UV-B辐射增强环境下纳米二氧化钛对海洋微藻的毒性效应及分子机制研究

Titanium dioxide nanoparticles (TiO2 NPs) are potential emerging environmental pollutants. Our research has reported the toxicity of TiO2 NPs to marine microalgae related to the produce of reactive oxygen species. Because of the generation of photocatalytic reactive oxygen species, enhanced UV-B radiation in the environment might be exacerbate the toxicity of TiO2 NPs to marine microalgae. However, the detailed process and molecular mechanism underlying this toxicity are still unclear. In this study, we will select marine microalgae as the target organism and TiO2 NPs at environmental relevant concentrations as the stress factor, in order to verify the toxic effects of TiO2 NPs on the population growth and photosynthetic physiology of marine microalgae under enhanced UV-B radiation. Furthermore, we will illuminate the action process of TiO2 NPs on marine microalgae under enhanced UV-B radiation through the analysis of key link. In addition, with the help of RNA-seq, we will preliminarily reveal the toxic molecular mechanism of TiO2 NPs on marine microalgae under enhanced UV-B radiation based on the key molecular events. The results of this study will provide the scientific basis for objectively evaluating the marine environmental risk of engineered nanoparticles.

纳米二氧化钛是一种潜在的新型环境污染物，本课题组前期研究工作表明纳米二氧化钛对海洋微藻具有显著的毒性效应，活性氧的产生是致毒的关键原因。由于纳米二氧化钛具有光催化活性，能够在UV-B辐射下产生更多的活性氧，因而全球变化背景下UV-B辐射增强可能会加剧纳米二氧化钛的生物毒性，但其中的作用过程和分子机制尚不明确。基于以上研究背景，本研究拟以海洋微藻为实验生物，以环境水平纳米二氧化钛为胁迫因子，研究UV-B辐射增强环境下纳米二氧化钛对海洋微藻种群生长和光合生理的毒性效应，通过关键环节分析阐明UV-B辐射增强环境下纳米二氧化钛胁迫海洋微藻的作用过程，运用RNA-seq技术识别UV-B辐射增强环境下纳米二氧化钛胁迫海洋微藻的关键分子事件从而揭示其分子毒性机制。研究结果将为客观评价人工纳米颗粒的海洋环境风险提供科学依据。

纳米二氧化钛（TiO2 nanoparticles，TiO2 NPs）是一种潜在的新型环境污染物，活性氧的产生通常被认为是纳米二氧化钛致毒的关键原因。由于纳米二氧化钛具有光催化活性，能够在UV-B辐射下产生更多的活性氧，因而全球变化背景下UV-B辐射增强可能会加剧TiO2 NPs的生物毒性，但其中的作用过程和分子机制尚不明确。本研究以蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa）为受试生物，以UV-B辐射和具有光催化性能的TiO2 NPs为胁迫因子，研究了TiO2 NPs、UV-B辐射对蛋白核小球藻的单一毒性和联合毒性；在此基础上设置了低、高浓度/剂量组，研究了UV-B 辐射增强条件下TiO2 NPs对蛋白核小球藻种群生长和光合生理的毒性影响，分析了ROS的来源和动态变化、氧化应激和氧化损伤、细胞形态结构的变化、EPS的分泌和TiO2 NPs富集等毒性作用过程，运用RNA-seq技术揭示了分子毒性机制中关键的信号通路和差异表达基因。研究结果表明：1）UV-B辐射增加了TiO2 NPs对藻细胞生长的抑制率，二者对蛋白核小球藻的联合毒性作用方式为协同作用；2）TiO2 NPs和UV-B辐射联合暴露会抑制藻细胞的光合能力，表现为叶绿素a和类胡萝卜素含量减少，PSⅡ最大光化学效率降低、天线蛋白捕光减少、能量耗散增加；3）TiO2 NPs在UV-B辐射下产生了更多的ROS，且ROS主要在藻细胞内产生；4）胞内ROS的产生能够诱导抗氧化酶SOD、CAT活性，但过量的ROS无法被完全清除，导致脂质过氧化；5）TiO2 NPs和UV-B辐射联合暴露对藻细胞的损伤更大，藻细胞出现表面凹陷、细胞壁破裂，严重地还会有质壁分离、液泡膜破损等现象；6）藻细胞通过分泌EPS抑制TiO2 NPs的内化，然而高浓度/剂量的TiO2 NPs和UV-B辐射联合暴露削弱了藻细胞分泌EPS的能力，导致TiO2 NPs内化增加；7）转录组测序结果显示，大量的差异表达基因与①光合作用、天线蛋白、光合固碳，②蔗糖、淀粉等能量物质合成和碳代谢，③抗氧化酶类，④网格蛋白介导的内吞作用等功能和通路密切相关。总的来说，本研究结果表明UV-B辐射会增加TiO2 NPs对海洋微藻的毒性，在UV-B辐射增强的全球变化背景下可能会加剧TiO2 NPs的海洋环境风险。