Effects of silver nanoparticles on nitrification and associated nitrous oxide production in aquatic environments

納米銀粒子對水體硝化及相關氧化亞氮生成的影響

來源：Zheng et al., Sci. Adv. 2017;3: e1603229

 

論文摘要總結

本文研究了銀納米顆粒（AgNPs）對水生環境硝化作用及其關聯的氧化亞氮（N?O）產生的影響。AgNPs是納米技術消費品中應用最廣泛的材料之一，但其對環境中氮循環關鍵過程——硝化的潛在影響尚不明確。研究通過河口沉積物實驗發現，AgNPs會抑制硝化速率，且抑制作用隨AgNPs濃度增加呈指數上升。同時，AgNPs對N?O排放表現出低劑量刺激和高劑量抑制的"毒物興奮效應"（Hormesis）。低劑量AgNPs可使N?O排放增加超過100%。同位素分析和宏轉錄組學進一步表明，N?O主要來源于羥胺（NH?OH）氧化途徑，且低劑量AgNPs會增強該途徑的貢獻。研究強調，AgNPs的環境釋放需嚴格控制，因其會干擾硝化菌群并刺激溫室氣體排放。

研究目的

本研究旨在探究AgNPs對河口沉積物中硝化作用及N?O產生的具體影響機制，包括：

 

量化不同尺寸（10 nm、30 nm、100 nm）和濃度的AgNPs對硝化速率的抑制效應；

明確AgNPs對N?O排放的劑量依賴性影響（如Hormesis效應）；

 

通過同位素和分子生物學手段解析N?O的產生路徑及硝化菌群的應激響應。

 

研究思路

 

實驗設計：采集長江河口潮間帶沉積物，制備沉積物懸液，添加PVP包覆的AgNPs或Ag?（AgNO?）進行急性暴露實驗（30小時）。

劑量響應分析：測定不同濃度AgNPs下硝化速率（以NO??生成量計）和N?O排放量，構建劑量-響應曲線。

機制解析：

 

利用N?O同位素異構體技術（SP值分析）區分N?O產生途徑（NH?OH氧化 vs. NO??還原）；

通過宏轉錄組學分析硝化菌群關鍵基因（如amoA、norQ）的表達變化；

 

結合透射電鏡（TEM）觀察細胞結構完整性。

 

數據驗證：通過qPCR驗證基因表達，并排除溶解氧、PVP包覆劑等干擾因素。

 

測量數據及研究意義

 

硝化速率抑制數據（來自圖1）：

 

數據內容：AgNPs和Ag?處理下硝化速率的百分比抑制率（12小時暴露）。

 

研究意義：表明AgNPs的毒性具有尺寸依賴性（10 nm AgNPs的EC??為421 μg/L，100 nm為6020 μg/L），且Ag?的毒性遠高于AgNPs（EC??為11 μg/L）。證實AgNPs主要通過溶解的Ag?發揮毒性，其機制可能與破壞細胞呼吸鏈相關。

 

N?O排放數據（來自圖2）：

 

數據內容：AgNPs和Ag?處理下N?O排放的百分比變化（12小時暴露）。

 

研究意義：首次發現AgNPs對N?O排放的Hormesis效應（低劑量刺激、高劑量抑制）。例如，30 nm AgNPs在713 μg/L時N?O排放增加97.2%，而高濃度（如2000 μg/L）則抑制89.9%。說明低劑量AgNPs可能通過應激反應激活硝化菌的N?O生成途徑。

 

N?O同位素數據（來自圖3）：

 

數據內容：N?O的1?N位點偏好（SP）值及δ1?N?、δ1?N?變化。

 

研究意義：SP值在低劑量AgNPs處理下升高（如100 nm AgNPs在1000 μg/L時SP=35.6‰），表明NH?OH氧化途徑的貢獻從89%（對照組）增至>90%。高劑量AgNPs則使SP值降低（如10 nm AgNPs在2000 μg/L時SP=17.4‰），說明NH?OH氧化途徑被抑制。此數據明確了AgNPs對N?O產生路徑的特異性影響。

 

基因表達數據（來自圖4和附表S3）：

 

數據內容：宏轉錄組和qPCR顯示關鍵基因表達變化（如amoA下調1.4倍，norQ上調1.4倍）。

 

研究意義：amoA下調與硝化抑制一致；norQ上調直接關聯N?O排放增加。同時，重金屬應激基因（如cusA、copB）和氧化應激基因（如katG）的上調表明AgNPs引發了細胞防御機制。這些分子證據揭示了AgNPs影響硝化作用的深層機制。

 

溶解氧與Ag?濃度數據（來自附圖S3、S8和附表S1）：

 

數據內容：溶解氧（DO）維持在6.3–9.1 mg/L，溶解Ag?濃度與毒性顯著相關。

 

研究意義：排除低氧或NO??積累對N?O排放的干擾，證實AgNPs的毒性主要源于Ag?釋放。

 

結論

 

AgNPs對硝化作用具有尺寸和濃度依賴性抑制，且毒性主要來自Ag?的釋放。

N?O排放受AgNPs的Hormesis效應調控：低劑量刺激（最高增加125%），高劑量抑制。

N?O主要產生于NH?OH氧化途徑，低劑量AgNPs通過上調norQ基因增強該途徑。

AgNPs引發硝化菌群的重金屬應激（如cusA基因上調）和氧化應激反應，但未導致明顯細胞結構損傷。

 

研究強調，AgNPs的環境釋放可能加劇溫室氣體排放，需加強風險管控。

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀

本研究使用丹麥Unisense微電極（檢測限0.04 mg/L）監測沉積物懸液中的溶解N?O濃度。其研究意義如下：

 

高精度監測N?O動態：Unisense電極能夠實時檢測低濃度N?O的微小變化（如低劑量AgNPs處理下17.6%的增幅），避免了傳統氣相色譜法的時間延遲問題，為Hormesis效應的發現提供了關鍵數據支持。

排除缺氧干擾：電極測量顯示DO濃度始終高于6.3 mg/L（附圖S8），證明N?O排放增加并非由缺氧引發（缺氧通常通過硝化菌反硝化途徑促進N?O生成）。這一數據強化了"AgNPs直接應激"的結論。

支持機制解析：結合同位素數據，Unisense電極記錄的N?O累積曲線（附圖S5）顯示，低劑量AgNPs暴露下N?O排放隨時間持續上升，且與norQ基因上調同步，驗證了轉錄組結果的可靠性。

 

環境應用價值：該電極的靈敏性使其適用于自然水體中低濃度AgNPs的生態風險評估，為未來現場監測提供了方法學參考。

 

綜上，Unisense電極的數據不僅量化了AgNPs對N?O排放的影響，還通過高分辨率監測排除了混雜因素，為揭示AgNPs的生態毒性機制提供了關鍵證據。