2020年科研工作重要进展系列成果专题八——水域生态与河流健康研究

编者按：2020年研究院31名科研教学人员团结一致、攻坚克难、整合力量，打造特色研究方向，取得了丰硕成果：获云南省科技进步一等奖一项，入选云南省野外观测科研站一个；国家自然科学基金立项14项（立项率58%，全院师均获资助0.45项，含重点级项目2项），目前研究院在研纵向科研项目总计48项；2020年研究院在Nature Reviews Earth & Environment、Earth and Planetary Science Letters、Geophysical Research Letters、Remote Sensing of Environment等地学主流杂志发表（含合作发表）学术论文183篇，其中SCI/SSCI/EI收录121篇（一作及通讯76篇，人均2.45篇/年），授权专利（含实用新型）13项，以下将分八个专题对代表性的亮点成果进行介绍。

专题八：水域生态与河流健康研究

纳米银是目前全球产量最大的纳米材料之一，因其独特的抗菌性能和理化特性被广泛应用于人们生产、生活的多个领域。纳米银的广泛使用使其不可避免地释放进入水环境，这引起了人们对纳米银潜在水域生态安全和环境健康影响的极大关注。陈礼强研究员团队以水生态系统中最为关键的淡水鱼类和藻类为对象，整合传统生态毒理学方法和最新多组学技术，系统性地开展了纳米银在水生态环境中的离子释放、生物富集动力学过程、生物组织分布特征和蛋白质组学分析，并从个体、组织、细胞和分子水平系统揭示了纳米银的生物毒性效应和致毒性机制，为纳米银的水生态环境风险评估提供了重要依据。系列成果发表于Journal of Hazardous Materials、Environmental Pollution和Chemosphere等环境科学与生态学权威学术期刊。

8.1系统揭示了纳米银对鱼鳃的毒性效应机制

鳃是鱼类的呼吸器官，也是水环境纳米材料暴露的首要靶器官，但目前纳米材料暴露引起鱼鳃毒性效应的机制仍不清楚。为此，本研究选择鲤鱼的鱼鳃为研究对象，解析了纳米银暴露对鱼鳃膜脂肪酸组成、膜的流动性、鱼鳃组织结构变化和蛋白质组学的影响。研究结果揭示纳米银对鱼鳃膜的毒性很可能是通过脂质过氧化作用，将鱼鳃膜中的不饱和脂肪酸，特别是n-3系列多不饱和脂肪酸，氧化为饱和脂肪酸，进而引起膜的流动性降低，最终破坏鱼鳃膜的正常生理功能。从蛋白质组分析得出纳米银对鱼鳃可能的毒性机制为：1）纳米银通过诱导鱼鳃胶原1型α蛋白上调，引起鱼鳃次级鳃小片上皮细胞增生；2）纳米银介导VEGF信号通路中细胞溶质磷脂酶A2上调引起级联反应，从而造成次级鳃小片毛细血管扩张；3）纳米银通过诱导氧化磷酸化通路中ATP合成酶的下调，抑制鱼鳃的能量代谢。这项研究系统地阐释了纳米银对鱼鳃的毒性效应机制，对更好地理解纳米银引起的水生生物毒性机制和潜在的水生态环境风险具有重要意义。

图8-1纳米银对鱼鳃的毒性效应和致毒机理（Xiang et al., 2020,Journal of Hazardous Materials; Xiang et al., 2020,Environmental Pollution）

8.2颗粒表面电荷介导的纳米银对小球藻的毒性效应机制

表面电荷性质是影响纳米颗粒水环境行为和生态毒性效应的最关键因子。颗粒表面电荷性质如何介导纳米银与淡水藻类的相互作用从而决定了其生物富集和毒性效应的机制不清楚。为此，本研究选择水生态毒理学模式生物小球藻为研究对象，运用富集动力模型、DLVO理论和最新的DIA蛋白质组学技术，研究了表面电荷介导纳米银对小球藻的生物积累和致毒机理。富集动力学模型对负电荷纳米银和正电荷纳米银在小球藻中的吸着速率（ku）和排除速率（ke）分析表明小球藻对正电荷纳米银的生物可利用率（用ku计算）是负电荷纳米银的20倍。排除速率常数ke和T_1/2表明正电荷纳米银完全排除小球藻体内的时间远大于负电荷纳米银，提示在电荷纳米银在藻体中的滞留时间更长。这意味着正电荷纳米银在生物体内存在的时间更长对水生食物链的的潜在影响比负电荷纳米银更高。蛋白质组学结果揭示出负、正电荷纳米银对小球藻的致毒机制存在明显差异。负电荷纳米银更容易造成小球藻线粒体相关功能蛋白质的特异性表达，从而影响藻体的能量代谢、氧化磷酸化、氨基酸合成。而正电荷纳米银更善于抑制与核糖体功能相关的蛋白表达，致使小球藻的遗传信息传递受阻、蛋白质合成途径中断。本研究成果阐明了银纳米颗粒表面电荷性质对其生物富集行为和藻类毒性效应机制，为纳米银的水生态环境风险评估提供了重要依据。此外，研究组目前正在系统性地开展纳米银对淡水生态系统结构和功能的研究，期望从生态系统水平进一步揭示纳米银的水生态环境效应和对人体健康的影响。

图8-2表面电荷介导纳米银在小球藻的生物富集及其毒性机制（Zhang et al., 2020,Environmental Pollution; Zhang et al., 2020,Chemosphere）