纳米二氧化硅对莱茵衣藻光合性能的影响
作者： 胡雨晴 罗学刚 张宇
摘要 ［目的］通过测定纳米二氧化硅（SiO 2 NPs）处理绿藻后的生长及光合指标变化，揭示SiO 2 NPs对水生态环境中藻类光合性能的影响。［方法］以莱茵衣藻（ Chlamydomonas reinhardtii） 为试验材料，从生长、氧化胁迫、叶绿素含量及叶绿素荧光诱导动力学曲线方面研究了SiO 2 NPs的生物毒性效应。［结果］96 h、25 ℃高浓度（800 mg/L）的SiO 2 NPs诱导莱茵衣藻活性氧（ROS）上升了21.57%，并且抑制了莱茵衣藻光合作用，导致叶绿素a含量下降了10.87%，光合性能指数Pi-Abs下降了50.72%。而温度升高加剧了纳米二氧化硅的毒性。当温度上升至30 ℃时，高浓度（800 mg/L）的SiO 2 NPs导致莱茵衣藻ROS比对照组上升了26.58%，叶绿素a和叶绿素b含量分别下降了23.47%和20.35%，光合性能指数Pi-Abs显著下降了55.72%。高浓度SiO 2 NPs对莱茵衣藻光合作用有一定的毒害作用，且温度升高与SiO 2 NPs浓度增加的协同作用将加剧莱茵衣藻光合毒性效应。［结论］该研究为探索纳米粉体材料对微藻的光合效应提供了理论基础和数据支持。
关键词 纳米二氧化硅；莱茵衣藻；光合效应；叶绿素荧光诱导动力学曲线；活性氧
中图分类号 X 171 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2025）01-0070-06
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.01.015
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
Effect of Silica Nanoparticles on Photosynthetic Performance of Chlamydomonas reinhardtii
HU Yu-qing LUO Xue-gang ZHANG Yu 2
（1.College of Life Science and Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang，Sichuan 621010;2.Engineering Research Center for Biomass Materials，Ministry of Education，Mianyang，Sichuan 622010）
Abstract ［Objective］To reveal the effect of SiO 2 NPs on algal photosynthesis in aquatic ecosystems by determining the changes in growth and photosynthetic indexes of green algae treated with silica nanoparticles （ SiO 2 NPs）.［Method］The biotoxic effects of SiO 2 NPs were studied in terms of growth，oxidative stress，chlorophyll content and chlorophyll fluorescence-induced kinetic curves using Chlamydomonas reinhardtii as experimental material.［Result］At 96 h and 25 ℃，the high concentration of 800 mg/L SiO 2 NPs induced a 21.57% increase in reactive oxygen species （ROS） of Chlamydomonas reinhardtii and inhibited the photosynthesis of Chlamydomonas reinhardtii， which resulted in a 10.87% decrease in chl-a content and a 50.72% decrease in the photosynthetic performance index Pi-Abs.And the toxicity of silica nanoparticles was exacerbated by the temperature increase.When the temperature increased to 30 ℃，the high concentration of 800 mg/L of SiO 2 NPs led to the increase of reactive oxygen species （ROS） of Chlamydomonas reinhardtii by 26.58%，the decrease of chlorophyll a and chlorophyll b content by 23.47% and 20.35%，and the significant decrease of the photosynthetic performance index Pi-Abs by 55.72% compared with that of the control group. High concentration of SiO 2 NPs had a toxic effect on photosynthesis of Chlamydomonas reinhardtii， and the synergistic effect of increasing temperature and increasing concentration of SiO 2 NPs will exacerbate the photosynthetic toxic effect of Chlamydomonas reinhardtii. ［Conclusion］This study provides a theoretical basis and data support for exploring the photosynthetic effects of nanopowder materials on microalgae.
Key words Silica nanopowder（SiO 2 NPs）; Chlamydomonas reinhardtii; Photosynthetic effect;Chlorophyll fluorescence-induced kinetic curve;Reactive oxygen
基金项目 四川省科技计划重点研究项目（20212YFN0025）。
作者简介 胡雨晴（1995—），女，湖北孝感人，硕士研究生，研究方向：环境生态与环境生物效应。*通信作者，教授，博士生导师，从事环境生物技术、污染控制与生物修复研究。
纳米材料（nanomaterials，NMs）是三维中任何一维的尺寸范围在1～100 nm或者是由纳米材料为基本单元构成的材料［1］。根据其化学组成可分为碳纳米颗粒、金属及其氧化物纳米颗粒、量子点和纳米聚合物。而纳米二氧化硅（SiO 2 NPs）是氧化物纳米颗粒，其具有化学纯度高、分散性好、比表面积大的特性，表面的不饱和残键和羟基赋予其很高的表面活性［2］，是目前世界上大规模工业化生产产量最高的纳米材料之一［3］。世界卫生组织数据显示，SiO 2 NPs全球制造量居纳米材料第2位，年产量以150万t持续递增［4］。近年来，随着经济社会的不断发展，SiO 2 NPs被广泛应用于各行各业，例如电子、能源、环境、医药、食品、催化和材料等方面［5–8］，其生物安全性引起了各国的广泛关注，涌现出大量对纳米材料生物安全和作用机制的研究［9-10］。然而，SiO 2 NPs的广泛应用也将对水生生态系统和人类健康构成潜在风险。因此，SiO 2 NPs的环境健康安全评价尤为重要。
SiO 2 NPs对动植物生长构成威胁，研究表明，用40 nm的SiO 2 NPs通过涂抹的方式能穿透人体皮肤，进入表皮CD1a+细胞［11］，而750和1 500 nm颗粒则不能进入皮肤［12］。此外，SiO 2 NPs可被吸收至多种细胞的细胞核中，并引起拓扑异构酶1的异常聚集［12］。15和46 nm的SiO 2 NPs颗粒对人肺癌细胞的体外试验表明，在SiO 2 NPs浓度为10和100 μg/mL时可以降低细胞活性，其毒性与氧化应激有关［13］。试验发现分散良好的SiO 2 NPs可以透过皮肤屏障进去并分布至小鼠全身［14］。SiO 2 NPs不仅可以进入小鼠皮肤、淋巴结和肝组织，还可以进入大脑皮层中［15］。目前SiO 2 NPs生物毒性效应研究集中在动物方面，对于植物毒性的研究较少。有研究表明，SiO 2 NPs会影响鳞毛蕨属藻细胞光合色素的含量，其中叶绿素a和b含量明显降低，光合色素含量的变化直接影响藻细胞的光合作用［16］。Van等［17］研究发现，进入水环境的SiO 2 NPs会破坏羊角月牙藻的细胞结构，抑制其生长。虽然已有学者研究了SiO 2 NPs对藻类光合作用［16］，但对于SiO 2 NPs导致绿藻的毒性效应仍有待进一步探究。
微藻作为水生态系统的初级生产者，是许多生态链的基础，在水生生态系统中发挥着重要作用。藻类不仅通过自身的光合作用为其他水生生物提供食物和氧气，同时藻类还具有较高的蓄积能力，常作为水体污染的生物指标［18］。而莱茵衣藻具有生长周期短、生长繁殖快、易于分离和培养的特点，常作为模式生物用来研究纳米颗粒的生物毒性。因此，该研究测定不同浓度、不同温度下SiO 2 NPs处理莱茵衣藻的OD值、叶绿素含量、活性氧（ROS），并通过FluorPen FP 110 手持式叶绿素荧光仪检测莱茵衣藻叶绿素荧光参数变化，探讨SiO 2 NPs对莱茵衣藻可能的生物学效应机制，以期为评估SiO 2 NPs对藻类的光合性能及其环境毒性效应提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料 莱茵衣藻（CC124）购置中国科学院水生生物研究所淡水藻类培养库（FACHB），编号为FACHB2217。莱茵衣藻培养于250 mL锥形瓶中，瓶中含有100 mL 无菌TAP培养基，培养温度分别为25和30 ℃，光照强度为100 μmol/（m2·s），光暗比为12 h/12 h，每天早、中、晚各振荡一次。当莱茵衣藻生长至对数期后，接种至新的培养基中进行试验处理。
SiO 2 NPs（纯度99%，粒径30 nm）购置苏州优锆纳米材料有限公司。将SiO 2 NPs加至无菌水中，配制成0.5 g/L的母液，在TAP培养基中配制不同浓度的纳米二氧化硅悬浮液，使其终浓度为100和800 mg/L用于暴露试验。在添加莱茵衣藻之前，先将添加纳米二氧化硅培养基超声处理30 min，以避免聚集或黏附到细胞容器表面。
1.2 试验方法
1.2.1 生长曲线绘制及胞内ROS含量测定。取3 mL莱茵衣藻，利用FluorPen FP 110手持式叶绿素荧光仪（PSI，捷克）测定其在680、720 nm下的光密度（OD 680、OD 720），分别在1、2、3、4、5、7、9 d检查藻类在不同浓度SiO 2 NPs处理下生长情况并绘制生长曲线［19］。每组设置6个生物学重复。