文摘

本文研究了三个工程纳米颗粒的毒性(经验),也就是说,艾尔₂O₃、SiO₂,TiO₂单细胞绿藻,例证Pseudokirchneriella subcapitata重点是粒子的大小。pH值的变化、细胞计数、叶绿素a和脂质过氧化作用是用来测量藻类物种经验的反应。最有毒的粒度是TiO₂在42海里的EC20 5.2 mg / L和艾尔₂O₃在14 - 18海里的EC20 5.1 mg / L。SiO₂最有毒的EC20 318 mg / L。毒性呈正相关经验和藻类的表面电荷。藻细胞的叶绿素含量受到经验的存在,导致有限的光和可用性的营养由于增加浊度和营养表面吸附到经验,分别。脂质过氧化是由于活性氧(ROS)。藻细胞之间的快速反应和ROS TiO之间的直接接触₂和藻细胞脂质过氧化作用是一个重要的因素。

1。介绍

纳米材料已被用于工业应用和商业产品增长迅速。新型纳米每天正在开发。这些新材料可以更危险比大部分国家由于小说不仅体积小而且数字属性。在这些粒子,TiO₂、SiO₂,艾尔。₂O₃已被证明有负面影响对肺系统(1- - - - - -3]。有一些研究这些粒子对藻类的影响。范Hoecke et al。4)观察到的增长率的变化p . subcapitata当暴露在SiO₂。Warheit et al。5)报道,抑制经济增长p . subcapitata用72小时EC50 TiO的87和61 mg / L₂分别为38.5和100海里,大小。霁et al。6)公布日生存EC50 120 mg / L的锐钛矿与20 - 50纳米的大小。迄今文献结果表明一个明确的剂量反应微生物生存和经验浓度之间的关系。然而,需要更多的研究来说明微生物的机制对经验的反应。

活性氧(ROS)生成在类囊体膜在光合作用[7]。过氧化氢被认为是ROS的优势种藻类。这是由于涉及氢过氧化物的反应时间相对较长,约1微秒相比其他活性氧物种的纳秒。藻类的ROS-protective机制包括超氧化物歧化酶、抗坏血酸盐过氧化物酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶(7]。TiO的感光₂也会产生活性氧。ROS的产生也与粒子大小、晶体结构和表面缺陷8]。粒子的大小是一个重要的变量,随着比表面积的增加相对地粒子直径成正比。比表面积的增加将导致特定的光催化粒子的量子产量的增加从而增加活性氧生成(9- - - - - -11]。Bakardjieva et al。10]证明TiO的比表面积₂增加,4-chlorophenol降解增加。Tesng et al。9]表明2-chlorophenol降解减少增加初级粒子的大小。大小影响photoctalytic能力已经在其他粒子包括cd [12),HgSe和硒化铅13],氧化锌[14],SnO₂(15]。得出结论,量子点的粒径是影响细胞毒性(一个主要的因素16]。Kashiwada [17]表明,乳胶纳米颗粒被吸附了圣二蛋的最佳粒度474海里。亚当斯et al。18)检查TiO的颗粒大小的影响₂,SnO₂,氧化锌枯草芽孢杆菌和大肠杆菌并观察某种程度的毒性是否粒子在光。然而,他们未能得出结论粒子尺寸效应由于悬浮颗粒大小的变化一次。

本研究的目的是确定光催化(例如,TiO的毒性₂)和non-photocatalytic纳米粒子(例如,艾尔₂O₃和SiO₂)在一个广泛的粒度通过评估对细胞群的影响,叶绿素,脂质过氧化作用p . subcapitata。毒性的模式也被检查。

2。方法和材料

2.1。纳米粒子

股票停赛2 g / L是用氧化铝、二氧化硅或二氧化钛在150 - 500毫升的锥形烧瓶与藻类生长培养基(19]。表1给出了信息经验材料的物理和化学性质的研究。股票悬浮液在120°C热压处理过的20分钟前至少一天实验,直到使用储存在室温下。

2.2。藻类文化

藻类文化,P。subcapitata,购买从水生生物系统(柯林斯堡有限公司)。藻类培养液被储存在4°C在黑暗中不超过6个月。培养的藻类在3 L不断搅拌釜反应器(装运箱)之后,麦茨勒(20.]。水力停留时间(HRT)装运箱的3天,流量的50毫升/小时。

2.3。生长室

生长室约80厘米×62厘米×68厘米,木材或金属框架,覆盖着黑色的布。银行6荧光灯是悬浮在框架上的开销。灯使用包括模型通用电气PL / AQ F12T20(通用电气,费尔菲尔德,CT) Gro-lux F12T20 / Gro / AQ,和2森林城Gro-lux广泛F12T20 / Gro / AQ / WS(卢瑟福,新泽西,美国)。这些灯具提供平均勒克斯,从顶部的测试测量烧杯。松饼的粉丝或离心miniblower删除多余的热量产生的灯。每个风扇或鼓风机使用被停职的外室大约1英寸以下的灯,用一个访问端口切成布。轨道平台瓶把烧杯和设置为振动在150 rpm。

2.4。暴露实验

整除的股票NP被添加到一系列1 L烧杯。股票悬浮液与磁力搅拌棒不断搅拌。藻类生长介质被添加到烧杯卷到100毫升。悬浮液是用2分钟48 W的功率使用Cole-Palmer 4710系列超声波均质器。悬浮液被允许平衡一小时。一小时后,100毫升的装运箱藻文化是添加到NP悬挂的藻细胞密度细胞/毫升。三个增长的样本被放置在一个房间。曝露试验的持续时间是4天。

每天接触实验过程中样品酸度测定与康宁/离子分析仪350配备了康宁半微量组合pH值调查。此外,最小和最大温度的增长钱伯斯为每一个24小时的时间内记录。在为期4天的结束曝光,剩下的样品体积是由测量体积的差异之前和之后运行。40毫升的样品被收集在50毫升Fisherbrand离心管为叶绿素a进行了分析。此外,12毫升收集15毫升Fisherbrand离心管和分析细胞密度和脂质过氧化作用。样品在黑暗中被储存在4°C(最多7天),直到分析。据韦伯et al。21),叶绿素含量的变化不应发生的时期。

细胞密度被直接测量细胞计数。一毫升样品稀释月桂醇硫酸酯1毫升的0.5米。这是然后混合戴德旋涡振动模型S8223-1 2分钟。然后整除的样本添加到血细胞计数器指望一个奥林巴斯AX70显微镜;样本统计至少4次。细胞密度被转化为细胞群总细胞数乘以体积1 L测试样品剩下的烧杯结束时测试持续时间。总细胞群被纠正为初始种群和规范化的基础上控制,使用以下方程: 在哪里是归一化发展,细胞密度(cell /毫升),样品的体积在为期4天的结束曝光时间(毫升),时间是一个样本被暴露在一个特定的经验,然后呢是控制样品没有治疗。

测定叶绿素a的样本集中到0.5 - 3毫升,然后根据标准分析方法检查水和废水22]。总之,集中样本添加到玻璃均化管。50毫升样品管冲洗了几毫升的Mg丙酮(2.0克(MgCO₃)₄和Mg(哦)₂h·5₂O稀释至200毫升在蒸馏去离子水稀释1:10在丙酮)。均化管的体积是3毫升Mg-acetone解决方案。然后样本均质1分钟在2000 rpm Glas-Col变量speed-reversible均质器。样本然后沉浸在4°C在黑暗中2小时在15毫升塑料离心管。陡峭的时间后,样品在664×g离心30分钟。上层清液的光密度测量在750和664海里,惠普8525紫外可见模型分别。盐酸(0.1毫升0.1 N)被添加到样品,光密度测量在750和665海里后90秒的平衡。叶绿素a的浓度([Chla] mg-Chla / m³)是由下列方程计算: 在哪里在664纳米的吸光度增加酸,的吸光度665海里添加酸之后,提取(L)的体积,样品体积(m³),光路(cm)。具体计算了叶绿素a以下表达式: 在哪里是特定的叶绿素(mg Chla /单元),[Chla]是叶绿素a的浓度(毫克Chla / m³),细胞密度(没有。细胞/毫升)。特定的叶绿素,,然后归一化对控制根据以下方程: 在哪里是归一化特定叶绿素(无量纲)是特定的叶绿素(mg Chla /单元),然后呢特定的叶绿素a的控制(mg Chla /细胞)。

最后,分析样品后脂质过氧化法在阴间的et al。23]。总之,1毫升的样品加入2毫升10%三氯乙酸。样本然后在11000×g离心45分钟。上层清液被添加到3毫升的6.7 g / L 2-thiobarbituric酸,这是之前加热到60°C以溶解固体。样本然后在沸水中加热10分钟。冷却后,测定样品的吸光度惠普紫外可见模型8525 532和600 nm波长,分别。的吸光度在532 nm纠正背景在600海里。校准标准由1,1,3,3-tetramethoxypropane。具体的脂质过氧化反应()是由下列方程计算: 在哪里MDA pmol /单元的单位,(MDA)是malondialdehyde-thiobarbituric酸的浓度复杂的测量(μ米),是样品的体积的最后4天暴露(mL),然后呢细胞密度(没有。细胞/毫升)。的值归一化对控制根据以下方程: 在哪里是相对的脂质过氧化(无量纲)是样品的具体的脂质过氧化(MDA pmol /单元),然后呢的特定的脂质过氧化作用是控制(MDA pmol /细胞)。

剂量反应曲线是用来计算的有效浓度(EC)。美国环境保护部(19)使用日常细胞密度来计算增长抑制浓度(IC)。每天要处理的样品数量做了这个不切实际的。致死浓度(LC)值,定义为生物体死亡的总数在曝光期间,并没有用于确定NP对藻类的毒性。因此,选择电子商务。EC值被定义为总增长控制和测试样本之间的差异。EC20和EC50浓度限制增长20 - 50%的控制样本。

3所示。结果

尺寸和类型属性的经验很重要。目前研究的主要目标是确定粒子大小和类型如何影响藻类的生理和生化行为例证p . subcapitata。藻类细胞暴露于TiO₂,艾尔。₂O₃、SiO₂96 h在不同大小类和浓度。在曝光时间,平均温度°C和平均pH值。

3.1。粒子浓度的影响

为了确定NP浓度的影响p . subcapitata,艾尔。₂O₃(17.6海里)、SiO₂(14.3海里),TiO₂选择(18.7海里)由于其相似度大小。图1显示的剂量反应曲线₂O₃、SiO₂,TiO₂规范化的具体增长()。在所有情况下,随着浓度的增加,从0到1000 mg / L降低了。EC20值计算使用SigmaPlot 9.01版本如下:₂O₃(17.6海里)= 5.14 mg / L, TiO₂(18.7海里)= 129 mg / L、SiO₂(14.3海里)= 318 mg / L。

叶绿素含量的藻类可以用作测量生理健康(22]。为了确定如果NP强调藻类,叶绿素进行了测量。图2显示了内容策划与叶绿素浓度的各自的NP。可以看出,有轻微增加叶绿素含量的₂O₃浓度增加到10 mg / L。随着阿尔₂O₃(实心圆圈)浓度增加高于10 mg / L,叶绿素含量减少了大约50%的控制在1000 mg / L₂O₃。作为SiO₂(开放广场)浓度增加从0到30 mg / L, Chla从1增加到2.2。然后Chla下降到1 1000 mg / L (SiO₂。TiO的NP₂(实心三角形)的逆效应₂O₃和SiO₂。当TiO Chla降低了从1到0.63₂浓度从0增加到30 mg / L。在TiO₂浓度大于30 mg / L Chla增加到0.83 1000 mg / L。

图3显示了规范化的具体的MDA,作为一个函数的经验为SiO浓度₂(开放广场)₂O₃(实心圆圈),TiO₂(实心三角形)。规范化具体MDA SiO日志浓度的增加₂。特定MDA最大归一化,,发生在500 mg / L (SiO₂。然而,SiO₂结果不明显不同(从那些TiO)₂和艾尔₂O₃由于大数据的标准差。误差线没有如图3对于SiO₂由于大值。艾尔₂O₃导致增加规范化具体MDA浓度> 100 mg / L。最大归一化特定MDA在1000 mg / L₂O₃。对于TiO₂(图3)标准化特定MDA降低TiO时从1到0.61₂浓度从0增加到30 mg / L,分别。在浓度大于30毫克/升,规范化具体的脂质过氧化增加,直到最多在600 mg / L TiO的达成₂。规范化具体MDA的增加很可能由于TiO的光催化性能₂。

3.2。粒子尺寸效应

为了确定颗粒大小如何影响二氧化钛的毒性,海藻是TiO暴露₂粒径在5.3至204纳米范围。EC20和EC50与毒性关系分析计算程序版本。1(陷阱)24使用逻辑斯蒂方程)。图4给出了EC20和EC50值作为主要的NP大小的函数()以TiO₂。随着经验大小从5.3增加到41海里,EC20和EC50下降。最小EC20为5.2 mg / L和25.5 mg / L的最低EC50主要观察到42纳米粒子的大小。EC50然后EC20增加nm。Warheit等人报道72 - h增长EC50 87和61 mg / L分别为38.5和100海里(5]。Gonclaves等人报道EC50值之间的变化241 mg / L和71.1 mg / L TiO₂大小的10至300海里(25]。作为主要的粒径增加到204 nm EC50和EC20增加到9761.3和103.7 mg / L,分别。结果是配备一个经验的四个参数对数正态分布方程: 在哪里在20或50%浓度的影响是一个常数,的浓度是最有毒的经验尺寸,(nm)是NP的初始直径,是最小的(nm),是最低EC50或EC20发生。的这些回归的值分别为0.80和0.90的EC50 EC20,分别。30到60纳米的范围内,EC值降低。平均最小EC值发生在纳米TiO的₂。计算最小EC值1.5 mg / L为EC50 EC20和21 mg / L。

图5显示的效果的nano-TiO₂藻细胞的叶绿素a含量。纵坐标(β)的斜率Chla EC20和EC50 TiO₂或者是关键特殊叶绿素(CSC) EC20或EC50,也就是说,β_20.和β₅₀,分别。一个积极的β_20.表明增加chla TiO的生产/质量₂在EC20相比控制样本;一个负值意味着相反的。随着粒径的增加从4.8到30.3 nm,β_20.和β₅₀从0增加到5.5 L / g TiO₂。的达到一个最大值为30.3 nm,然后突然作为主要粒度的增加而减少。4.8和18.7 nm之间在NP大小,控制和接触几乎没有区别。结果清楚地表明,在主要的粒径范围研究,例如,海里,Chla生产EC20和EC50增加。当主粒度大于150纳米,β_20.和β₅₀成为负值,表明Chla下降。数据是实际安装在一个带三个参数的高斯方程(8)使用SigmaPlot 9.01版本, 变量(8)如下:和拟合参数,是经验的大小(nm),是NP大小(nm)最大的β。拟合的数据(8)导致叶绿素生产最大TiO的33海里₂。的最大β控制的值分别为5.4和5.9倍β_20.和β₅₀,分别。模型拟合数据与一个值的0.69和0.73 EC20和EC50数据,分别。

图6显示的效果脂质过氧化作用。的斜率策划反对TiO₂TiO EC20和EC50的浓度₂获得了。这个值是关键的具体脂质过氧化反应(),是EC20或EC50。在这里ε_20.和ε₅₀绘制的函数吗。他经验的大小从4.8增加到30 nm,几乎没有变化ε_20.之间的值L / g TiO₂。的ε_20.然后增加到1.78 L / g TiO₂在45.8纳米。的ε_20.然后下降到0.22 L / g TiO₂在204.1纳米。的ε₅₀数据显示显著增加的主要粒度范围30至50 nm。的最大ε₅₀,15.8,发生在42海里。在初级粒子大小< 30 - > 50 nm,平均水平ε₅₀值。两个数据集在图6被安装在(8)。拟合方程有0.48和0.99的值ε_20.和ε₅₀,分别。结果表明,无论粒子大小、脂质过氧化反应在EC50大约增加了70%。然而,有增加ε₅₀30至50 nm,最大值为16.6 L / g TiO₂40.8纳米。

图7显示了特定的细胞生长正常化()纳米铝的存在₂O₃、SiO₂,TiO₂在不同的价值观和两个粒子浓度的100和1000 mg / L。作为主要的粒子大小从15.8增加到67.5 nm为100 mg / L₂O₃,NSG增加来,分别。作为SiO₂尺寸从9.6增加到35.6 nm 100 mg / L从来,分别。达到了最大当TiO 30.3海里₂浓度为100 mg / L。的然后下降来随着粒径的增加从30.3到45.8纳米。类型和大小,TiO₂在1000 mg / L的浓度有一个更大的影响比100 mg / L, SiO除外₂26海里。美联₂O₃在1000 mg / L,是吗减少从来作为基地₂O₃纳米颗粒大小从45.8提高到67.5。最大的影响由TiO₂在1000 mg / L46海里的的。SiO治疗₂在1000 mg / L浓度引起的增加从来随着粒径的增加从9.6到26海里,分别。的减少从在26海里在35.6海里,1000 mg / L (SiO的存在₂。的回应同样100 mg / L₂O₃和SiO₂。作为颗粒增加,增加了。图7显示没有明显区别这两种类型的NP之间的反应。

图8给块规范化特定的叶绿素a ()铝₂O₃、SiO₂,TiO₂在几个主要的粒子大小和两个粒子浓度(例如,100和1000 mg / L)。艾尔₂O₃在100 mg / L的浓度增加了以年均71%的15.8和17.6 nm之间。最大的半岛₂O₃在100 mg / L增加了来。艾尔₂O₃15.8 nm和1000 mg / L下降来;然而,这并不是统计不同的控制。之间没有区别₂O₃和控制对浓度或大小。SiO₂100 mg / L的浓度显著增加了在所有值控制相比,除了在26海里。SiO₂在1000 mg / L浓度显著下降通过%控制值。作为TiO的价值₂100 mg / L的浓度增加,增加;然而,平均在这个治疗并不是不同的控制。TiO的₂在1000 mg / L增加了10倍的控制水平随着粒径的增加从4.8到30.3纳米。

图9是归一化的情节特定的MDA ()在不同艾尔的值₂O₃、SiO₂,TiO₂在两个粒子浓度(例如,100和1000 mg / L)。美联₂O₃浓度为100 mg / L导致平均的。2.7发生TiO的最大₂100 mg / L 46海里的浓度。0.29发生的最低₂O₃1000 mg / L为67.5 nm的浓度。1000 mg / L治疗显著(MDA)增加标准化特定样本,但SiO₂在26海里。SiO₂26岁从0.86 nm规范化具体MDA降低控制水平。艾尔₂O₃100 mg / L浓度显著()降低规范化具体MDA比控制。SiO₂和TiO₂100 mg / L浓度显著()增加了规范化具体MDA比控制。平均归一化特定MDA为1000 mg / L₂O₃是。这是明显高于控制()。SiO₂和TiO₂配备(9),用线条图表示9: 在哪里是归一化特定的脂质过氧化作用,经验的大小(nm),是经验的大小(nm)的最小值发生时,和拟合参数,值方程的十字架吗拦截。艾尔₂O₃没有包含在模型拟合因为没有差异整个经验概要文件大小。这是预期的₂O₃non-photocatalytic。相关系数()是100年和1000年0.67和0.68 mg / L,分别。的平均最小值发生在拟合方程为100 nm和1000 mg / L治疗。

4所示。讨论

将分成几部分的讨论不同的经验材料。部分的顺序将从NP最少的影响因素(例如,艾尔₂O₃),最影响因素(例如,TiO的数量₂)。水溶性等因素,光可用性、絮凝、光催化性能、和经验可能影响藻类的大小。

4.1。氧化铝

氧化铝是最少数量的影响因素的经验而言,藻类和NP的响应特性。铝的溶解度₂O₃没有考虑的一个因素在图中看到的毒性1。与其他纳米CdSe等可能导致有毒金属,如Cd^{2 +}(26,27),阿尔₂O₃不会产生足够的艾尔^{3 +}导致降低增长。Gensemer和Playle28]报道铝毒性p . subcapitata(正式名称为美国capricornutum),EC值460μ基于生物质和1320 g / Lμ基于减少细胞计数g / L,分别。上述研究的pH值范围是7到8.2,这是类似于这项研究。金属离子被认为是最可利用/有毒物种[29日]。利用平衡常数的火花(30.),(Al的浓度^{3 +})的溶解度状态”₂O₃(c)计算之间的范围在pH值8和mol / L在pH值7 mol / L。浓度是几个数量级小于在其他藻类的研究引起了重大的反应,并不认为观察到的不良反应的原因。此外,阿尔₂O₃不是光催化剂。在数据3和9脂质过氧化的程度,减少SiO相比₂和TiO₂。的增加(规范化具体MDA)₂O₃(图3)很可能是由于测量接近检测方法的限制(≈0.2μM malondialdehyde-thiobarbituric酸复杂(MDA-TBA))。结合高NP细胞计数浓度低,低MDA-TBA会给大规范化具体lipd过氧化反应的变化,。这表明阿尔₂O₃系统中没有增加活性氧。因此,ROS也没有考虑的一个因素₂O₃毒性。

艾尔₂O₃NP并不影响规范化具体的脂质过氧化作用,或的叶绿素a含量p . subcapitata细胞。然而,阿尔₂O₃NP影响藻细胞的生长。这个不同意霁et al。6报道,nano-Al]₂O₃没有显著的影响小球藻sp。控制效果的几个因素₂O₃藻类增长包括絮凝、光可用性、营养的可用性,和初级粒子大小,。首先,由表面电荷(即絮凝的影响。pH值,_pzc)的藻细胞和艾尔₂O₃(31日,32]。艾尔₂O₃有一个pH值_pzc8.2 - -9.1 (30.),p . subcapitata有一个pH值_pzc约[31日]。pH值的差异_pzc半岛之间₂O₃和藻细胞诱导絮凝和增加藻类的表观密度31日]。反过来,藻细胞的能力与保持增长将减少微胞藻属仕达屋优先计划。和粘土聚合(32]。在缺乏经验的情况下,藻类细胞定居在一个池塘或河流,阳光和养分有效性会改变(33]。在大多数情况下,这些变化不赞成藻类增长(33]。第二,艾尔₂O₃会影响营养的可用性。艾尔₂O₃由于吸附会影响营养的可用性(34]。Speohr和米尔纳35)相关的可用性营养藻类细胞的叶绿素含量(数字2和8)。在这项研究中可能的养分吸附时最普遍₂O₃浓度大于100 mg / L(图2)。最后,NP具有有限的实验条件下溶解度会增加测试样品的浊度。这浊度就会造成阴影效果也会降低可用光的藻类光合作用[36]。减少可用的光已经被证明可以减少藻类叶绿素含量的海绵和降低增长率d . tertiolecta。阴影效应将从艾尔₂O₃絮凝的藻类和那些仍未婚的NP粒子(31日]。NP之间的絮凝和藻类细胞导致不完整,多层表面覆盖(31日]。

NP规模对经济增长的影响见图7。增加增长发生增加的主要粒度₂O₃,。更小的微粒会增加悬挂的浊度比大颗粒在相同的质量基础上,这将增加阴影对藻细胞的影响。营养物质的吸附能力将更小比大。更多的营养被从暂停,藻类会降低经济增长。

4.2。二氧化硅

SiO₂海里有相同的影响因素(营养限制,光限制)₂O₃但额外的影响增加了脂质过氧化反应。像艾尔₂O₃SiO的溶解度₂NP影响EC值并不被视为一项因素。范Hoecke et al。4)发现SiO₂12.5和27.0纳米的颗粒大小有72 h比生长速率EC20和分别mg / L。NP的浓度用于货车Hoecke et al。4)研究中,溶解Si的最高浓度为4.1 mg / L, pH值7.5。测量溶解硅在本研究EC20 234 mg / L,这是足以影响藻类的生长。因此,溶解硅在SiO不被认为是一个主要因素₂毒性。EC值之间的差异这个工作和Van Hoecke et al。4可能是由于不同的初始藻密度。我们使用了一个初始细胞密度为10⁶和Van Hoecke et al。4使用10⁵细胞/毫升。SiO₂没有发挥重要作用的发展p . subcapitata在测试浓度范围ourwork,同意霁et al。6]报告影响不大小球藻sp。增长SiO₂1000 mg / L的浓度大小20 - 50纳米的范围。

SiO₂引起脂质过氧化(数字的增加3和9)。增加SiO₂导致增加平均归一化特定的脂质过氧化作用,(图3)。虽然不被认为是一种光催化剂,SiO₂已经观察到产生类似的光敏效应,包括增加活性氧的水平和减少谷胱甘肽水平,作为光催化剂(1]。在这项研究中,SiO的效果₂NP规范化具体MDA,,可能是由于限制光可用性比直接ROS的产生。有限的可用性已被证明产生光¹O₂在有氧条件下通过回流的电子激发P_680年来³P_680年(37,38]。这里P_680年是类囊体膜中含有叶绿素的反应中心。这个反应产生的ROS在负责增加标准化特定的脂质过氧化作用,。规范化的减少特定的MDA SiO的浓度₂经验增长是因为光浊度增加,可用性降低,颗粒大小的影响。瑞利光散射理论预测,光散射半径的比值成正比的粒子和一个给定的波长的光与光散射效率成正比的四次方的粒子半径(36]。这将降低电子的回流。细胞的增长为1000 mg / L(图7)是成反比的脂质过氧化作用1000 mg / L(图9)。这也是影响藻类和SiO之间缺乏絮凝₂导致整个藻类细胞均匀分布的阴影效果。

SiO₂影响藻细胞的叶绿素含量(数字2和8)。低NP Chla浓度增加,而高NP浓度降低。结果表明,有限的可用性会影响光藻类叶绿素含量(39,40]。减少光的可用性将鼓励藻类产生更多的叶绿素/细胞(41]。在低浓度的海藻将尝试克服减少光的可用性。瑞利光散射理论后,浊度的解决方案相同的质量的基础上增加与减少NP大小(图8开放的圆圈)。增加NP的大小光藻类增加可用性;藻类叶绿素a越少需要生产。Chla显著降低在1000 mg / L SiO₂(图8)。锰缺乏叶绿素含量下降的原因小球藻fusca和小球藻寻常的(42]。营养限制SiO由于吸附的营养₂可能造成Chla下降。SiO₂有一个pH值_pzc2,类似的藻类。有很多研究表明吸附的阳离子纳米(43- - - - - -45]。特别是,SiO₂表明吸附毫克(II)、锰(II), Na(我),K (I),铜(II)和锌(II) (30.)的所有必需的营养物质从藻细胞的健康。

4.3。二氧化钛

TiO₂是最多的NP的影响因素影响的反应p . subcapitata。TiO₂与pH值_pzc6.5同样采取行动₂O₃通过与藻类、絮凝吸附的营养,并限制光的可用性。TiO₂也类似于SiO行事₂通过部分NP保持自由悬浮,限制光可用性和影响脂质过氧化作用。但是,与SiO₂,TiO₂是一个已知的光催化剂,生成活性氧。

NP是溶于水导致释放金属离子(M^{n +}生物(有毒)离子,28,29日]。这可能不是一个TiO的关键因素₂。几乎没有关于Ti的毒性^{4 +}。从热力学角度来看,Ti的形成^{4 +}在水溶液将有限的由于溶解TiO的形成₂(46]。这将对生物体的影响很小,因为小金属总额的百分比是自由金属离子存在。因此,TiO的溶解度₂不是一个主要因素控制藻类的NP的响应。

主要因素影响藻类光反应包括可用性、絮凝,粒子大小和感光。这些因素都是相互关联的。当TiO₂和藻细胞引入悬架,絮凝马上发生(31日]。像艾尔₂O₃,TiO₂将影响藻细胞的表观密度。藻细胞和TiO之间的絮凝₂观察和与林是一致的31日]报道TiO的吸收₂来p . subcapitata。TiO的絮凝₂将藻类的影响在直接接触ROS-generating TiO吗₂(图3)。脂质过氧化可能是NP的吸附影响藻细胞的表面。ROS的直接转移从一代一代的藻细胞表面的是很重要的。这可以以高活性氢氧自由基(OH计算距离^•)将旅行结束之前到达第一个半衰期。ROS的半衰期是毫秒(47,48]。李等人。49)使用800 nm的扩散层厚度计算Ag)⁺扩散到p . subcapitata。氢氧自由基(哦^•扩散系数是米²/秒(50]。菲克第二定律的扩散和假设的反应速率哦^•的毫秒,那么哦^•将旅行大约18海里之前一半的哦^•在水中氧气的反应与其他物种。的浓度哦^•将减少> 99%时,藻细胞表面的扩散。它是可行的,如果NP和藻类不接触,ROS不会导致脂质过氧化作用。脂质过氧化作用的最大化42纳米(图6),与最大尺寸效应对经济增长(图4)。粒子的数量与藻细胞絮凝可能相关。更大的可能会减少NP,将与藻类的絮凝。这也会影响自然光线。不完整,多层覆盖的藻类细胞,喜欢₂O₃藻类细胞,可能会降低可用性。讨论与阿尔₂O₃和SiO₂,减少光会影响生长和叶绿素含量。

TiO的主要粒度₂,,扮演了一个角色在藻类生长、叶绿素含量的藻细胞,藻细胞的脂质过氧化(数字4- - - - - -6)。所有这些端点产生最大影响值在同一42纳米粒子的大小。像艾尔₂O₃和SiO₂营养物质,如铜、铁、或者N将模仿由于回收NP,进而影响叶绿素含量。有人建议,NP可以减少营养物质的生物利用度,这将导致毒性(6]。越小越大,比表面积和更多的营养会吸附。高et al。51)观察到的最大吸附密度Cd^{2 +}()不同的NP的大小成反比。这种关系将对营养物质如铜、铁、或N,这反过来会影响叶绿素生产和藻类的生长35]。的主要影响特定叶绿素(图至关重要5)。林(31日研究了TiO的吸附₂到p . subcapitata报道,在pH值7.3和初始TiO₂150 mg / L, TiO₂(没有吸收。TiO₂/藻细胞)是恒定的TiO₂粒子/藻细胞。TiO的浓度更高₂,就不会有额外的吸收。

脂质过氧化的程度已经与活性氧的量在许多不同的系统包括人类鱼细菌(43- - - - - -55]。ROS的生成NP催化剂与NP的大小和类型(10,56]。粒子的大小控制着带隙和表面积8,11]。带隙决定水平的光能量转化为质子和表面积影响election-hole的重组对。许多研究表明,最佳TiO的有机化合物发生退化₂3.8到40 nm (36,57- - - - - -61年]。这些值小于观测图6。研究中的脂质过氧化可能是影响吸附的NP的表面藻类。ROS的半衰期是微秒的顺序,例如,超氧化物阴离子()的半衰期为1μ和过氧化氢(H₂O₂(女士)的半衰期为148,49]。由于这个时间尺度,它是可行的,如果NP和藻类不接触,ROS不会引发脂质过氧化作用。然而,关于如何没有可用的文学影响藻类和NP之间的聚合。此外,光被ROS生成优化的可用性ca。42海里。在小于42纳米粒子的表面密度增加,降低了光NP的可用性与细胞表面的直接接触。

5。结论

本研究进行回答下列问题。TiO的毒性₂藻类?NP毒性大小在什么?是NP在毒性中发挥作用的类型,叶绿素含量,和脂质过氧化作用?

光催化TiO的影响₂藻类是比non-photocatalytic纳米粒子(例如,艾尔₂O₃和SiO₂)。根据结果,可以得出结论,TiO₂之间的“有害有毒”吗30到60 nm和无毒纳米和nm。有害这个词被定义为测量端点从10 - 100 mg / L (62年]。无毒一词被定义为测量端点> 100 mg / L (62年]。最重要的因素是材料的表面电荷影响藻类和NP之间的聚合,进而影响了脂质过氧化反应,叶绿素含量和增长。

如果纳米颗粒释放到环境中,藻类将絮凝的依赖程度的纳米粒子的表面电荷和藻类细胞。藻类将尝试克服阴影效应通过增加叶绿素含量以优化光线可用性。高程度的光散射,即有限的可用性,脂质过氧化可能是由“PSII电子回流半醌受体的年代_2、3氧化态的捐赠方”37]。此外,从水体中藻类中沉降速率的增加,光将继续减少可用性。曝光时间在水里列将是有限的,在大多数情况下,由于纳米颗粒的絮凝和随后的沉出水柱。

脂质过氧化是唯一测量用于确定活性氧的活动。然而,建议几个额外的生化标记测量为了观察藻类的防御反应机制应对纳米颗粒。因此建议subchronic端点是未来测量工作,包括,但不限于,谷胱甘肽,超氧化物歧化酶和各种直接ROS化验。此外,一些其他种类的藻类的反应建议比较的目的。这将添加验证这项研究的结果。

确认

y l .廖博士,来自台湾的访问学者,TiO合成₂不同大小的纳米粒子用于这项研究。本文是由恒星构成批准号r - 83172101。诺拉Savage博士是项目经理。结果、讨论、结论的作者和不应该解释,作为资助机构的认可。纳米粒子研究的来源来自以下供应商:德固赛集团联合高科技产品,纳米非晶态材料,Inc ., Sachtleben化学物质。作者没有直接经济利益或与任何上述公司的关系。