Influence of silver nanoparticles on benthic oxygen consumption of microbial communities in freshwater sediments determined by microelectrodes

用微電極法測定銀納米粒子對淡水沉積物微生物群落底棲氧耗量的影響

來源：Environmental Pollution 224 (2017) 771-778

 

一、論文摘要

本文摘要指出，銀納米顆粒（AgNPs）的廣泛使用會導(dǎo)致其釋放到水環(huán)境中，而沉積物是其主要歸宿。然而，AgNPs是否對沉積物功能產(chǎn)生潛在影響尚不清楚。本研究通過建立微宇宙系統(tǒng)，首次使用氧微電極測定了AgNPs及其PVP涂層AgNPs對太湖淡水沉積物耗氧量的潛在影響。研究結(jié)果表明，環(huán)境相關(guān)濃度（1 mg/L）的AgNPs未引起底棲微生物群落耗氧率的明顯變化。而添加10 mg/L的無涂層AgNPs在4-5小時內(nèi)導(dǎo)致了沉積物內(nèi)氧氣濃度剖面的顯著差異，并在100小時后顯著抑制了表層沉積物（約1毫米）微生物群落的耗氧。同時，在沉積物更深的區(qū)域觀察到了耗氧量的增加。這可能是表層好氧微生物為規(guī)避AgNPs的毒性脅迫而降低了代謝活性，同時，下層的兼性厭氧菌因氧氣生物利用度增加而從發(fā)酵或厭氧呼吸轉(zhuǎn)為有氧呼吸。此外，PVP涂層降低了AgNPs在底棲微生物中的納米毒性，這與其在過濾上覆水中溶解度的降低有關(guān)。

二、研究目的

本研究的主要目的在于：

 

評估AgNPs在沉積物系統(tǒng)中的遷移行為和歸宿。

探究不同濃度（環(huán)境相關(guān)濃度與高濃度）和不同涂層（無涂層與PVP涂層）的AgNPs對淡水沉積物底棲微生物群落耗氧量的潛在影響。

利用高分辨率的氧微電極技術(shù)，原位、實時地揭示AgNPs對沉積物-水界面微觀尺度上好氧代謝活動的抑制效應(yīng)和微生物的適應(yīng)性響應(yīng)。

 

為AgNPs的生態(tài)風(fēng)險評估提供新的見解和數(shù)據(jù)支持。

 

三、研究思路

本研究遵循了“材料表征-環(huán)境行為模擬-生物效應(yīng)評估-機制闡釋”的系統(tǒng)思路：

 

樣品采集與微宇宙建立：從太湖采集沉積物和上覆水，在實驗室建立模擬生態(tài)系統(tǒng)，并穩(wěn)定培養(yǎng)3周以確保系統(tǒng)達到偽穩(wěn)態(tài)。

納米顆粒表征：對商用無涂層和PVP涂層AgNPs進行形貌、粒徑、Zeta電位等表征，并研究其在太湖上覆水中的聚集動力學(xué)和溶解特性。

暴露實驗：將穩(wěn)定后的沉積物系統(tǒng)分為5組進行暴露實驗：對照組、1 mg/L AgNPs組、10 mg/L AgNPs組、1 mg/L PVP-AgNPs組、10 mg/L PVP-AgNPs組。暴露時長為100小時。

關(guān)鍵指標(biāo)監(jiān)測：

 

核心效應(yīng)監(jiān)測：使用丹麥Unisense氧微電極測量沉積物-水界面處氧氣濃度的垂直微剖面（微米級分辨率），并計算耗氧速率。

 

歸趨分析：在不同時間點采集水體和不同深度的沉積物樣品，通過ICP-MS分析銀的含量分布，以追蹤AgNPs的沉降和積累過程。

 

數(shù)據(jù)整合與機制分析：將氧微電極測得的生物效應(yīng)數(shù)據(jù)（耗氧抑制）與AgNPs的環(huán)境行為數(shù)據(jù)（聚集、沉降、分布）和理化性質(zhì)（溶解性）相關(guān)聯(lián)，闡釋毒性效應(yīng)的可能機制。

 

四、測量數(shù)據(jù)、研究意義及來源

研究測量了多個方面的數(shù)據(jù)，其意義和來源如下：

 

納米顆粒的膠體行為與濃度分布（揭示AgNPs在系統(tǒng)中的歸宿）

 

測量指標(biāo)：AgNPs在上覆水中的流體動力學(xué)直徑隨時間的變化（聚集動力學(xué)）、Zeta電位、以及銀在水體和沉積物不同深度中的濃度分布。

研究意義：這些數(shù)據(jù)證實了AgNPs會快速聚集、沉降并在表層沉積物（<5 mm）中大量積累（圖2）。這是AgNPs能夠?qū)Φ讞⑸锂a(chǎn)生直接作用的前提。同時，數(shù)據(jù)顯示PVP涂層能提高AgNPs的穩(wěn)定性，減緩聚集，并顯著降低銀離子的釋放。

 

 

數(shù)據(jù)來源：聚集動力學(xué)和SEM圖像見 圖1；銀在微宇宙中的濃度分布見 圖2。

 

氧氣濃度微剖面與耗氧速率（直接反映微生物群落代謝活性的變化）

 

測量指標(biāo)：使用氧微電極測量的溶解氧（DO）濃度隨沉積物深度的變化曲線（微剖面），以及基于模型計算出的耗氧速率在深度上的分布。

研究意義：這是本研究的核心發(fā)現(xiàn)。數(shù)據(jù)直觀地顯示了高濃度無涂層AgNPs如何改變沉積物內(nèi)部的氧氣格局。它不僅證明了毒性效應(yīng)（表層耗氧抑制），還揭示了微生物群落的適應(yīng)性響應(yīng)（深層耗氧增加）。這種微觀尺度上的變化是傳統(tǒng)批量實驗無法觀測到的。

 

 

 

 

數(shù)據(jù)來源：沉積物-水界面的代表性二維氧氣等高線圖見 圖3；PVP-AgNPs暴露后的氧氣微剖面見 圖4；無涂層AgNPs暴露后的氧氣微剖面見 圖5；暴露前后的氧氣濃度剖面及計算出的耗氧速率分布對比見 圖6。

 

五、研究結(jié)論

 

AgNPs的毒性具有濃度和涂層依賴性：環(huán)境相關(guān)濃度（1 mg/L）的AgNPs，無論是否涂層，均未對沉積物耗氧產(chǎn)生顯著影響。而高濃度（10 mg/L）的無涂層AgNPs表現(xiàn)出顯著的毒性，抑制了表層沉積物的耗氧。PVP涂層通過降低AgNPs的溶解性，有效減輕了其毒性效應(yīng)。

微生物群落對毒性脅迫存在適應(yīng)性空間重組：高濃度無涂層AgNPs的毒性效應(yīng)并非簡單的“全面抑制”。其核心表現(xiàn)是抑制了沉積物最表層（約1毫米）微生物的好氧呼吸，導(dǎo)致氧氣消耗減少。這使得氧氣能夠向更深處擴散，從而在更深層（1-2毫米）誘發(fā)了一個新的耗氧區(qū)域。這表明表層好氧微生物可能通過降低代謝活性以應(yīng)對脅迫，而深層的兼性厭氧微生物則利用新增加的氧氣進行有氧呼吸。

 

沉積物是AgNPs的重要匯和潛在熱點區(qū)域：研究表明AgNPs會迅速從水體沉降并富集在表層沉積物中，其濃度遠高于水體。因此，沉積物生態(tài)系統(tǒng)是評估AgNPs環(huán)境風(fēng)險的關(guān)鍵界面。

 

六、丹麥Unisense微電極測量數(shù)據(jù)的研究意義詳解

在本研究中，丹麥Unisense氧微電極技術(shù)的應(yīng)用是取得突破性發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵，其研究意義遠不止于測量一個耗氧量數(shù)值，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

 

提供了前所未有的高空間分辨率：傳統(tǒng)方法只能測量沉積物柱狀樣的整體耗氧率，無法分辨不同深度的情況。Unisense微電極的尖端直徑僅為100微米，能夠以100微米的步長精確測量氧氣濃度從水體到沉積物深處的連續(xù)變化（圖3, 4, 5）。這種毫米/亞毫米級的分辨率使得研究者能夠“看到”氧氣在沉積物中的滲透深度以及耗氧活動發(fā)生的精確位置。

實現(xiàn)了對微生物代謝活動的原位、實時監(jiān)測：微電極測量幾乎不干擾沉積物環(huán)境，能夠在不破壞樣品結(jié)構(gòu)的情況下進行原位測定。本研究在100小時內(nèi)多次測量微剖面，實現(xiàn)了時間序列上的實時監(jiān)測（圖5B）。這使得研究者能夠動態(tài)地捕捉到AgNPs毒性效應(yīng)的起始時間（4-5小時內(nèi)）和發(fā)展過程，這是破壞性取樣方法無法實現(xiàn)的。

揭示了毒性效應(yīng)的空間異質(zhì)性和微生物的適應(yīng)性策略：這是本研究最重要的發(fā)現(xiàn)。通過微電極數(shù)據(jù)，研究者發(fā)現(xiàn)毒性效應(yīng)不是均勻的。圖5B和6B清晰表明，抑制主要發(fā)生在最表層（0-1 mm），而刺激效應(yīng)則發(fā)生在更深層（1-2 mm）。這一現(xiàn)象只有通過微電極技術(shù)才能揭示。它表明微生物群落并非被動受損，而是發(fā)生了空間上的功能重組：表層微生物通過“休眠”避毒，深層微生物則“趁機”利用富集的氧氣。這對理解生態(tài)系統(tǒng)水平的響應(yīng)至關(guān)重要。

 

將生物效應(yīng)與地球化學(xué)過程在微觀尺度上直接鏈接：通過測量出的氧氣剖面，可以進一步利用擴散-反應(yīng)模型（如PROFILE）計算出不同深度下的體積耗氧速率（圖6中的線條）。這將單純的氧氣濃度分布轉(zhuǎn)化為了反映微生物活性的定量數(shù)據(jù)。這使得研究者能夠定量評價AgNPs對沉積物好氧代謝的抑制程度（如氧氣通量減少77%），并將這種生物學(xué)效應(yīng)與AgNPs引起的沉積物地球化學(xué)環(huán)境（氧化還原條件）的改變直接聯(lián)系起來。

 

綜上所述，丹麥Unisense微電極在本研究中扮演了“高精度顯微鏡”和“實時傳感器”的雙重角色。它不僅是測量工具，更是一種能夠揭示復(fù)雜微觀生態(tài)過程的核心研究手段。其應(yīng)用使研究者超越了“是否產(chǎn)生毒性”的簡單判斷，進入了“毒性如何在不同空間層面表現(xiàn)”以及“生態(tài)系統(tǒng)如何自適應(yīng)”的機制性研究深度，極大地提升了對納米材料環(huán)境行為的科學(xué)認知水平。