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利用Handy PEA和Clark氧電極闡明納米CuO對微藻的毒害機理

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

   納米材料的應用是21世紀最重要的革命之一。納米材料已經被廣泛應用于化妝品、汽車及各種物品的涂料、紡織品、農業殺菌劑等人類生活的各個領域。然而當納米材料給人類生活帶來便利的同時，它對生態環境、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。近來人們發現CuO NPs可能會污染環境，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構的破壞和導致氧化脅迫。然而，關于納米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

近期山東農業大學生命科學學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、自發熒光以及蛋白表達測定等技術深入探討了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合體蛋白的影響

CuO NPs處理后藻細胞內活性氧和抗氧化酶活的變化及活性氧的具體產生位點

CuO NPs對小球藻和柵藻細胞超微結構的影響

該研究表明微藻的光合機構比呼吸機構對CuO NPs的毒害更敏感，光合電子傳遞鏈中的放氧復合體（OEC）最易受到CuO NPs的傷害。CuO NPs對OEC的傷害導致光合電子傳遞受阻，從而導致光合產物不足，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能增加，導致葉綠體中活性氧的大量產生，導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

該論文發表在毒理學一區雜志Nanotoxicology上，第一作者為山東農業大學生命科學院的車興凱博士。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證據，并對限制納米材料向環境的排放，保護水生和陸生生態環境提供了有力的支持。