【摘 要】
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纳米材料具有尺寸小、比表面积大及表面自由能高等优异的物理化学特性,在环境、医疗、电子、能源等领域都有重要应用。在众多的纳米材料当中,纳米银（Ag NPs）是目前商业化程度最高的。由于Ag NPs具有出色的抗菌活性,在很多产品（如杀菌喷雾、医疗器械、油漆、洗涤剂、化妆品等）生产中都有广泛应用。在生产、使用和废弃的过程中,Ag NPs不可避免地会释放到环境中,造成未知的环境风险。Ag NPs的毒性已经
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纳米材料具有尺寸小、比表面积大及表面自由能高等优异的物理化学特性,在环境、医疗、电子、能源等领域都有重要应用。在众多的纳米材料当中,纳米银（Ag NPs）是目前商业化程度最高的。由于Ag NPs具有出色的抗菌活性,在很多产品（如杀菌喷雾、医疗器械、油漆、洗涤剂、化妆品等）生产中都有广泛应用。在生产、使用和废弃的过程中,Ag NPs不可避免地会释放到环境中,造成未知的环境风险。Ag NPs的毒性已经引起了人们的关注。然而,目前纳米银毒性效应研究中,所选择的暴露剂量过高,不能反映其真实的环境风险。在本研究中,我们在Ag NPs的环境浓度暴露下,采用基于GC-MS的代谢组学和16S r RNA测序技术,探究了水生微生物和土壤微生物的生物响应及其机理。研究结果为纳米银的安全和可持续应用提供了理论依据,主要发现如下:（1）在对水生微生物影响的研究实验中,我们探究了不同浓度的Ag NPs（0.01、0.1和1 mg/L）和Ag+（0.1、1和10μg/L）对念珠藻（Nostoc sphaeroides）光合作用和固氮作用的影响。分别从表型、生理和代谢层面探究了纳米银对蓝细菌的生物效应。利用基于气相色谱质谱（GC-MS）的代谢组学技术（Metabolomics）对Ag NPs/Ag+暴露下的细胞生理状态进行监测。研究结果表明,高剂量的Ag NPs（1 mg/L）和Ag+（10μg/L）均使蓝细菌生长受到抑制、N2固定能力降低。低剂量Ag NPs（0.01和0.1 mg/L）和Ag+（0.1和1μg/L）暴露均未引起蓝细菌表型（生物量）和生理（叶绿素等）层面上的变化。用基于GC-MS的代谢组学定性和定量分析了蓝细菌体内的代谢产物。偏最小二乘法分析（PLS-DA）结果发现,低剂量的Ag NPs和Ag+暴露下,蓝藻的代谢谱图已经发生显著变化,一系列与抗氧化防御相关代谢物的水平显著降低,尤其是酚酸和多酚（肉桂酸、没食子酸、白藜芦醇、异绿原酸、3-羟基苯甲酸、表儿茶素、儿茶素和阿魏酸等）。这表明在低剂量Ag NPs暴露下,蓝藻受到氧化胁迫,抗氧化防御系统被激活。虽然通过检测常用的基础指标尚无法观察到该胁迫,但长时间的暴露可能会对念珠藻的生长和固氮产生影响。（2）在Ag NPs对土壤微生物影响的试验中,探讨了在有无植物存在下Ag NPs对土壤微生物群落结构和组成的影响。将Ag NPs暴露在未种植和种植土壤中60天后,利用基于16S r RNA基因测序技术测定了土壤的微生物群落,同时利用基于GC-MS的土壤代谢组学技术测定了Ag NPs存在下土壤小分子代谢产物的组成和变化。研究结果表明,与对照相比,土壤中添加Ag NPs使细菌群落组成和结构发生明显改变。在未种植和种植黄瓜的土壤中,均显著改变了与碳、氮和磷循环相关的细菌群落（苔藓菌,慢生根瘤菌,芽单胞菌）的丰度。土壤代谢组学分析表明,在未种植和种植黄瓜的土壤中添加Ag NPs后,土壤中的1,5-无水葡萄糖醇、果糖-1-磷酸、半乳糖醇、半胱氨酸、甘氨酸等糖和氨基酸的含量发生显著变化,这表明土壤微生物的C和N代谢受到干扰,这与细菌群落丰富度改变的结果一致。此外,在未种植和种植黄瓜的土壤中,暴露Ag NPs后,几种与抗氧化防御代谢相关的脂肪酸均显著减少,这表明Ag NPs的暴露可能对土壤微生物产生了氧化胁迫。这些结果为评估Ag NPs的环境风险提供了理论依据。
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