微塑料及其作为重金属载体对莱茵衣藻的胁迫效应

作     者：闫振 

作者单位：山东农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李晓晨

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 08[工学] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 0815[工学-水利工程] 0713[理学-生态学] 

主      题：微(纳)塑料 莱茵衣藻 毒性效应 重金属 吸附/解吸行为 

摘      要：随着塑料垃圾在环境中的持续累积,微塑料(MPs,5 mm)的潜在生态风险已成为全球关注的热点环境问题之一,然而有关微米塑料及其持续碎裂后产生的更小尺寸的纳米塑料(NPs,100 nm)对淡水环境的影响研究还十分有限。此外,广泛分布的MPs具有较强的疏水性、较大的比表面积,极易作为水环境中重金属等污染物的重要载体,进而影响污染物在环境中的迁移转化,对水生态健康造成潜在风险。因此,本文以淡水中广泛存在的莱茵衣藻(***)为模式生物,研究微米(PS-MPs)和纳米粒径(PS-NPs)聚苯乙烯微球对微藻生态毒性效应的差异。同时,研究MPs对典型重金属Ag、Cu的吸附/解吸行为及吸附机理,并进一步探究MPs作为重金属载体对微藻毒性效应的影响以及重金属生物有效性的影响。旨在揭示微塑料及其作为载体的生态环境风险,及MPs对重金属迁移转化提供数据支撑和理论基础。主要研究结果如下:(1)PS-MPs和PS-NPs在50～500 mg/L暴露浓度范围内均对***具有胁迫效应,降低其生物量和叶绿素含量。其中,PS-MPs和PS-NPs(500 mg/L)暴露96 h后对***的生长抑制率分别为23.3%和61.7%,表明NPs较MPs具有更强的生物毒性作用。PS-NPs胁迫处理后的藻细胞内活性氧簇(ROS)和丙二醛(MDA)水平升高,使其细胞膜通透性提高,进而引起PS-NPs的内化。相较于PS-MPs试验组,PS-NPs暴露会显著促进***胞外聚合物(EPS)分泌和诱导抗氧化酶(超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT))活性升高,这与微藻防御机制有关。此外,通过透射电子显微镜(TEM)发现自噬空泡包裹内化PS-NPs,经转运作用大量聚集至液泡中,减少PS-NPs在胞内分散从而降低其毒害作用。(2)MPs对重金属Ag和Cu的吸附研究表明:MPs对Ag的吸附性能高于Cu,平衡吸附量分别为364.25μg/g和271.47μg/g,两者在MPs的吸附动力学最符合准二级动力学模型,吸附速率先快后慢,最后趋于平缓。吸附等温线更符合Langmuir吸附模型(R =0.989;R =0.967),吸附是由MPs表面的功能活性位点主导的多机制复杂吸附过程,包含单分子层活性位点均匀吸附、多分子层化学吸附和静电吸附等。重金属在MPs表面前期解吸速率快,后趋于平稳,Ag的平衡解吸率在25%～30%之间,而Cu平衡解吸率在14%～17%之间。(3)MPs作为重金属Ag、Cu载体对***毒性影响的研究表明,MPs的存在缓解了重金属的毒性,主要原因是MPs与微藻对重金属的竞争吸附减少了微藻与重金属接触,进而减少Ag、Cu的内化含量降低了重金属生物有效性。微藻与Ag、Cu的吸附负载毒性效应低于两者的同时投加联合毒性,这表明MPs吸附Ag、Cu具有较强的稳定性,联合组Ag、Cu的内化含量明显高于负载组。此外,由于MPs对Ag吸附性能高于Cu,进而MPs与Ag处理组较Cu对微藻表现出更小的毒性效应。MPs与重金属联合、负载作用较单一重金属胁迫能够显著降低微藻光合荧光参数(α、r ETR和I),造成光合色素含量降低,这可能与MPs遮蔽效应抑制微藻光合作用有关。