氧化石墨烯對淡水微藻生長及生物活性物質(zhì)的影響

彭曉玲,孟范平,張 倩,杜樹豪,段偉艷

氧化石墨烯對淡水微藻生長及生物活性物質(zhì)的影響

彭曉玲,孟范平*,張 倩,杜樹豪,段偉艷

(中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室,山東 青島 266100)

為掌握氧化石墨烯(GO)的水環(huán)境風(fēng)險,以斜生柵藻()和湖泊微擬球藻()為研究對象,探究了GO對淡水微藻生長及其生物活性物質(zhì)(碳水化合物、總蛋白質(zhì)、總脂)的影響.結(jié)果表明,GO對2種微藻具有中等毒性,72h EC50值分別為25.63和48.44mg/L.透射電鏡(TEM)觀察發(fā)現(xiàn),GO納米片層既能附著于藻細胞表面也能進入藻細胞內(nèi)部,造成藻細胞超微結(jié)構(gòu)明顯變化,包括:質(zhì)壁分離;葉綠體收縮;淀粉粒數(shù)量減少甚至消失.較低濃度(10mg/L)GO會促進微藻中光合色素(葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素)合成;而較高濃度(100mg/L)GO暴露下,2種微藻的類胡蘿卜素和斜生柵藻葉綠素a的含量顯著降低.2種濃度的GO總體上刺激了藻細胞內(nèi)生物活性物質(zhì)的合成,這是污染脅迫下的一種主動防御機制;而較高濃度GO造成碳水化合物含量顯著降低,可能原因是細胞中儲能物質(zhì)由淀粉向中性脂轉(zhuǎn)化.

氧化石墨烯(GO)；斜生柵藻；湖泊微擬球藻；光合色素；生物活性物質(zhì)

氧化石墨烯(GO)是石墨烯的氧化物,在二維平面結(jié)構(gòu)的表面和邊界連接有羧基、羥基、環(huán)氧基等含氧官能團[1],使其能夠均勻分散在水中,形成穩(wěn)定的膠體溶液[1].此外,GO還具有比表面積大、導(dǎo)電性能優(yōu)良、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點,因而被廣泛應(yīng)用于電子器件、催化氧化、生物技術(shù)、重金屬廢水吸附凈化等領(lǐng)域[2-5].在大量應(yīng)用過程中,GO不可避免地被排放到水環(huán)境中.作為一種碳納米材料(三維空間中有一維的尺寸小于100nm),GO能否對水生生態(tài)產(chǎn)生不利影響,最近10a來受到越來越多的關(guān)注.

微藻是一類廣泛存在于水生生態(tài)系統(tǒng)中的光合自養(yǎng)生物,它們是生物質(zhì)生產(chǎn)的主要來源,用于支持其他營養(yǎng)級水生生物的生長.例如,斜生柵藻的細胞內(nèi)含有豐富的蛋白質(zhì),是輪蟲、草食性魚類、甲殼類及軟體動物的良好餌料[6];微擬球藻也是水產(chǎn)動物幼苗的常見開口餌料[7-8].因此,微藻的生長狀況及其營養(yǎng)成分的優(yōu)劣直接關(guān)系到高營養(yǎng)級生物的正常生長以及水生生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定.GO暴露會抑制微藻生長[2,9-11],阻礙細胞分裂,引起光合色素含量和抗氧化酶活性變化[12].目前有關(guān)GO對微藻影響的研究主要集中在致毒機制方面,而對微藻體內(nèi)大分子活性物質(zhì)的影響幾乎未見報道.

本研究擬以我國常見的2種淡水餌料藻——斜生柵藻()和湖泊微擬球藻()為受試生物,在進行GO對微藻生長抑制試驗并確定其毒性等級基礎(chǔ)上,通過測定GO暴露下的微藻中色素、碳水化合物、總蛋白質(zhì)、總脂含量變化,分析水環(huán)境中存在的GO對微藻光合作用和生物活性物質(zhì)合成的影響,為評估GO的水生生態(tài)風(fēng)險提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 材料

GO分散液:購自中國廈門凱納石墨烯技術(shù)有限公司,由改進的Hummer法制成,濃度3000mg/L,介質(zhì)為超純水,pH值為5~7.根據(jù)前文[13]研究,這種GO在超純水中為二維片層結(jié)構(gòu),長度171.0~412.5nm (平均291.3nm),厚度為1.25nm.

微藻種類和培養(yǎng)基:斜生柵藻()和湖泊微擬球藻()均購自中國科學(xué)院海洋研究所,采用BG11培養(yǎng)基培養(yǎng)到指數(shù)生長期.培養(yǎng)基的組成為[14]:每L蒸餾水中含有1500mg NaNO3、40mg K2HPO4、75mg MgSO4·7H2O、36mg CaCl2·2H2O、6mg檸檬酸、6mg 檸檬酸鐵銨、1mg Na2EDTA、20mg Na2CO3、2.86mg H3BO3、1.81mg MnCl2·4H2O、0.222mg ZnSO4·7H2O、0.391mg Na2MoO4·2H2O、0.079mg CuSO4·5H2O和0.049mg Co(NO3)2·6H2O,pH值為7.62.

試劑:丙酮、HClO4、NaOH、苯酚、硫酸、氯仿、甲醇、葡萄糖、K2CrO7、棕櫚酸(配制脂肪酸標準液)、戊二醛等試劑均為國產(chǎn)分析純.蛋白質(zhì)試劑盒購自南京建成生物工程研究所.

1.2 方法

1.2.1 微藻的暴露培養(yǎng) 對于每一種微藻,在一系列裝有200mL BG11培養(yǎng)基的錐形瓶中,加入一定體積的GO分散液,使其濃度分別為0,1,10,50,100, 150mg/L,每組3個平行,利用超聲波細胞粉碎機(JY92-II型,寧波新芝,150W)超聲振蕩1h后,接種處于指數(shù)生長期的微藻(初始濃度約5×105cells/mL).在上述條件下暴露培養(yǎng)72h,每天回旋手搖3次,每次30s,使藻液混合均勻.每隔24h,利用血球計數(shù)板在顯微鏡(YS2-H型,日本尼康公司)下計數(shù),測定藻細胞密度.

1.2.2 72h半抑制濃度計算 根據(jù)經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)“化學(xué)品對微藻生長抑制試驗指南”[15]計算GO對2種微藻的EC50:首先繪制基于藻細胞密度的72h生長曲線,并按照式(1)計算生長曲線下的面積:

式中:為生長曲線與坐標軸所包圍的面積;0為0時刻的起始藻細胞數(shù),cells/mL;1為1時刻的藻細胞數(shù),cells/mL;N為t時刻的藻細胞數(shù),cells/mL;1為試驗開始后第一次的測定時間;t為試驗開始后第次的測定時間.

然后按式(2)計算每一處理濃度下的藻細胞生長抑制百分率(IR):

式中:c為對照組的生長曲線與坐標軸包圍面積;A為處理組的生長曲線與坐標軸包圍面積.

最后,利用概率單位-濃度對數(shù)法,通過直線回歸得到GO濃度對數(shù)()—概率單位(,由百分數(shù)與概率單位對照表查得)的關(guān)系方程.當概率單位為5.0時,可計算得到72h EC50.

1.2.3 色素測定 取2mL藻液,5000r/min離心15min,棄去上清液后,加入2mL 80%丙酮,搖勻,于黑暗處抽提24h后,再次以5000r/min離心15min,取上清液,利用紫外可見分光光度計(TU-1810型,北京普析通用儀器公司)分別測定波長663,646和470nm處的吸光度(),根據(jù)式(3)[16]計算葉綠素a(Chl)、葉綠素b(Chl)和類胡蘿卜素(Car)含量:

1.2.4 總蛋白質(zhì)、總碳水化合物和總脂測定 總蛋白質(zhì)濃度采用南京建成生物工程研究所生產(chǎn)的蛋白試劑盒(考馬斯亮藍法)測定.取100mL藻液于4℃、10000r/min離心15min,棄去上清液.將藻泥用預(yù)冷的0.2mol/L HClO4抽提2次后,向其中加入1mL 1mol/L NaOH,沸水浴10min至充分溶解.用試劑盒測定溶液中的總蛋白含量,單位為mg/106cells.總碳水化合物測定采用苯酚-硫酸法[17].將2mL藻液與2mL 90%苯酚溶液充分混合后,迅速加入5mL濃H2SO4,100℃水浴加熱15min,冷卻后于485nm處測定吸光度.以葡萄糖標準液替代藻液制作標準曲線,計算碳水化合物的濃度,單位為mg/106cells.總脂測定采用重鉻酸鹽氧化法[18].向HClO4抽提后的藻泥中加入氯仿-甲醇溶液(1:1/),反復(fù)抽提2次.將上清液與0.2倍體積水混合,振蕩5min后收集下層有機相,用N2吹至最終體積為2mL.將其與2mL 2.5g/L K2CrO7混合,沸水浴45min充分反應(yīng),冷卻后于350nm波長下測定吸光度.利用脂肪酸標準液繪制標準曲線,計算樣品中總脂含量(mg/106cells).

1.2.5 透射電鏡(TEM)觀察 取2mL藻液至離心管中,4℃下3000r/min離心15min,棄去上清液,按照1:50(/)向收集的藻泥中加入2.5%戊二醛,固定4h后,用PBS(pH=7.8,0.lmol/L)清洗3次,1%鋨酸固定90min,再用PBS清洗3次,用丙酮以10%的遞增率逐級脫水后(每次10min),環(huán)氧樹脂滲透、包埋,超薄切片機切片,檸檬酸鉛染色后置于TEM下觀察拍照[19].

1.2.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析 各處理組或?qū)φ战M中每個指標的結(jié)果以3個平行測定值(平均值±標準差)表示,通過單因素方差分析(ANOVA)進行差異顯著性分析,顯著性水平為<0.05,數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析使用SPSS 18.0軟件.

2 結(jié)果

2.1 GO暴露對微藻生長及其超微結(jié)構(gòu)影響

由圖1可見,隨著培養(yǎng)時間延長,對照組和處理組的藻細胞密度均呈上升趨勢.在培養(yǎng)初期(0~24h),各GO處理組(濃度1~150mg/L)的藻細胞生長均未受到明顯影響.但在24h后2種微藻的生長開始受到抑制,且抑制程度隨著GO濃度的增加而增大.培養(yǎng)72h時,最高濃度處理組(150mg/L)的斜生柵藻、湖泊微擬球藻的藻細胞密度分別比同期對照組降低44.4%和63%.基于概率單位法計算的GO對2種微藻的72h EC50值分別為25.63和48.44mg/L(表1).

在微藻生長受到GO抑制的同時,藻細胞微觀結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化(圖2).對照組的微藻細胞呈飽滿的卵圓形,細胞壁以及細胞核、葉綠體、淀粉粒、線粒體等細胞器清晰可見(圖2(a)、(c)),而暴露于100mg/L GO后,2種微藻均出現(xiàn)明顯的質(zhì)壁分離現(xiàn)象,細胞形狀變得不規(guī)則.同時觀察到GO在細胞表面附著,且能夠進入細胞壁和質(zhì)膜之間(圖2(b)、(d)中箭頭),導(dǎo)致細胞壁的輪廓模糊不清.此外,隨著藻細胞因質(zhì)壁分離而變小,葉綠體的收縮也非常明顯;淀粉核、淀粉粒的數(shù)量和體積急劇減小,在斜生柵藻細胞中幾乎看不到淀粉粒分布(圖2(b)、(d)).

圖2 微藻細胞TEM

a,c分別為對照組中的斜生柵藻和湖泊微擬球藻; b,d分別為100mg/L GO處理下的斜生柵藻和湖泊微擬球藻.Cw 細胞壁;Pm質(zhì)膜;N 細胞核;M 線粒體;CHL 葉綠體;PC淀粉核中心;Psp淀粉鞘;S 淀粉粒;L 油脂小球;Cy細胞質(zhì)基質(zhì).黑色箭頭指向GO,白色雙向箭頭表示質(zhì)壁分離

表1 GO對2種微藻的72h EC50

注:#是轉(zhuǎn)化自%的概率,是GO濃度對數(shù)值(lg).

2.2 GO暴露下微藻光合色素含量變化

*<0.05水平上差異顯著

以GO對2種微藻的72h EC50值為參考值,設(shè)置2個濃度組(10、100mg/L),比較微藻在低、高濃度GO中暴露72h后的色素含量變化.由圖3可見,在不含GO的對照組中,斜生柵藻的光合色素含量均高于湖泊微擬球藻.低濃度(10mg/L)GO暴露下, 2種微藻的色素含量均顯著增加,斜生柵藻的Chl、Chl和Car分別比對照組增加37.56%、36.83%、37.83%,而湖泊微擬球藻分別增加38.01%、35.82%、17.14% (<0.05).高濃度(100mg/L) GO對2種微藻色素的影響并不一致,其中,斜生柵藻的Chl和Car含量分別比對照組降低29.68%和18.26%(<0.05),而湖泊微擬球藻的Chl無顯著變化,Chl、Car含量分別比對照組增加31.99%和降低58.07%(<0.05).

2.3 GO暴露下微藻總蛋白質(zhì)、總脂、碳水化合物含量變化

如圖4所示,低濃度(10mg/L)GO暴露72h后,2種微藻的碳水化合物含量均顯著增加(<0.05),增幅分別為13.11%和44.3%;高濃度(100mg/L)GO暴露同樣時間,斜生柵藻的碳水化合物含量顯著降低(降幅為25.6%);而湖泊微擬球藻的碳水化合物含量顯著升高(增幅為37.8%).

濃度10,100mg/L的GO處理組中,斜生柵藻和湖泊微擬球藻的總蛋白含量均顯著高于各自的對照水平(<0.05),低濃度GO暴露使兩者分別增加88.27%、27.27%,高濃度GO暴露使兩者分別增加61.17%、126.26%.

*<0.05水平上差異顯著

高濃度GO能夠促進斜生柵藻、湖泊微擬球藻的總脂合成,其含量增幅分別為61.74%和151.08% (<0.05);低濃度GO暴露只能引起湖泊微擬球藻總脂含量明顯升高(<0.05,增幅54.11%).

3 討論

3.1 GO暴露下微藻的生長抑制

表2 GO與其它納米材料對2種微藻的生長抑制作用(EC50)比較

注:#n-Al2O3、n-TiO2、n-ZnO和n-CuO分別表示氧化鋁、二氧化鈦、氧化鋅和氧化銅納米顆粒.

微藻暴露于納米碳材料后的生長抑制是一種普遍現(xiàn)象[20],但是抑制程度因藻種而異.按照我國《新化學(xué)物質(zhì)危害評估導(dǎo)則》(HJ/T 154-2004)[21]提出的生態(tài)毒理學(xué)危害性分級標準,GO對2種淡水藻(斜生柵藻和湖泊微擬球藻)均具有中等毒性(72h EC50介于10~100mg/L),只是斜生柵藻對GO的敏感性較高.與文獻報道的納米材料對斜生柵藻的72h EC50值相比(表2),GO的急性毒性與TiO2納米顆粒(n-TiO2)相仿,但明顯低于氧化鋅納米顆粒(n-ZnO)和氧化銅納米顆粒(n-CuO),而高于氧化鋁納米顆粒(n-Al2O3).這種差異可能與納米材料的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、成分不同有關(guān).其他納米材料對湖泊微擬球藻生長抑制的研究尚未見報道.根據(jù)為數(shù)不多的有關(guān)GO對微藻毒性的研究可見,湖泊微擬球藻對GO的耐受性較高(表2).

3.2 GO暴露對微藻超微結(jié)構(gòu)的影響

GO在藻細胞內(nèi)外均有分布(圖2(b)、(d)),表明表面附著和內(nèi)化作用同時存在.附著在細胞表面的GO會通過遮蔽效應(yīng)減少藻細胞對光的利用[27-28],也可通過堵塞細胞壁而干擾營養(yǎng)物質(zhì)運輸和離子交換[29],從而抑制微藻生長.但是,這種附著的機制目前尚不清楚.BG11培養(yǎng)基的介質(zhì)為蒸餾水,之前的研究測得GO在淡水中的Zeta電位為-47.05mV[13]. Zeta電位是表征分散體系穩(wěn)定性的重要指標.其絕對值越高,膠粒之間的排斥力越大.當Zeta電位絕對值處于40~60mV之間時膠體分散系具有較好穩(wěn)定性[30].此外,微藻的等電點一般在pH=3[31],GO的等電點在pH=3以下[32],在本研究所采用的培養(yǎng)體系(pH值均在7以上或接近7)中,它們的表面均帶負電荷,相互間的靜電作用表現(xiàn)為斥力.因此,GO不可能通過其自身凝聚或其與藻細胞之間的靜電作用而附著于藻細胞表面.最近,Ouyang等[10]通過紅外光譜分析發(fā)現(xiàn),藻細胞表面附著GO后,O?H、N?H、C?H、C=N、N?N峰增加,而單獨檢測GO、藻細胞時均未出現(xiàn)這些化學(xué)基團,由此提出,納米材料上的含氧、含氫基團通過疏水、受體與配體以及氫鍵相互作用使其結(jié)合于細胞表面.筆者認為,由于GO表面含有羧基、羥基和烷氧基[1,32],而藻細胞壁上的多糖、蛋白質(zhì)、脂類等生物大分子富含酰胺基、羧基、羥基等官能團[33],因此,兩者之間容易通過形成氫鍵和共價鍵而結(jié)合.

GO引起藻細胞質(zhì)壁分離現(xiàn)象在前人研究GO對普通小球藻()[10]的影響時也有發(fā)生.但是其機制仍不清楚.微藻出現(xiàn)質(zhì)壁分離后,其細胞壁并未破損,此時,尺寸大于細胞壁孔徑(5~ 20nm[27])的GO(超純水中呈二維片層結(jié)構(gòu),平均長度291.3nm,厚度1.25nm[13])仍能進入細胞內(nèi)(圖2(b)、(d)),這很可能是由于細胞的內(nèi)吞作用所致.真核細胞普遍存在著由網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞作用,可直接從胞外獲取大分子和顆粒狀物質(zhì).Ouyang等[10]根據(jù)暴露于GO的普通小球藻的TEM和拉曼成像認為,GO通過內(nèi)吞作用進入微藻細胞質(zhì)中.在100mg/L的GO暴露下,藻細胞的另一個典型超微結(jié)構(gòu)變化是淀粉核、淀粉粒變少變小(圖2(b)、(d)),這和文獻[10]報道10mg/L的GO引起普通小球藻細胞中淀粉粒數(shù)量增多并不一致,可能是因為不同研究者所用的GO濃度不同.作為對環(huán)境脅迫的一種適應(yīng)機制,藻細胞在生長逆境(氮磷營養(yǎng)鹽不足、高鹽度等)下,會將光合作用固定的碳源更多用于儲能物質(zhì)(淀粉或脂質(zhì))積累[34-36].但是,淀粉只是脅迫初期碳和能量的存儲形式,隨著脅迫程度增加,淀粉則轉(zhuǎn)化為中性脂,引起細胞內(nèi)脂質(zhì)含量上升[36-37].本研究中,藻細胞淀粉粒數(shù)量減少(圖2)的同時,總脂含量卻在上升(圖4),證明100mg/L GO能夠引起微藻的儲能物質(zhì)由淀粉向脂質(zhì)轉(zhuǎn)化.

3.3 GO暴露下微藻的光合色素變化

除了影響微藻的超微結(jié)構(gòu)外,GO還能引起藻細胞光合色素含量的變化.綠藻等大多數(shù)微藻的光合色素主要為Chl、Chl和Car[38].本研究中,較低濃度(10mg/L)的GO能夠刺激2種微藻中各種色素合成,這是微藻對GO遮光效應(yīng)的一種應(yīng)激響應(yīng)[39],其目的是優(yōu)化光的利用率,增加藻細胞對光的吸收,以消除遮光帶來的不利影響.然而,隨著培養(yǎng)體系中GO濃度增加,進入細胞內(nèi)的GO增多,并產(chǎn)生大量活性氧(ROS)[40],而類囊體膜及其表面的光合色素因含有不飽和多烯結(jié)構(gòu)極易受到ROS攻擊,造成葉綠體結(jié)構(gòu)破壞和色素氧化分解.暴露于100mg/L GO后,2種微藻的葉綠體明顯縮小(圖2(b)、(d)),Car含量和斜生柵藻Chl含量顯著降低(圖3),可證明高濃度GO對光合器官和色素的不利影響.在光合系統(tǒng)中,Car不僅是一種輔助色素,還具有抗氧化作用(吸收激發(fā)態(tài)單線態(tài)氧等ROS,以避免其他生物大分子受到氧化性分解)[41].因此,在逆境脅迫下Car比其他色素較早受到影響.需要注意的是,高濃度GO處理組的微藻Chl含量無變化甚至顯著增加(圖3),而且Chl/Chl比值顯著低于對照組(< 0.05)(表3),表明Chl對GO的耐受性高于Chl.李威等[42]報道,蛋白核小球藻()和羊角月牙藻()的Chl對5-氟尿嘧啶的敏感性均高于Chl.較低的Chl/Chl比值會干擾光合系統(tǒng)II(PSII)的集光葉綠素蛋白復(fù)合體(LHC)形成,降低藻細胞的光合效率和光吸收能力[43].根據(jù)上述比較,微藻光合色素對GO的敏感性順序依次為:Car> Chl>Chl.師玥[44]研究青島大扁藻()光合色素對Cu2+急性毒性脅迫的響應(yīng)時也發(fā)現(xiàn)同樣現(xiàn)象.

表3 暴露于GO 72h后2種微藻的細胞內(nèi)Chla/Chlb含量之比

注:*<0.05水平上具有顯著性差異.

3.4 GO暴露對微藻碳水化合物、總蛋白質(zhì)、總脂含量的影響

碳水化合物、總蛋白和總脂是植物細胞中3類重要的生物活性物質(zhì).其中,碳水化合物既是細胞壁的主要成分,也是細胞的能量儲存庫.微藻在逆境脅迫下生長抑制,繁殖速度較慢,胞內(nèi)有機物質(zhì)積累,碳水化合物的含量較高[45],可溶性糖能有效捕獲ROS和清除環(huán)境脅迫下藻細胞中的自由基[46].蛋白質(zhì)是藻細胞正常生理功能的物質(zhì)保障,其含量變化可反映藻細胞受損情況[47],可溶性蛋白質(zhì)含量增加被認為是防止藻細胞受到非生物脅迫損害的一種主動防御機制[48].藻細胞內(nèi)總脂組成多樣,不僅可作為構(gòu)成細胞膜的主要組分(如磷脂),還是細胞重要的能量和碳儲存庫(以中性脂形式沉積在脂肪滴中)[49-50].在本研究所設(shè)計的濃度下,GO總體上促進了藻細胞內(nèi)碳水化合物和總蛋白的生成(圖4),這是藻細胞抵御GO脅迫的一種應(yīng)激反應(yīng).Barreto等[51]也發(fā)現(xiàn),小球藻()在濃度393~769μg/L納米銅中暴露72h后,其總蛋白含量顯著增加.高濃度GO暴露下斜生柵藻碳水化合物含量的降低,伴隨著總脂含量的顯著增加,表明處于嚴重脅迫的細胞中儲能物質(zhì)由淀粉向中性脂轉(zhuǎn)化[34-35].這也是GO對斜生柵藻生長具有較高抑制作用(72h EC50較低)的原因.此外,低、高濃度GO均會造成2種微藻細胞中總脂的積累(圖4).根據(jù)文獻報道,其它納米材料對微藻也有類似影響.例如,添加n-TiO2和UV-A照射可誘導(dǎo)普通小球藻(UTEX 265)細胞內(nèi)脂質(zhì)的生成[52].濃度5.1mg/L的零價鐵納米顆粒(nZVI)顯著增加湖泊微擬球藻等6種微藻的脂質(zhì)含量[53].納米材料促進微藻脂質(zhì)合成與其產(chǎn)生的氧化逆境有關(guān).因為GO能夠誘導(dǎo)藻細胞內(nèi)ROS(氧化逆境的典型標志)過量產(chǎn)生已被很多研究[54,40]所證實,而ROS在促進微藻脂質(zhì)合成中起著介導(dǎo)作用[55].逆境脅迫下生成脂質(zhì)作為儲能物質(zhì),有利于微藻抵御外界環(huán)境變化,實現(xiàn)機體自我保護.

4 結(jié)論

4.1 GO對斜生柵藻和湖泊微擬球藻的72h EC50分別為25.63和48.44mg/L,均屬中等毒性.

4.2 GO通過附著于藻細胞表面和進入藻細胞內(nèi)影響微藻生長.超微結(jié)構(gòu)主要變化包括:①質(zhì)壁分離;②葉綠體明顯收縮;③淀粉核、淀粉粒的體積和數(shù)量急劇減小.

4.3 微藻光合色素對GO敏感性順序為:Car> Chl>Chl.GO能刺激藻細胞內(nèi)3種生物活性物質(zhì)合成,是污染脅迫下的主動防御.高濃度GO造成碳水化合物含量顯著降低,可能原因是細胞中儲能物質(zhì)由淀粉向脂質(zhì)轉(zhuǎn)化.

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Effects of graphene oxide on the growth and bioactive compounds in freshwater microalgae.

PENG Xiao-ling, MENG Fan-ping*, ZHANG Qian, DU Shu-hao, DUAN Wei-yan

(Key Laboratory of Marine Environment and Ecology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)., 2019,39(11)：4849~4857

To understand the risk of graphene oxide (GO) to aquatic environments, the effects of GO on the growth and three bioactive compounds including carbohydrate, total protein and total lipid, in two species of freshwater microalgae,and, were investigated in this study. Results showed a moderate toxicity of GO to both species with the 72h EC50values of 25.63mg/L and 48.44mg/L, respectively. Transmission electron microscopy (TEM) images displayed that GO nanosheets not only adhered to the cell surfaces but also entered the cells, which induced obvious changes in ultrastructure, including plasmolysis, shrinkage of chloroplasts, and the decrease or even disappearance of starch grains. Synthesis of three photosynthetic pigments (chlorophyll a, chlorophyll b and carotenoid) in microalgae was promoted at lower concentration (10mg/L) of GO after 72h exposure. However, contents of carotenoid in the cultures of both species and chlorophyll a in the culture ofdecreased significantly when exposed to the higher concentration (100mg/L) of GO. Basically, the synthesis of three bioactive substances in algal cells was stimulated under both experimental concentrations of GO, implying an active defense mechanism under stress. The decrease of carbohydrate content in cells ofexposed to 100mg/L GO was hypothesized as results of the conversion of energy storage materials,. from starch to neutral lipids.

graphene oxide (GO)；；；photosynthetic pigments；bioactive substances

X835

A

1000-6923(2019)11-4849-09

彭曉玲(1994-),女,山東青島人,中國海洋大學(xué)碩士研究生,主要從事海洋污染生態(tài)效應(yīng)研究.發(fā)表論文3篇.

2019-04-26

國家自然科學(xué)基金資助項目(41276104)

* 責(zé)任作者, 教授, mengfanping@ouc.edu.cn