Assessing the effects of silver nanoparticles on the ecophysiology of Gammarus roeseli  

評(píng)估銀納米顆粒對Gammarus roeseli生態(tài)生理學(xué)的影響  

來源：Aquatic Toxicology, Volume 256, 2023, Article 106421

《水生毒理學(xué)》第256卷，2023年，文章編號(hào)106421  

 

摘要內(nèi)容

 

研究通過自然環(huán)境水體暴露實(shí)驗(yàn)（72小時(shí)），評(píng)估了5種粒徑（10–100 nm）、低濃度（≤5 μg/L）的銀納米顆粒（nAg）對淡水甲殼類Gammarus roeseli的生態(tài)生理學(xué)影響。結(jié)果表明：  

最小粒徑nAg（10 nm）在生物體內(nèi)顯著累積（圖1），且呈濃度依賴性。  

 

 

10–40 nm nAg顯著增加G. roeseli的耗氧量（圖3），但鰓部通氣活動(dòng)未受影響。  

 

 

耗氧量與生物體內(nèi)銀濃度呈正相關(guān)（圖4），提示小粒徑nAg可能通過誘導(dǎo)細(xì)胞缺氧或氧化應(yīng)激干擾能量代謝。  

 

粒徑≤40 nm的nAg在0.5 μg/L極低濃度下即引發(fā)顯著生理效應(yīng)，凸顯其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。  

 

研究目的

評(píng)估環(huán)境相關(guān)濃度（≤5 μg/L）nAg對底棲生物G. roeseli的亞致死效應(yīng)。  

 

探究nAg粒徑（10–100 nm）對生物累積和生理功能的影響差異。  

 

揭示nAg通過呼吸代謝途徑干擾水生生物能量平衡的機(jī)制。  

 

研究思路

環(huán)境模擬暴露：  

 

使用自然河水（La Méholle流域）添加nAg（0.5–5 μg/L），模擬真實(shí)污染場景。  

 

投喂微生物預(yù)處理的榿木葉，維持生物自然攝食行為。  

多終點(diǎn)評(píng)估：  

 

生物累積：ICP-MS測定組織銀含量（圖1）。  

 

呼吸代謝：Unisense微呼吸系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測耗氧率（圖3）；視頻分析鰓肢擺動(dòng)頻率（通氣活動(dòng)）。  

 

能量代謝：比色法檢測三酰甘油、蛋白質(zhì)含量及線粒體電子傳遞鏈（ETS）活性。  

粒徑效應(yīng)分析：  

 

比較5種粒徑nAg（10/20/40/60/100 nm）的劑量-效應(yīng)關(guān)系。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

生物累積數(shù)據(jù)（圖1）  

 

數(shù)據(jù)：10 nm nAg暴露組（5 μg/L）銀累積量較對照組高6倍，而100 nm組無顯著累積。  

 

意義：證實(shí)小粒徑nAg更易被生物富集，歸因于其高比表面積和膜穿透能力，為納米顆粒生物可利用性提供直接證據(jù)。  

耗氧量數(shù)據(jù)（圖3）  

 

數(shù)據(jù)：10 nm nAg（5 μg/L）使耗氧率增加47%，且與體內(nèi)銀濃度顯著正相關(guān)（R2=0.82, 圖4）。  

 

意義：揭示nAg通過誘導(dǎo)細(xì)胞缺氧或氧化應(yīng)激，迫使生物體代償性提升氧攝取以維持能量供應(yīng)，反映亞致死水平下的生理脅迫。  

粒徑特異性效應(yīng)（圖3）  

 

數(shù)據(jù)：10–40 nm nAg在≥2.5 μg/L時(shí)顯著增加耗氧量，而60–100 nm組無變化。  

 

意義：明確粒徑≤40 nm的nAg具有更高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，為納米材料環(huán)境監(jiān)管提供粒徑閾值參考。  

 

結(jié)論

粒徑主導(dǎo)毒性：  

 

≤40 nm nAg在環(huán)境相關(guān)濃度（0.5 μg/L）即可顯著增加耗氧量，而≥60 nm nAg無明顯生理干擾。  

累積-效應(yīng)關(guān)聯(lián)：  

 

生物體內(nèi)銀濃度與耗氧量呈線性正相關(guān)，證實(shí)累積量是驅(qū)動(dòng)生理響應(yīng)的關(guān)鍵因素。  

缺氧應(yīng)激機(jī)制：  

 

耗氧量升高可能源于nAg誘導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)缺氧或氧化損傷，需進(jìn)一步驗(yàn)證線粒體功能障礙機(jī)制。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義

 

研究中采用Unisense微呼吸系統(tǒng)（圖3）實(shí)時(shí)監(jiān)測個(gè)體水平耗氧動(dòng)力學(xué)，其核心價(jià)值在于：  

高靈敏度微環(huán)境監(jiān)測：  

 

在2 mL微腔室內(nèi)實(shí)現(xiàn)μg/L級(jí)溶解氧動(dòng)態(tài)檢測，精準(zhǔn)捕捉nAg暴露下G. roeseli的秒級(jí)呼吸速率變化，克服傳統(tǒng)溶氧儀的空間分辨率局限。  

揭示劑量-粒徑耦合效應(yīng)：  

 

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)明確顯示10–40 nm nAg的耗氧促進(jìn)作用呈濃度依賴性（如10 nm組在5 μg/L時(shí)耗氧增加47%），而大粒徑（100 nm）無此效應(yīng)，為粒徑依賴性毒性機(jī)制提供關(guān)鍵證據(jù)。  

關(guān)聯(lián)生物累積與功能響應(yīng)：  

 

耗氧曲線與ICP-MS數(shù)據(jù)（圖4）結(jié)合，首次建立G. roeseli體內(nèi)銀濃度與耗氧量的定量關(guān)系（線性模型R2=0.82），證明生理響應(yīng)直接受nAg生物累積量驅(qū)動(dòng)。  

 

不可替代性：Unisense系統(tǒng)的微升級(jí)檢測能力（電極尖端直徑≈10 μm）允許對單一個(gè)體進(jìn)行無損連續(xù)監(jiān)測，避免群體實(shí)驗(yàn)的個(gè)體差異干擾，尤其適用于低濃度納米材料暴露下的亞致死效應(yīng)精準(zhǔn)解析。