全 文 ：江西农业大学学报 2014，36(1):238－242 http:/ / xuebao．jxau．edu．cn
Acta Agriculturae Universitatis Jiangxiensis E－mail:ndxb7775@ sina．com
纳米二氧化钛对斜生栅藻的毒性效应研究
成 婕，谢尔瓦妮古丽·苏来曼，邓祥元* ，崔思宇，刘孟姣，邓美琳
(江苏科技大学 生物与化学工程学院，江苏 镇江 212018)
摘要:为了研究纳米二氧化钛(TiO2)对微藻的毒性效应，以斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)为材料，分析了纳米
TiO2 对 S．obliquus生长、叶绿素 a含量、超氧化物歧化酶(Superoxide Dismutase，SOD)活力及丙二醛(Malondial-
dehyde，MDA)含量等的影响。结果表明:纳米 TiO2 在低浓度(＜5 mg /L)时可促进斜生栅藻的生长及叶绿素 a
的合成，但在高浓度(＞10 mg /L)下具有抑制作用。低浓度纳米 TiO2 可诱导藻细胞合成 SOD，抵御纳米 TiO2 的
胁迫;但在高浓度时又会使 SOD活力降低。随着纳米 TiO2 浓度的升高，藻细胞中 MDA含量显著增加，表明细
胞中活性氧自由基(Ｒeactive oxygen species，ＲOS)过量积累，这将破坏藻细胞的膜结构与功能，使细胞遭受严重
损伤，表明纳米 TiO2 可能通过破坏藻细胞膜的结构与功能来抑制微藻的生长繁殖。研究认为:一定浓度的纳
米 TiO2 可抑制微藻生长，从而改变水生生态系统的群落结构，并对水体环境造成潜在的危害，因此，相关部门
在制定纳米 TiO2 的安全标准时应加以考虑。
关键词:纳米二氧化钛;斜生栅藻;毒性效应
中图分类号:X171．5 文献标志码:A 文章编号:1000－2286(2014)01－0238－05
Toxic effects of nanoparticle TiO2 on Scenedesmus obliquus
CHENG Jie，XIEEＲWANIGULI Su-laiman，DENG Xiang-yuan* ，
CUI Si-yu，LIU Meng-jiao，DENG Mei-lin
(School of Biology and Chemical Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang
212018，China)
Abstract:The growth，chlorophyll a concentration，superoxide dismutase (SOD)activity and malondialde-
hyde (MDA)content of Scenedesmus obliquus under different nano－TiO2 concentrations were analyzed in order
to reveal the toxic effects of nano－TiO2 on microalgae．The results showed that 1)low nano－TiO2 concentrations
(＜5 mg /L)caused an increase of the microalgal growth and chlorophyll a (Chl a)concentration，but high
nano－TiO2 concentrations (＞10 mg /L)significantly inhibited the growth and Chl a synthesis;2)the activity
of SOD was enhanced in low nano－TiO2 treatments，which is viewed as an active defense against environmental
stress，like the stress of nano－TiO2;while SOD activity decreased in high nano－TiO2 treatments．3)MDA con-
tent in the microalgal cells increased significantly with increasing nano－TiO2 concentrations indicating that ex-
cessive accumulation of reactive oxygen species (ＲOS)damaged the structure and function of this microalgal
cell membrane．Therefore，the microalgal cells suffered serious injury and had a negative growth under the stress
of nano－TiO2．It is suggested that high nano－TiO2 concentrations will inhibit the growth of microalgae，change
community structure of aquatic ecosystems，and cause potential hazard to the aquatic environment．Thus，the
收稿日期:2013－09－14 修回日期:2013－10－29
基金项目:江苏省自然科学基金(BK2011493)、江苏省高等学校大学生创新创业训练计划(201310289055Y)和国家
海洋局近岸海域生态环境重点实验室资助项目(201209)
作者简介:成婕(1989—)，女，硕士生，主要从事微藻环境生物学研究，E－mail:1519857683@ qq．com;* 通讯作者:邓
祥元，副教授，博士，E－mail:dengxy2009@ 126．com。
第 1期 成 婕等:纳米二氧化钛对斜生栅藻的毒性效应研究
safety of nano－TiO2 should be considered when the government makes the safety standard for using nano－TiO2
in future．
Key words:nano－titanium dioxide;Scenedesmus obliquus;toxic effects
随着纳米科技的飞速发展，越来越多的纳米材料进入周围环境及生命体中，已有研究表明，由于纳
米材料的特殊理化性质，可对生态环境产生潜在的负面效应［1］，因此，纳米材料的生物安全性问题引起
了研究者们的广泛关注［2］。其中，纳米二氧化钛(TiO2)具有光催化活性、紫外吸收性和化学稳定性，现
已被广泛应用于抗菌材料、化妆品、印刷、陶瓷及涂料等各种行业，是目前国内产量最高、需求量最大、应
用领域最广的纳米材料之一［3－4］。
纳米 TiO2 的广泛使用，大大增加其进入生态系统的可能性，它可在大气、土壤及水体环境中迁移，
通过食物链间的传递，可损伤或破坏生态系统中的个体、群体甚至整个生态系统［5］。微藻作为水生生
态系统的初级生产者，其种类的多样性和初级生产力会直接影响水生生态系统的结构与功能［6］。研究
表明:纳米 TiO2(35 nm，锐钛矿型)对蓝藻的叶绿素含量、光合速率、呼吸速率、超氧化物歧化酶(Super-
oxide Dismutase，SOD)活性以及超氧阴离子含量均有一定的影响，且纳米 TiO2 的锐钛矿型的毒性一般
大于金红石型［7］。此外，纳米 TiO2 不仅可以吸附并抑制铜绿微囊藻大型变种的生长，还能促进藻细胞
内活性氧自由基(Ｒeactive oxygen species，ＲOS)的产生，抑制包括 SOD、过氧化氢酶(Catalase，CAT)在内
的抗氧化酶与总抗氧化能力，使藻体可溶性蛋白含量下降、脂质氢过氧化物含量积累增加等［8］。
微藻细胞具有对多种毒物敏感、生长周期短、易分离培养和可直接在细胞水平上观察等特点［9］，使
得许多国家都采用微藻进行化学品的风险评价，并已建立了多个标准测试方法。其中斜生栅藻
(Scenedesmus obliquus)就是一种常用的毒性指示物种，也是我国推荐的环境监测试验藻种［10］。本文通
过研究不同浓度的纳米 TiO2 对斜生栅藻生长、叶绿素 a 含量、SOD 活力及丙二醛(Malondialdehyde，
MDA)含量等的影响，探讨纳米 TiO2 对斜生栅藻可能的毒性效应，为评估纳米 TiO2 对藻类的毒性效应
提供数据资料与科学依据。
1 材料与方法
1．1 材料与试剂
斜生栅藻(Scenedesmus obliquus，FACHB－1235)购自中国科学院水生生物研究所淡水藻种库。在无
菌条件下，将藻种转接到 BG－11培养基［11］中，培养条件为:温度 25 ℃，光强度 3 000 Lx，光周期为 12 h
(L) :12 h(D)。
纳米二氧化钛(VK－Ta20，锐钛型，纯度 96%，粒径 20 nm)购自杭州万景新材料有限公司，将纳米
TiO2 加入到无菌水中，配制成 5 g /L的母液，试验前置于超声波清洗器中处理 15 min，使悬浊液稳定均
匀。SOD及 MDA试剂盒购自南京建成生物工程研究所;其它试剂均为分析纯，购自上海国药集团化学
试剂有限公司。
1．2 方法
1．2．1 藻种的活化、培养 将斜生栅藻在无菌条件下转移至 BG－11 培养基中，于光照培养箱中驯化培
养 7 d，至对数生长期后用于暴露试验(培养条件为:温度 25 ℃，光强度 3 000 Lx，光周期为 12 h(L):
12 h(D) ，静置培养，每天定时人工摇动 3次)。
1．2．2 暴露试验 参照 OECD201 藻类生长抑制实验的方法，斜生栅藻接种后(初始密度为 2． 4 ×
104 cells /mL)，根据预试验结果加入纳米 TiO2，使其终浓度分别为 0、2．5、5、10、20和 40 mg /L，暴露时间
为 96 h。
1．2．3 细胞密度的测定 接种之日起每 24 h取样，用血球计数板法测定藻细胞密度。
1．2．4 叶绿素 a浓度的测定 每天取 5 mL藻液，参照 Deng等［12］的方法测定藻细胞中叶绿素 a的浓度。
1．2．5 SOD 活力及 MDA 含量的测定 纳米 TiO2 暴露 96 h 后，取藻液 20 mL，5 000 r /min 下离心
10 min收集藻细胞，加入 0．05 mol /L pH值 7．8的磷酸缓冲液 1 mL，利用超声波细胞破碎仪冰浴破碎细
胞 10 min(其间工作 5 s，间隙 10 s)，镜检无完整细胞后于 12 000 r /min下离心 10 min，上清液即为粗酶
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液。SOD活力及 MDA含量的测定参照南京建成生物工程研究所的试剂盒说明书进行。
2 结果与讨论
2．1 纳米 TiO2 对斜生栅藻生长的影响
图 1显示了不同浓度纳米 TiO2 对斜生栅藻生长的影响。由图可知，加入纳米 TiO2 处理 24 h 和
48 h后，处理组与对照组中斜生栅藻的生长未表现出明显差异(P＞0．05) ，但随着处理时间的延长
(72 h、96 h) ，高纳米 TiO2 浓度(＞ 10 mg /L)处理组中斜生栅藻的生长受到明显抑制，在 10，20 和
40 mg /L纳米 TiO2 的处理 96 h，斜生栅藻的细胞密度仅为对照组的 48．1%、46．8%和 44．3%;而与对照组
相比，低浓度处理组影响不明显，且具有一定的促进作用，在 2．5 mg /L 和 5 mg /L 纳米 TiO2 的处理
96 h，斜生栅藻的细胞密度为对照组的 106．3%和 102．5%，这与纳米 CeO2 对斜生栅藻生长的影响结果
基本一致［13］。低浓度的纳米 TiO2 对斜生栅藻产生的促进作用可能是由于其解离出的少量 Ti
2+对斜生
栅藻具有营养作用，而高浓度的纳米 TiO2 可引起藻体内叶绿素含量、蛋白质含量以及酶活性等发生改
变，从而对微藻生长产生抑制［14］。
图 1 不同浓度纳米 TiO2 对斜生栅藻生长的影响
Fig．1 Effects of different concentrations of nano－TiO2
on the growth of S．obliquus
2．2 纳米 TiO2 对斜生栅藻中叶绿素 a
含量的影响
叶绿素是光合作用的主要色素，叶
绿素的破坏或降解会直接导致光合作用
效率的降低，因此藻体内叶绿素含量的
变化直接影响其生长状态，图 2显示了纳
米 TiO2 对斜生栅藻中叶绿素 a含量的影
响。由图 2 可知，低纳米 TiO2 浓度(＜
5 mg /L)下，藻体叶绿素 a 含量随处理时
间延长而逐渐升高;高纳米 TiO2 浓度(＞
10 mg /L)下，叶绿素 a 含量先升高后降
低。说明低浓度纳米 TiO2 可促进斜生栅
藻中叶绿素 a 的合成，使其生长加快，而
高浓度纳米 TiO2 可使叶绿素 a分子受损
或其合成代谢受到抑制，当其浓度进一步增大时，可能会形成大量的 ＲOS，进一步破坏叶绿素 a［15］。
图 2 不同浓度纳米 TiO2 对斜生栅藻中叶绿素 a含量的影响
Fig．2 Effects of different nano－TiO2 concentrations on the chlorophyll a content of S．obliquus
2．3 SOD活力对纳米 TiO2 胁迫的响应
SOD是生物体内重要的活性氧防护酶，可与生物体内过氧化物酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽酶等组成
防御过氧化系统，催化生物细胞中的 ＲOS发生歧化反应，生成过氧化氢，再由过氧化氢酶转化为无害的
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分子氧和水，从而有效地清除活性氧，防止细胞膜系统过氧化作用的发生。由图 3 可知，随着纳米 TiO2
浓度的增加，SOD 活力先上升后下降，当纳米 TiO2 浓度为 5 mg /L 时，藻细胞中 SOD 活力达到最高
(8．07 U /108 cells)，表明在低纳米 TiO2 浓度胁迫下，藻细胞中 SOD 活力增加以清除过量的 ＲOS，使体
内 ＲOS保持平衡状态，可使微藻细胞的生长不受抑制;但高纳米 TiO2 浓度胁迫下，藻细胞受到的 ＲOS
伤害超出了自身所能调节的范围，导致 SOD活力显著下降，从而对细胞产生损伤［13］。
图 3 纳米 TiO2 胁迫下斜生栅藻中 SOD活力变化
Fig．3 The changes of SOD activity in S．obliquus
under the stress of nano－TiO2
图 4 不同浓度纳米 TiO2 对斜生栅藻中 MDA含量的影响
Fig．4 Effects of different nano－TiO2 concentrations
on the MDA content of S．obliquus
2．4 纳米 TiO2 胁迫下斜生栅藻中MDA含量的变化
在环境胁迫条件下，生物体内的 ＲOS平衡被打破，过多的 ＲOS 会引起膜脂过氧化，而 MDA 是膜脂
过氧化的产物，己被广泛用作衡量膜脂过氧化损伤的指标。纳米 TiO2 胁迫对斜生栅藻中 MDA 含量的
影响如图 4所示，随着纳米 TiO2 浓度的增加，细胞中 MDA含量逐渐升高，在 40 mg /L处理组中，藻细胞
内 MDA含量达到最大值(6．25 nmol /1010 cells)，表明随着纳米 TiO2 浓度的升高，膜脂过氧化加剧，细胞
损伤严重。有研究表明:纳米 TiO2 对藻类的致毒机理可能是纳米 TiO2 通过氧化还原的方式使藻体内
产生大量有害 ＲOS，破坏细胞的有序结构和正常的代谢功能，引起藻体内叶绿素含量、蛋白质含量以及
酶活性等发生改变，从而影响藻类的生长、发育过程［2］。
3 结 论
实验结果显示低浓度纳米 TiO2(＜5 mg /L)对斜生栅藻的生长及叶绿素 a的合成具有一定的促进作
用，而高浓度(＞10 mg /L)时表现出抑制效应。此外，纳米 TiO2 胁迫下，藻细胞内会发生显著的生理生
化反应，如 SOD活力先上升后下降，MDA含量逐渐升高，表明细胞中 ＲOS 的产生和消除间的平衡被破
坏，ＲOS的积累导致细胞膜被破坏，从而抑制了斜生栅藻的生长。因此，作为被广泛使用的一类纳米材
料，纳米 TiO2 对水环境的潜在危害不容忽视，相关部门在制定纳米 TiO2 的安全标准时应加以考虑。
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