全 文 ：我国是稀土资源最丰富的国家，稀土储量和产量
均居世界首位，稀土纳米材料的开发应用，开辟了稀
土资源有效利用。纳米二氧化铈具有晶型单一、电学
性能和光学性能良好等优点，因此被广泛应用于
SOFCS电极、光催化剂、防腐涂层、气体传感器、燃料
电池、离子薄膜等方面，是用途最广泛的纳米稀土材
料[1]。随着纳米二氧化铈在工农业生产和日常生活中
的应用日益广泛，它将不可避免地进入环境和食物链
中，因而人类终将面临纳米二氧化铈的安全问题。
农业环境科学学报 2012,31(2):299-305
Journal of Agro-Environment Science
摘 要：实验研究了纳米二氧化铈（CeO2）对斜生栅藻的毒性效应。结果显示，当纳米二氧化铈浓度为 5、10 mg·L-1时，对斜生栅藻
的生长有促进作用（P<0.01），其促进作用随着浓度增大而减小;至浓度为 50 mg·L-1时，开始变为抑制效应；当浓度达到 100、200
mg·L-1时，表现出显著的抑制作用（P<0.01），且抑制作用随着浓度增大而增大。光镜拍照和藻细胞直径的变化表现出，随着处理浓
度的增大，细胞有小型化的趋势。处理 7 d后，纳米二氧化铈对叶绿素和 SOD含量的影响和对藻密度的影响一致，而对 MDA含量
的影响刚好相反，说明细胞膜发生了不同程度的脂质过氧化反应。
关键词：纳米二氧化铈；斜生栅藻；光合色素；超氧化物歧化酶（SOD）；丙二醛（MDA）
中图分类号：X172 文献标志码：A 文章编号：1672- 2043(2012)02- 0299- 07
纳米二氧化铈对斜生栅藻的毒性研究
钟 秋，何 桢，戴安琪，张 灿，杨 雪，胡晓静，郭 佳，熊 丽 *，刘德立
（湖北省遗传调控与整合生物学重点实验室，华中师范大学生命科学学院，武汉 430079）
Toxicities of Nanoparticulate CeO2 on Scenedesmus Obliquus Kütz
ZHONG Qiu, HE Zhen, DAI An-qi, ZHANG Can,YANG Xue, HU Xiao-jing, GUO Jia, XIONG Li *, LIU De-li
（Hubei Key Laboratory of Genetic Regulation and Integrative Biology, College of Life Sciences, Huazhong Normal University, Wuhan 430079,
China）
Abstract：China contains the most rare earth resources in the world. Thus, it may provide a reliable basis for the use of rare earth materials.
The nanoparticulate CeO2 is widely used in numerous areas such as fuel batteries and gas sensors due to its good electrical and optical prop－
erties. However, the potential for the release of CeO2 nanoparticles into the environment is also increasing. The possibility of water resources
and soils being contaminated by the discharge of CeO2 nanoparticles arouses more and more concern. This study was designed to test the CeO2
nanoparticle′s toxicity effects on aquatic ecosystems. S. obliquus was exposed to a series of CeO2 concentrations（0, 5, 10, 50, 100, 200 mg·
L-1）. Five parameters were measured after 7 days of exposure which were growth rate, cell diameter, superoxide dismutase（SOD）, photosyn－
thetic pigments and free malondialdehyde（MDA）. It was shown that nanoparticulate CeO2 concentrations of 5 mg·L-1 and 10 mg·L-1 caused a
significant increase in growth, while 50 mg·L-1 of nanoparticles started to inhibit the growth and high concentrations of 100 mg·L-1 and 200
mg·L-1 significantly inhibited the growth. As the concentration increased, the stimulative effect was reduced and the inhibition effect was en－
hanced. The influence on the chlorophyll and SOD contents was consistent with that of cell growth, while the influence on the MDA contents
was opposite with that of SOD indicating that varying degrees of lipid peroxidation occurred in the cell membrane. Optical microscopy images
and changes in the diameter of the S.obliquus cells illustrated that with the increase of the concentration of the Cerium（Ⅳ）oxide nanoparti－
cles, there was a tendency of miniaturization of the cells. This study contributes to the research on the toxicological effects of nanomaterials
and can provide references for the risk assessments on issues concerning nanomaterial research.
Keywords：cerium（Ⅳ）oxide nanoparticle; Scenedesmus obliquus; photosynthesis pigments; SOD; MDA
收稿日期：2011-08-01
基金项目：国家自然科学基金（30771429，31071653）；教育部留学归国
人员科研基金
作者简介：钟 秋（1988—），女，湖北随州人，在读硕士研究生，研究方
向为环境毒理学。
*通讯作者：熊 丽 E-mail：xionglily@mail.ccnu.edu.cn
2012年 2月
目前关于纳米二氧化铈的生物效应研究的报道
并不多见。据路凯等[2]研究发现，二氧化铈纳米颗粒对
小鼠肺和肺外靶器官有不同程度的损伤，且该颗粒可
通过嗅神经通路进入脑部，引起脑部（嗅球）丙二醛
（MDA）升高。陈陵等[3]研究发现纳米二氧化铈对雄性
小鼠的脑、睾丸、心脏有一定的毒性作用。另有实验研
究[4]证实 Ce（Ⅳ）处理的海水会导致海胆（Paracentro－
tus lividus）胚胎细胞产生生长缺陷，影响其受精成功
率，甚至直接导致胚胎细胞的死亡。
藻类作为水生生态系统的初级生产者，其种类的
多样性和初级生产量直接影响水生生态系统的结构
功能，因而成为检测评价水环境质量的重要指标[5]。斜
生栅藻（Scenedesmus obliquus）对毒物敏感、个体小、
繁殖迅速、培养方便，生长状况在一定程度上能反映
水环境质量，并且在较短的时间内，可得到被测化学
物质对其世代及种群水平的影响评价，是一种较常使
用的测试生物。目前，纳米二氧化铈对藻的影响还未
见报道。因此，选择常见的浮游藻类斜生栅藻作为实
验生物，就纳米二氧化铈对其毒性效应进行研究，为
纳米二氧化铈的安全评估提供参考。
1 材料和方法
1.1 实验材料与仪器
实验材料：纳米二氧化铈（Cerium（Ⅳ）oxide，<25
nm Sigma）；斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）由中国
科学院武汉水生生物研究所藻种库提供（No.
FACHB39），并经室内扩大培养用于实验。斜生栅藻
的培养基为 HB-4培养基[6]，所有试剂均为分析纯。
实验仪器：5415R高速冷冻离心机（Eppendorf），
酶标仪（BIO-TEC），光照培养箱（武汉瑞华仪器设备
有限责任公司 HP300GS-C型），粒度计数仪（BACK
MAN），超声波清洗器（KQ-250B型，昆山市超声仪器
有限公司），荧光显微镜（LEICA，DM400B）。
1.2 实验方法
1.2.1 驯化培养
将斜生栅藻在无菌条件下转移至 HB-4 人工培
养液中，于光照培养箱中驯化培养 1周，至对数生长
期进一步扩大培养。培养条件为：温度（25±0.5）℃，
pH 7~8；明暗周期比 12 h∶12 h，光强 3 000 lx，静置培
养，每日定时人工摇动 3次[7]。
1.2.2 制备纳米二氧化铈悬浮液
将纳米 CeO2加入到灭菌的 HB-4 培养液中，配
制成 5 000 mg·L-1的母液，实验处理前置于超声仪中
超声处理 15 min，使悬浊液稳定均匀。
1.2.3 纳米 CeO2对斜生栅藻生长的影响
将处于对数生长期的斜生栅藻接种于灭菌的
HB-4人工培养液中，起始藻密度均为 1.1×106个，设
置 5个纳米 CeO2浓度梯度（5、10、50、100、200 mg·L-1）
和一个对照组，每个浓度设 3个平行组。每隔 24 h取
样测定藻细胞密度和大小。
1.2.4 光合色素的测定
处理第 7 d时，取 20 mL藻液，5 000 r·min-1下离
心 10 min收集藻细胞，转移到 10 mL的试管中，加入
5 mL 80%的丙酮，在黑暗处抽提 24 h后，充分混匀，
以 8 000 r·min-1离心15 min，取上清液置于酶标 96
孔板中，以 80%丙酮为参比，用酶标仪测定 OD663、
OD645、OD450值。光合色素的含量计算公式如下[8]：
C-a=12.21×OD663-2.81× OD645
C-b=20.13× OD645-5.03× OD663
C-k=（1 000×OD450-3.27×C-a-104×C-b）/229
C-a 为叶绿素 a；C-b 为叶绿素 b；C-k 为类胡萝
卜素。
并以 80%的丙酮作为参比，测定 300~800 nm波
长范围内叶绿素的连续吸收光谱。
1.2.5 粗酶液的提取
取 100 mL 藻液于冷冻离心机在 4 ℃、5 000 r·
min-1下离心 15 min收集藻细胞，分别用磷酸缓冲溶
液（0.1 mol·L-1，pH 7.8）润洗藻细胞 3次，每组中加入
预冷的磷酸缓冲溶液 0.8 mL（0.1 mol·L-1，pH 7.8）和少
量的石英砂在液氮条件下充分碾磨，将匀浆液在 4 ℃
下 8 500 r·min-1离心 15 min，取上清液并记下总体
积，冷冻保存以备后面测指标使用[7]。
1.2.6 SOD的测定
采用 Beachchamp[9]建立的 Bewley[10]改良的氮蓝
四唑（NBT）光化学还原反应法。酶活力单位定义为能
引起反应初速度（不加酶时）半抑制时的酶用量。蛋白
质含量用考马斯亮蓝法测定[11]，以小牛血清蛋白作标
准曲线。
1.2.7 MDA的测定
参照 Heath[12]和林植芳等 [13]的方法，采用硫代巴
比妥酸（TBA）法测定。
1.3 实验数据处理
每组实验均设计 3组平行，实验数据处理采用
Origin 6.1和 SPSS Statistics 13.0统计分析软件，进行
t检测和差异显著性分析并绘图。以下各图中 *和 **
分别表示和对照组相比 P<0.05（差异显著）和 P<0.01
钟 秋等：纳米二氧化铈对斜生栅藻的毒性研究300
第 31卷第 2期 农 业 环 境 科 学 学 报
（差异极显著）。
2 结果与分析
2.1 纳米二氧化铈对斜生栅藻生长的影响
图 1表示不同浓度纳米二氧化铈对斜生栅藻的
生长影响。由图 1看出，空白对照组和实验组的细胞
均呈现 S型生长曲线。在细胞培养的前 2 d，各个浓度
的纳米二氧化铈溶液均对藻细胞的生长没有表现出
明显的影响作用。第 5 d时，高浓度组（100、200 mg·L-1）
开始对藻的生长表现出明显的抑制作用（P<0.01），且
抑制作用随着浓度增大而增大，至第 7 d时其细胞数
与对照组相比分别下降了 6.4%和 15.1%；而低浓度
组（5、10 mg·L-1）则表现出促进作用（P<0.01），且促进
作用随着浓度增大而减小，至第 7 d时与对照组相比
其细胞数分别增加了 9.8%和 5.9%。处理浓度为 50
mg·L-1时，其生长趋势与空白组基本持平，没有显示
出明显的促进或抑制作用。
图 2表示不同浓度纳米二氧化铈对斜生栅藻的
细胞粒径影响。由图 2看出，随着处理天数的增加，浓
度为 50、100、200 mg·L-1的纳米二氧化铈作用下的细
胞粒径减小的幅度相对空白对照组逐渐增大（P<
0.01），而低浓度 5、10 mg·L-1组的细胞相对空白对照
则无明显变化。说明较高浓度的纳米二氧化铈有使细
胞小型化的趋势。
2.2 纳米二氧化铈对斜生栅藻光合色素含量的影响
图 3表示用不同浓度纳米二氧化铈对斜生栅藻
处理 7 d后，光合色素含量受到的影响。从图 3可知，
在纳米二氧化铈浓度为低浓度 5、10、50 mg·L-1时，各
种色素的含量与对照组相比都有所增加（P<0.01），其
促进作用随着浓度增大而减小；当纳米二氧化铈浓度
为高浓度 100、200 mg·L-1时，其对藻的生长变为抑制
作用，且随着处理浓度的增加，抑制作用显著增加（P<
0.01）。表现出低浓度纳米二氧化铈促进光合色素的
合成，而高浓度则抑制光合色素的合成，表现出剂量-
效应关系。在这 3种色素中，纳米二氧化铈对叶绿素
a的影响最大，在高浓度 100、200 mg·L-1时，叶绿素 a
相对于对照组分别下降了 23.0%（P<0.01）和 67.4%
（P<0.01）。
301
2012年 2月
图 4表示纳米二氧化铈对斜生栅藻处理 7 d后
对其吸收光谱的影响。处理 7 d后，各浓度组的吸收
光谱谱带相似，在蓝光区 430 nm处和红光区 663 nm
处均出现明显的吸收峰，其分别为叶绿素 a、b的特征
吸收峰。不同处理浓度组明显影响了吸收峰值的大
小，其结果和光合色素含量的变化是一致的。
2.3 纳米二氧化铈对斜生栅藻 SOD 活性和 MDA 含
量的影响
图 5表示处理 7 d后，纳米二氧化铈对斜生栅藻
SOD和 MDA含量的影响。由图可看出，与对照组相
比，低浓度组（5、10 mg·L-1）及中浓度组（50 mg·L-1）的
SOD 含量分别增加了 77.4%、57.3%（P <0.01）和
38.8%（P<0.01），其对应的 MDA则分别降低了 55.0%
（P<0.01）、2.1%和 2.9%；而高浓度组（100、200 mg·
L-1）的 SOD含量与对照组相比则分别下降了 13.1%
（P<0.05）和 18.0%（P<0.01），其 MDA 则分别上升了
78.1%（P<0.01）和 108.3%（P<0.01）。
2.4 纳米二氧化铈对斜生栅藻细胞形态的影响
图 6和图 7为处理 7 d后，在扫描电镜和光镜下
拍摄到斜生栅藻细胞形态的变化。正常条件下生长的
斜生栅藻为真性定形群体，细胞呈纺锤形，两端尖细，
群体由 4个或 8个细胞组成，长轴平行排列在一个平
面上[14]，如图 6-A。实验过程中每日定时摇动 3次，使
其呈单细胞如图 7-a所示，与对照组 a相比，低浓度
组（图 b）中的纳米二氧化铈团聚物分散在藻细胞中，
并与少量的细胞接触；随着纳米二氧化铈浓度的增
大，其所形成的团聚物也倾向于将更多的细胞包埋其
中（图 c、d），在图 6中可以清晰看到与对照图 6-A相
比，图 6-B的斜生栅藻细胞被纳米二氧化铈颗粒所
包埋。在图 7中，有个别高浓度组能观察到畸形细胞，
并且细胞也逐渐变得更小且不饱满，这与由细胞直径
变化所表明的随着处理浓度的升高，细胞变得小型化
钟 秋等：纳米二氧化铈对斜生栅藻的毒性研究302
第 31卷第 2期 农 业 环 境 科 学 学 报
图 7 光镜拍照培养 7 d后的斜生栅藻细胞
Figure 7 Light microscopy images of S.obliquus cells after 7 days exposure
a、b、c、d的二氧化铈浓度分别为 0、5、50、200mg·L-1，标尺：10μm
CeO2 nanoparticles concentrations of a, b, c, d are 0, 5, 50, 200 mg·L-1, respectively. bar：10 μm
图 6 扫描电镜拍照培养 7 d后的斜生栅藻细胞（A：0 mg·L-1 B：200 mg·L-1）
Figure 6 Scanning electron microscopy（SEM）images of S.obliquus cells after 7 days exposure（A：0 mg·L-1 B：200 mg·L-1）
A B
的结果是一致的。
3 讨论
藻类的生长实验结果可用于评价受试物对藻类
的短期暴露效应，反映受试物对水体中初级生产营养
级的影响[15]。在本实验的生长抑制测试中，低浓度的
纳米二氧化铈（5、10 mg·L-1）均对藻细胞的生长具有
促进作用（P<0.01），而到第 5 d，高浓度组（100、200
mg·L-1）对藻细胞的生长表现出显著的抑制效应（P<
0.01），并且使藻细胞小型化，表现出低浓度促进、高
浓度抑制效应。
关于纳米二氧化铈对藻的毒性效应，Karen Van
Hoecke等[16]提出了 5个假设：（1）纳米二氧化铈的聚
集导致藻细胞聚集，造成仪器测量到细胞数下降的假
象；（2）纳米二氧化铈颗粒能够进入藻细胞，或者其吸
附在藻细胞表面，对藻细胞产生了不利影响；（3）从纳
米 CeO2中解离出 Ce3+，从而对藻细胞产生毒性效应；
（4）纳米 CeO2吸附培养液中的铵盐和磷酸盐造成藻
dc
ba
303
2012年 2月
类的营养缺失；（5）纳米 CeO2的遮光效应抑制了藻类
的光合反应。对应这 5个假设，Karen Van Hoecke等
分别设计相应的实验加以验证，结果否定了假设（1）
（2）（4），假设（5）的毒性效应也可忽略，而假设（3）可
以成为致毒原因之一。
在本实验中，低浓度的纳米二氧化铈对斜生栅藻
产生促进作用可能是由于其解离出的少量 Ce3+对斜
生栅藻产生了如下作用：（1）营养作用，即低浓度的稀
土元素可能作为生物生长的营养元素起促进作用，或
是增加细胞对其他营养元素的摄取而加速生物生
长；（2）应激反应[16]，即低浓度的稀土具有促进生物生
长的作用 [17]。斜生栅藻在受到外界不利因素的影响
时，具有抵抗及适应抑制作用的机制[18]，这与稀土元
素生物效应中的 Hormesis效应相吻合[19]。
光合色素是客观反映植物利用光照能力的一类
重要指标，往往可以作为判断植物光合生理能力、反
映环境胁迫状况的重要指标。不同植物具有不同的光
合色素含量特征，植物光合色素因环境变化和生长发
育阶段的不同而变化[20]。本实验中斜生栅藻的光合色
素含量在纳米二氧化铈浓度为 5、10、50 mg·L-1时均
要高于对照组，且对斜生栅藻生长的促进作用随着浓
度增大而减小；高浓度时（100、200 mg·L-1）则显著地
抑制光合色素的合成（P<0.01），且对叶绿素 a的抑制
作用最为明显。这可能是因为在高浓度纳米二氧化铈
暴露下，细胞内活性氧的积累导致叶绿体结构破坏，
叶绿素合成受阻。而叶绿素 a对纳米二氧化铈最为敏
感，原因可能是叶绿素 a作为捕光色素复合体重要组
成部分，在光合系统 PSⅡ的反应中心中，作为光合电
子传递链的电子供体，与其他光合色素相比，更容易
受到光降解作用的影响[21]。
逆境胁迫下，植物体内会积累大量的 ROS，对细
胞造成危害，而 SOD作为清除活性氧的关键酶，其活
性的变化可以反映出植物受胁迫的程度。MDA在细
胞内的积累通常被用来作为细胞在受到胁迫时脂质
过氧化的重要指标。在本实验中，低浓度和中浓度处
理的斜生栅藻 SOD含量均高于对照组，高浓度组的
SOD含量显著低于对照组，而其 MDA含量则正好相
反。可能是在低浓度处理时，斜生栅藻光合作用的增
强使得细胞内活性氧的积累，而为了降低活性氧对机
体的损伤，藻细胞产生更多的 SOD来清除过多的活
性氧，使活性氧在体内保持平衡状态。而高浓度时，藻
细胞受到的伤害超出了自身所能调节的范围，SOD含
量显著下降，同时 MDA含量显著上升，表明细胞膜
受到了严重的损伤。有研究[22]对比了纳米和微米级别
的二氧化铈对近头状伪蹄形藻（Pseudokirchneriella
subcapitata）的毒性效应，证实其机理可能正是因为光
照条件刺激了二氧化铈颗粒的光催化活性，导致产生
羟基自由基，并发生一种植物模式脂肪酸的过氧化反
应。这些发现表明二氧化铈对近头状伪蹄形藻的抑制
效应模式是由一种细胞-颗粒作用作为中介的，而这
种相互作用又会导致细胞膜的损坏。这种效应极有可
能是由光化学反应诱导的，并在二氧化铈颗粒大小为
纳米级别的时候得到增强。
4 结论
本实验结果显示纳米二氧化铈在较低浓度时能
促进斜生栅藻的生长，至中浓度（50 mg·L-1）时开始变
为抑制作用，高浓度（100、200 mg·L-1）时表现出显著
的抑制作用；处理 7 d 后斜生栅藻光合色素、SOD、
MDA含量也出现相应变化，表明高浓度的纳米二氧
化铈对斜生栅藻的光合作用及细胞膜等均产生了损
伤；光镜拍照及细胞直径的变化表明斜生栅藻细胞出
现了小型化的趋势。
纳米二氧化铈对斜生栅藻细胞表面的吸附作用
和遮光效应以及解离出的 Ce3+可能是其对斜生栅藻
的致毒原因，其具体作用机制还有待进一步研究。但
是纳米二氧化铈作为一种新型的广泛使用的材料，其
对水环境的潜在危害不容忽视，相关部门在制定纳米
二氧化铈的安全标准时应当慎重考虑。
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