, Nano-ZnO除通过释放Zn²⁺抑制浮游植物的生长, 还可通过其他途径影响浮游植物的生长。

目前有研究表明, 已知的纳米材料对藻类的毒性机理包括破坏细胞膜或膜电位、蛋白质氧化、遗传毒性、能量传递中断, 形成活化氧或释放有毒成分等^[14]。本研究的扫描电镜图也显示, Nano-ZnO会发生团聚和吸附效应。由于纳米颗粒比表面积大, 处于热力学不稳定状态, 极易发生团聚^[15]。Nano-ZnO团聚在一起形成的大粒径纳米颗粒, 会造成微藻的自团聚和机械损伤。吸附作用会使Nano-ZnO覆盖在微藻表面产生遮光效应或造成细胞壁和细胞膜的破损, 同时也会阻碍微藻与周围环境进行物质和能量的交换, 从而抑制微藻的生长^[16~18]。通过Ji等^[19]的实验结果发现, Nano-TiO和Nano-ZnO对小球藻具有明显的毒性效应, 且Nano-ZnO对小球藻的毒性效应不仅是Nano-ZnO在溶液中溶出了Zn²⁺, 其致毒机理还包括产生ROS对藻类造成损伤等。

3.3 重金属锌对藻源氨基酸的影响

研究中发现藻源溶解态氨基酸的含量也会随着Zn²⁺和Nano-ZnO浓度的增加而显著降低。两种藻细胞内氨基酸主要为Gly、Glu、Ser和Ala, 藻的生长受到抑制时也会显著降低这四种氨基酸的含量, 新月菱形藻胞内氨基酸中Ser和Ala含量较高, 而中肋骨条藻则是Glu和Ala含量较高, 两者的变化都会影响海域氨基酸的组成。

浮游植物是海洋氨基酸的重要来源, 浮游植物可以通过胞外释放和残骸分解过程向海域供给氨基酸^[5], 外界因素会影响氨基酸的释放种类^[20], 氨基酸在海洋氮循环中为异养细菌的生长提供氮源^[21-22], 因此浮游植物的生长变化将会影响释放到海洋中的氨基酸总量和种类, 从而影响海洋氮循环过程, 干扰生物地球化学循环。

4 结论

Zn²⁺和Nano-ZnO都会对海洋浮游植物的生长产生影响, 抑制程度随着浓度的增加而增加。Nano- ZnO主要通过释放Zn²⁺以及团聚和吸附来抑制海洋浮游植物的生长, 不同微藻对重金属离子的敏感度不同, 中肋骨条藻比新月菱形藻敏感。海水中的重金属离子会对海洋浮游植物的生命活动产生影响, 并可通过抑制其生长, 来改变其释放到海洋中的氨基酸总量和种类, 进而对海洋氮循环过程产生影响。