FESE | 前沿研究：当藻类遇到人工纳米材料

论文标题：Effects of manufactured nanomaterials on algae: Implications and applications（当藻类遇到人工纳米材料）

期刊：Frontiers of Environmental Science & Engineering

作者：Yuxiong Huang, Manyu Gao, Wenjing Wang, Ziyi Liu, Wei Qian, Ciara Chun Chen, Xiaoshan Zhu, Zhonghua Cai

(资料图片)

发表时间：15 Sep 2022

DOI： 10.1007/s11783-022-1554-3

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提要

人工纳米材料的广泛应用导致其在生命周期中不可避免地释放到水环境中。作为水生生态系统的主要生产者，藻类在维持生态系统能量流、物质循环和信息传递的平衡方面发挥着至关重要的作用。因此，深入了解人工纳米材料对藻类的生物效应及其潜在机制至关重要。本文全面总结了人工纳米材料对藻类的正面和负面生物效应，并深入讨论了潜在机制。一方面，人工纳米材料可能会对藻类造成机械损伤，引发氧化应激，影响基因和代谢表达，产生光屏蔽效应，抑制藻类的光合作用和生物量累积。另一方面，合理利用人工纳米材料的生物效应，可以刺激藻类生产高价值的生物活性物质，吸附共存污染物，实现环境修复，有利于促进纳米技术的可持续发展。

图1 摘要图

研究概览

具有独特物理和化学性质的人工纳米材料（manufactured nanomaterials，MNMs）已被广泛应用于各行各业。其在生产、运输、使用和处置过程中，被排放到水环境中，进而与藻类发生相互作用。MNMs的暴露会对藻类带来负面的生物效应，同时也带来相对正面的环境应用。本综述从生态毒性效应和潜在应用两个方面，全面梳理了MNMs对藻类的生物效应作用机制。MNMs对藻类的生物效应机制主要体现为对基因表达和代谢过程的影响（图2）。通过抑制脂质和碳水化合物等的生物合成过程以及细胞分裂过程，MNMs会影响藻类的基因表达；通过影响生物大分子和代谢产物的合成（如脂肪酸和类胡萝卜素）以及细胞内的碳氮比，MNMs影响藻类代谢过程；通过抑制光电子转移、减少叶绿素含量以及抑制氮同化酶的活动水平等过程，MNMs可以影响藻类的光合作用和固氮过程。

图2 人工纳米材料对藻类细胞的毒理机制

图3展示了MNMs对藻类的生物效应潜在应用途径。MNMs可以使藻类定向合成脂肪酸、类固醇、类胡萝卜素、多糖、凝集素、和卤化化合物等生物活性物质。此外，MNMs通过调控藻类的生长，可以抑制富营养化和生物淤积等生物污染的发生。而藻类光降解（algal photolysis）与人工纳米材料光催化结合产生的协同效果，将显著提升污染物降解效率。

图3 MNMs对藻类生物效应的潜在应用途径

编者按

人工纳米材料以其独特的性质而受到关注、开发和应用，但同时也引发了广泛的讨论，尤其在其环境效应和影响方面。本综述全面分析了人工纳米材料对藻类的正面和负面影响，并深入讨论了其潜在机制，指出人工纳米材料的暴露可能会对藻类的基因表达、代谢等过程产生不利影响，而合理利用人工纳米材料的诱导效应将有助于污染控制和资源化过程。本综述展望了人工纳米材料对藻类影响的环境启示和应用，丰富了对可持续纳米技术的理解和认识。

文稿 | 刘子毅，清华大学

梁佳文，哈尔滨工程大学

编者 | 吕剑，中科院烟台海岸带研究所，FESE青年编委

黄宇雄，清华大学，FESE青年编委

审校 | 张姣

本文内容来自FESE期刊2022年第16卷第9期已发表的Review文章 “Effects of manufactured nanomaterials on algae: Implications and applications”。通讯作者为朱小山教授。

引用格式：Yuxiong Huang, Manyu Gao, Wenjing Wang, Ziyi Liu, Wei Qian, Ciara Chun Chen, Xiaoshan Zhu, Zhonghua Cai. Effects of manufactured nanomaterials on algae: Implications and applications. Front. Environ. Sci. Eng., 2022, 16(9): 122

摘要

The wide application of manufactured nanomaterials (MNMs) has resulted in the inevitable release of MNMs into the aquatic environment along their life cycle. As the primary producer in aquatic ecosystems, algae play a critical role in maintaining the balance of ecosystems’ energy flow, material circulation and information transmission. Thus, thoroughly understanding the biological effects of MNMs on algae as well as the underlying mechanisms is of vital importance. We conducted a comprehensive review on both positive and negative effects of MNMs on algae and thoroughly discussed the underlying mechanisms. In general, exposure to MNMs may adversely affect algae’s gene expression, metabolites, photosynthesis, nitrogen fixation and growth rate. The major mechanisms of MNMs-induced inhibition are attributed to oxidative stress, mechanical damages, released metal ions and light-shielding effects. Meanwhile, the rational application of MNMs-algae interactions would promote valuable bioactive substances production as well as control biological and chemical pollutants. Our review could provide a better understanding of the biological effects of MNMs on algae and narrow the knowledge gaps on the underlying mechanisms. It would shed light on the investigation of environmental implications and applications of MNMs-algae interactions and meet the increasing demand for sustainable nanotechnology development.

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