原生动物排出纳米颗粒的动力学和机理

The accumulation of nanoparticles (NPs) in protozoa is one of the starting points for NPs entering aquatic food chain. Understanding the mechanisms underlying this process is of great help for us to gain a full picture of ecological risks of nanomaterials. Previous studies have indicated that size, shape, and surface functionalization could influence uptake rate and toxicity of NPs. However, it remains unclear how these physiochemical properties further affect NP efflux by cells. In this project, we aim to study effects of size, shape, and surface functionalization on 1) the dynamic subcellular distribution of NPs; 2) the efflux rates of NPs; 3) efflux routes of NPs in the ciliates Tetrahymena thermophila, using multidisciplinary techniques such as hyperspectral stimulated Raman scattering microscopy (SRS) and micro X-ray fluorescence spectra based on synchrotron radiation (μXRF). We will also compare the relative importance of different efflux routes by protein inhibitors and fluorescent labeling. It is anticipated that this study will assist to gain a better understanding for the biogeochemical behaviors of NPs in aquatic environment, and to lay theoretical basis for reducing ecological risks of nanomaterials.

纳米颗粒可以通过原生动物的累积进入水生食物链。阐明原生动物累积纳米颗粒的机制对我们充分认识纳米材料的生态风险十分重要。早前的研究表明纳米颗粒的粒径、形状、表面修饰会改变纳米颗粒在细胞的吸收效率与毒性效应，但这些性状如何进一步影响纳米颗粒的排出仍有待系统研究。本项目将借助超光谱受激拉曼散射显微成像（SRS）、同步辐射等先进技术观察不同性状的纳米颗粒进入原生动物嗜热四膜虫细胞后的分布及动态分配，定量测定嗜热四膜虫排出不同性质纳米颗粒的速率，并结合抑制剂实验和荧光标记等多学科交叉的手段比较各个排出途径的重要性，揭示纳米颗粒亚细胞内分布、排出动力学、排出途径之间的关系。研究结果可以帮助我们深入了解纳米颗粒在水环境中的生物地球化学行为，为有效控制纳米材料的生态风险提供理论依据。

纳米材料的大量生产和应用会导致纳其释放到环境中，进而产生危害。生物对纳米颗粒的外排既是纳米颗粒生物地球化学循环的重要组成部分，也是生物对纳米颗粒响应的重要途径。本项目在建立纳米颗粒排出动力学研究方法学的基础上研究了嗜热四膜虫（Tetrahymena thermophila）对不同疏水性纳米金的生物累动力学，纳米氧化铁和纳米氧化钛的排出动力学、胞内分布、排出途径差异。取得发现如下：. 1、纳米颗粒排出动力学研究方法学的建立：我们发现使用EDTA、Citrate和Cysteine组成的混合洗液，可以对六种纳米颗粒（纳米氧化铁、纳米氧化钛、纳米氧化硅、纳米银、羧基修饰的纳米金和氨基修饰的纳米金）在嗜热四膜虫表面的吸附有较好的洗脱效果。在此基础上，我们利用鲁戈氏溶液固定四膜虫，经自然沉降收集细胞可有效分离分离四膜虫和排出的颗粒。. 2、不同疏水性纳米金的合成、表征及生物累积：我们通过对两种表面配体（11-巯基十一烷基磺酸钠和1-辛硫醇）比例的调节合成了五种不同疏水性的纳米金（AuNPs）。我们进一步观察了疏水性对AuNPs生物累积的影响，发现疏水性的增加会逐渐降低四膜虫对AuNPs的生物累积，尤其是吸收速率。这种差异可能会在纳米颗粒排出过程中进一步体现。. 3、不同纳米颗粒的胞内分布、排出动力学及途径：我们系统检验了四膜虫在分别预暴露不同浓度的纳米氧化铁和纳米氧化钛后的排出动力学，发现纳米氧化铁和纳米氧化钛在四膜虫中的累积均可以显著的被排出。同时，排出量和比例都会因预暴露纳米颗粒浓度的升高而提升。但纳米氧化铁的排出比例比纳米氧化钛低。实验结果显示四膜虫对纳米氧化铁和纳米氧化钛的排出都主要通过含纳米颗粒食物泡经胞肛排泄。. 综上所述，在真实环境中，纳米颗粒的排出可能比想象中更加复杂。它不仅与纳米颗粒的理化性质有关，也与环境因素和生物本身的生理活动息息相关。本项目所获结果让我们从新的角度了解纳米颗粒的生物累积动力学，为制定相关的环境标准提供了一定的理论依据，同时也为今后这方面的研究打下了坚实基础。