【科研前線】]利用Handy PEA和Clark氧電極闡明納米CuO對微藻的毒害機理

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文章鏈接https://doi.org/10.1080/17435390.2018.1498928 

       納米材料的應(yīng)用是21世紀最重要的革命之一。納米材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于化妝品、汽車及各種物品的涂料、紡織品、農(nóng)業(yè)殺菌劑等人類生活的各個領(lǐng)域。然而當納米材料給人類生活帶來便利的同時，它對生態(tài)環(huán)境、對植物、動物和人類的安全存在著潛在的威脅。
       納米氧化銅（CuO NPs），作一種為納米材料，被廣地泛用于人類生活當中。近來人們發(fā)現(xiàn)CuO NPs可能會污染環(huán)境，對植物和其他生物造成毒害作用。
       前期人們認為，納米材料對生物的傷害作用主要是因為它對細胞結(jié)構(gòu)的破壞和導(dǎo)致氧化脅迫。然而，關(guān)于納米CuO對生物最重要的兩條初級代謝途徑：光合作用和呼吸作用的影響，人們知之甚少。而且對于納米CuO毒害造成的活性氧ROS大量產(chǎn)生的具體位點和機制并不清楚。

CuO NPs對小球藻和柵藻光合放氧速率和呼吸耗氧速率的影響

      近期山東農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院高輝遠教授和王瑋教授團隊進行合作，利用英國Hansatech公司制造的Handy PEA多功能植物效率分析儀和Oxytherm氧電極研究CuO NPs對微藻的快速葉綠素熒光、光合作用和呼吸作用的影響。并通過電鏡觀察，能譜、FFT、PDF、自發(fā)熒光以及蛋白表達測定等技術(shù)深入探討了CuO NPs對微藻的毒害機理。

CuO NPs對小球藻和柵藻葉綠素熒光及放氧復(fù)合體蛋白的影響
CuO NPs處理后藻細胞內(nèi)活性氧和抗氧化酶活的變化及活性氧的具體產(chǎn)生位點
CuO NPs對小球藻和柵藻細胞超微結(jié)構(gòu)的影響

      該研究表明微藻的光合機構(gòu)比呼吸機構(gòu)對CuO NPs的毒害更敏感，光合電子傳遞鏈中的放氧復(fù)合體（OEC）最易受到CuO NPs的傷害。CuO NPs對OEC的傷害導(dǎo)致光合電子傳遞受阻，從而導(dǎo)致光合產(chǎn)物不足，造成了藻類的碳饑餓。

       此外光合電子傳遞的受阻，也使得光合作用的過剩激發(fā)能增加，導(dǎo)致葉綠體中活性氧的大量產(chǎn)生，導(dǎo)致了藻細胞的氧化脅迫。CuO NPs造成的碳饑餓和氧化脅迫最終抑制了藻細胞的生長。

CuO NPs對微藻毒害機理的模式圖

    該論文發(fā)表在毒理學(xué)一區(qū)雜志Nanotoxicology上，第一作者為山東農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)院的車興凱博士。該研究為人們了解CuO NPs對植物（及生物）的傷害機制提供了科學(xué)證據(jù)，并對限制納米材料向環(huán)境的排放，保護水生和陸生生態(tài)環(huán)境提供了有力的支持。