纳米ZnO存在下小球藻胞外聚合物的产生特性及其对氮磷吸收的影响

Nano-particles, which are ubiquitous in aquatic environment, have toxic impact on algae and affect their absorption of nitrogen and phosphorus. Algal extracellular polymer substances (EPS) have a variety of biological roles, however, the properties of EPS with present of nano-particles and their effects on the absorption of nitrogen and phosphorus in are not very clear. The project aims to investigate the toxic impact of nano-ZnO on the growth of Chlorella vulgaris and on the absorption efficiencies of nitrogen and phosphorus. Then, the distribution of nitrogen, phosphorus, zinc and Nano-ZnO particles in the algae and their EPS will be determined. Moreover, the generation properties of EPS in the presence of nano-ZnO will be assayed (molecular weight, hydrophilicity and hydrophobicity, the content and structure of main composition of bound EPS and soluble EPS) by three dimensional fluorescence spectrum, size exclusion chromatography and other methods. Furthermore, the main molecular mechanism of binding mode between EPS and nano-ZnO (mode of binding sites, pattern and process) will be explored by the X-ray photoelectron spectroscopy, X-ray fluorescence spectrometry, two dimensional infrared spectroscopy, etc. Based on data analysis, the relationship between nitrogen and phosphorus absorption efficiencies and the properties of EPS will be established. The results of this study have significance for the evaluation of environmental behavior of nano-particles and guidance of algal biotechnology in wastewater treatment.

纳米颗粒物在水环境中已有相当程度的暴露，对藻类具有毒性效应并影响氮磷吸收。藻细胞的胞外聚合物（EPS）具有多种生物作用，目前对纳米颗粒物存在下EPS的产生特性及其对藻类氮磷吸收的影响尚不明晰。本项目在考察纳米ZnO对小球藻（Chlorella vulgaris）的毒性效应及对氮磷吸收效率影响的基础上，探明氮、磷、锌及纳米ZnO颗粒在小球藻EPS及藻细胞内的分布；采用三维荧光光谱、高效体积排阻色谱等方法，明确EPS在纳米ZnO存在下的产生特性（结合态和溶解态EPS的分子量、亲疏水性及主成份含量和结构）；采用X-射线光电子能谱、X-射线荧光吸收光谱、二维红外光谱等手段，深入研究EPS与纳米ZnO结合的分子模式（结合位点、方式与顺序）；通过数据分析，建立小球藻EPS的特性指标与其氮磷吸收效率之间的关系。研究结果对于评价纳米颗粒物的环境行为和指导藻类生物技术在污水处理中的运用具有重要意义。

藻类生物膜技术具有脱氮除磷的优势，但污水中纳米颗粒等毒物会影响藻细胞及其胞外聚合物（EPS）从而影响藻类对氮磷的去除，但目前关于纳米颗粒胁迫对藻类吸收氮磷的影响缺乏深入认识。因此本项目以污水中广泛存在的纳米ZnO为例，研究纳米颗粒存在下藻类EPS的产生特性及其对氮磷吸收的影响，同时探究了纳米ZnO与磷酸盐的相互作用及纳米ZnO与EPS作用的主要分子模式，并探究了纳米ZnO/表面活性剂复合污染体系对小球藻的联合毒性效应。主要结果如下：（1）纳米ZnO抑制了小球藻的生长并影响了藻类对氮磷的去除，而EPS能缓解纳米ZnO的毒性作用。（2）低浓度的纳米ZnO对小球藻除磷有抑制作用，而高浓度的纳米ZnO与磷酸盐生成磷酸锌微晶促进磷的去除。纳米ZnO的毒性主要来源于其溶出的Zn离子，Zn离子主要分布在S-EPS中，随时间和纳米ZnO浓度的增加Zn元素表现出从S-EPS中向小球藻B-EPS富集的趋势。（3）纳米ZnO对小球藻EPS的分泌有促进作用，且对S-EPS中蛋白质的促进作用（45.86%）更明显。纳米ZnO存在下，EPS总量与小球藻氨氮吸收率之间呈现良好的正相关性（R2=0.947）；而由于纳米ZnO能与磷酸盐形成微晶，EPS总量与小球藻正磷酸盐吸收率间的相关性较小（R2=0.813）。（4）3D-EEM图谱表明，与B-EPS相比，S-EPS与纳米ZnO的作用能力更强，且EPS中的类色氨酸为与纳米ZnO反应的主要荧光物质。FTIR和XPS结果表明，羧基、羟基和氨基为EPS与纳米ZnO反应的主要官能团。（5）纳米ZnO与阳离子表面活性剂CTAC的复合污染体系中，CTAC降低了纳米ZnO的溶出并增加了纳米ZnO而非Zn离子在藻细胞内的富集，从而降低了纳米ZnO对小球藻的毒性效应。另外，CTAC与纳米ZnO结合，并在其表面形成疏水层，减少了纳米颗粒在小球藻表面的聚集，从而减少了纳米颗粒对小球藻的遮蔽，缓解了纳米ZnO对光合作用过程的抑制。然而阴离子表面活性剂SDBS促进纳米ZnO的溶出并增加了Zn元素在藻细胞内的富集，从而增加了纳米ZnO的毒性效应。研究结果发表在Journal of Hazardous Materials、Bioresource Technology、Chemosphere等SCI学术期刊，并获2019年湖南省自然科学三等奖。参加七次学术会议，进行口头汇报交流。