纳米二氧化钛对莱茵衣藻砷还原与甲基化的影响机制

Engineered nanoparticles have been demonstrated to modify the environmental behavior of contaminants in aquatic ecosystems because of their large surface areas and high reaction activity. The potential influence of nanoparticles on pollutant would hinder the application of ecological restoration technology in contaminated water. Titanium dioxide nanoparticles (nano-TiO2) have been widely applied in various fields, resulting in increasing nano-TiO2 importation to natural water systems. In the project, we firstly analyze the biotransformation of nano-TiO2 bound As(V) and dissolved As(V) by Chlamydomonas reinhardtii, and discuss the influence of the nanoparticles on arsenate reduction and methylation. Then, the related environmental factors (DOM, illumination, phosphorus) will be studied through orthogonal experiments to determine the main influencing factors of arsenic metabolism in the presence of nano-TiO2. Furthermore, we will characterize arsenate reduction and methylation in algal cells with or without nanoparticles by transcriptome analyses and qRT-PCR technique, and screen genes (related to arsenate metabolism) of C. reinhardtii associated with nano-TiO2, to explore the driving factor and the regulatory mechanism. Investigation in the project will offer an overall understanding of arsenic metabolism and biotransformation by microalgae in the complex living environments, and therefore facilitate the application of microalgae in As remediation.

纳米材料因其较大的比表面积以及较强的反应活性，对污染物的环境行为具有调控作用，这将给水污染生态修复技术的有效应用带来挑战。本项目选取在各领域应用广泛的nano-TiO2为研究对象，通过室内模拟试验，对比研究C.reinhardtii对nano-TiO2结合态As(V)、离子态As(V)还原与甲基化的差异，探讨nano-TiO2对该藻五价砷生物转化的影响；此外，我们从对纳米材料生态效应影响较大的因素（光照、DOM）入手，结合水体磷浓度的差异，利用多因素正交试验进一步寻求纳米材料调控微藻五价砷生物转化的关键环境因素。在此基础上，采用转录组测序与qRT-PCR技术筛选出与nano-TiO2调控作用相关的关键功能基因，从而深入阐明nano-TiO2对C.reinhardtii砷生物转化的影响机制。本项目系统研究了复杂水环境下微藻对砷的代谢与转化，为有效应用微藻修复砷污染水体提供理论依据。

藻类修复是一种绿色、低成本、可持续的水污染原位生物修复方法，不仅能累积大量的砷(As)在藻细胞内，还能通过甲基化作用对其进行代谢转化。然而，纳米材料因其巨大的比表面积以及反应活性，对As环境行为具有一定的影响，这将给应用微藻进行As修复带来挑战。因此，系统研究了纳米材料介导下微藻对砷的代谢与转化，具有十分重要的现实意义与理论价值。本项目主要研究内容包括：1）探讨nano-TiO2对微藻As(V)吸收、转化和外排的影响机制研究；2）结合水体磷浓度的差异，寻求nano-TiO2调控微藻As(V)生物转化的关键环境因素；3）研究nano-TiO2和胞外聚合物互作对砷代谢的影响机制。主要研究结果如下：. （1）暴露初期（1d），nano-TiO2的添加显著促进了莱茵衣藻藻细胞对As的积累，但是随着培养时间的延长，nano-TiO2的载体效应逐渐降低。当nano-TiO2存在时，进入藻细胞的As(Ⅴ)除了还原成As(Ⅲ)并甲基化生成DMA 外，还能转化为结构更复杂、毒性更低的砷糖。对于拟微绿球藻而言，nano-TiO2的添加对As的累积同样具有先促进后降低的趋势，但是抑制了该藻对砷的甲基化作用。. （2）莱茵衣藻和拟微绿球藻生长同时受到 nano-TiO2 和磷酸盐浓度的影响；随着磷酸盐浓度的降低，藻细胞对As的累积显著增加，在磷酸盐浓度保持不变的前提下，nano-TiO2对As累积的影响与（1）的规律一致，且莱茵衣藻藻细胞内砷糖占比显著增加，而培养基中三价砷占比显著降低；而拟微绿球藻仅检测到As(V)、As(III)和DMA，纳米添加后藻细胞内有机砷和培养基中三价砷占比显著降低。. （3）nano-TiO2可刺激能量依赖的内吞作用相关基因上调进入藻细胞，nano-TiO2与EPS均能促进As在藻细胞中的累积，但是主要为表面吸附，内化占比显著降低，与此同时，nano-TiO2与EPS相互作用也抑制微藻对As(Ⅴ)转化和外排。