氢氧化铜纳米农药对微囊藻（Microcystis aeruginosa）的双相毒性：来自生理和转录组反应的机制洞察

《Journal of Water Process Engineering》：Biphasic toxicity of copper hydroxide nanopesticides to Microcystis aeruginosa: Mechanistic insights from physiological and transcriptomic responses

【字体：大中小】 时间：2026年03月04日 来源：Journal of Water Process Engineering 6.7

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　　铜基纳米农药对微囊藻生理代谢及转录组的影响机制研究。通过生理生化及转录组分析发现，低浓度CuNPs促进微囊藻生长，高浓度（≥1 mg/L）显著抑制增殖并破坏膜结构，干扰光合作用与能量代谢，转录组数据显示CuNPs通过调控光合系统II、ATP合成及碳代谢相关基因引发毒性。研究揭示了纳米农药浓度依赖性生态风险，为安全应用提供依据。

何云飞|姚月|苏琦|林秋兰|曲学通|丁家峰|张航军

杭州师范大学工程学院，中国浙江省杭州市310018

摘要

基于氢氧化铜的纳米农药（CuNPs）在现代农业中的应用日益广泛，但它们对水生微生物的生态影响仍知之甚少。本研究通过生理学、生物化学和转录组学分析，探讨了产生水华的蓝细菌微囊藻（Microcystis aeruginosa）对相关CuNPs暴露的响应机制。所使用的CuNPs为球形纳米颗粒（80–120纳米），并在24小时内持续释放Cu²⁺（约8毫克/升）。暴露于0.1–10毫克/升的CuNPs时，该菌表现出剂量依赖性的双相反应：在低浓度（0.1–0.5毫克/升）下，细胞增殖和叶绿素a含量略有增加；而在高浓度（≥1.0毫克/升）下，细胞增殖显著受到抑制（7天后减少73.6–88.3%），膜完整性受损，光合作用和ATP生成受到抑制。高剂量的CuNPs还会导致明显的膜损伤、离子泄漏和氧化应激，并改变细胞外有机物质的分泌情况。转录组学分析显示，相关基因的表达发生了广泛的变化，尤其是参与光系统II、ATP合成和碳代谢的基因表达下调，表明光合作用和能量代谢在分子层面受到了干扰。总体而言，我们的研究结果表明，CuNPs对微囊藻的毒性主要与膜功能障碍和代谢紊乱有关。虽然高浓度的CuNPs在实验室条件下能显著抑制蓝细菌的生长和毒素释放，但低浓度暴露仅引起轻微的生理反应。这些观察结果表明，CuNPs可能以浓度依赖的方式影响蓝细菌的生理状态，因此需要进一步研究以评估其在实际环境条件下的生态影响。

引言

全球人口的快速增长加剧了食物需求，推动了农用化学品的广泛使用以维持农业生产[1]。农药常被用于提高作物产量和控制病虫害[2]。然而，传统农药的靶向性较差，且易通过挥发和渗漏造成大量损失，从而导致过度使用和环境污染[3]。纳米技术的进步推动了新型农药的发展，这些纳米农药具有更好的生物利用度、更高的靶向性和可控释放性能[4],[5]。与传统农药相比，纳米农药可以提高害虫控制效率，同时减少化学投入和残留污染[6],[7]。

在商业纳米农药中，基于铜的制剂[8]，尤其是基于氢氧化铜的纳米农药（CuNPs），因其强大的抗菌效果和更好的环境相容性，已成为传统铜化合物的替代品[9]。仅2018年，美国就使用了约2260吨CuNPs[10]，在加利福尼亚州所有作物保护用农药中排名第12位[11],[12]。然而，其纳米特性可能导致这些农药通过径流和渗漏快速扩散到水生环境中，从而引发对非目标水生生物的生态风险[9],[13],[14]。因此，系统评估CuNPs的环境行为和生物效应对于确保其可持续和安全使用至关重要。

蓝细菌水华，尤其是由微囊藻（M. aeruginosa）引发的水华，对全球淡水生态系统构成严重威胁[15]。这种蓝细菌会形成密集的水华，破坏生态平衡，并释放微囊藻毒素LR（MC-LR），这是一种强效的肝毒素，会危害饮用水安全和公共健康[16]。传统的物理和化学除藻方法效率低下、成本高昂，或会导致细胞裂解后释放毒素等二次污染[17],[18],[19]。因此，了解新型农药（如纳米农药）与产生水华的蓝细菌之间的相互作用变得越来越重要。

以往的研究主要关注纳米材料对藻类的急性毒性效应，如生长抑制和氧化应激[20],[21],[22]，但对其对M. aeruginosa的生理、生物化学和分子效应的全面了解仍然有限。关于纳米农药对藻类毒素产生的影响也存在争议：一些研究表明环境压力会刺激毒素合成，而另一些研究则认为会抑制毒素释放[23],[24],[25]。特别是在转录组学层面的机制研究非常有限，这是一个重要的知识空白。阐明这些机制对于生态风险评估和基于纳米技术的藻类管理策略的开发至关重要。

为填补这些空白，本研究结合了生理学、生物化学和转录组学分析，全面探讨了CuNPs对M. aeruginosa的浓度依赖性影响。以往的研究主要关注个体生理反应，而本研究的创新之处在于将转录组分析与生理学实验相结合，提供了对CuNPs诱导的毒性的更全面理解。通过将基因表达变化与光合作用、能量代谢、氧化应激和毒素生成等细胞过程联系起来，我们旨在弥合分子水平反应与生态效应之间的差距。转录组数据的整合进一步揭示了CuNPs引起的氧化损伤、膜破坏和代谢紊乱如何与光合作用和能量代谢途径的转录调控相关联。总体而言，这些结果揭示了一条机制路径：CuNPs通过引发膜损伤、干扰能量代谢和改变关键基因网络来发挥毒性作用，从而明确了其生态风险，并为更可持续的蓝细菌水华控制方法提供了依据。

CuNPs的制备与表征

氢氧化铜纳米颗粒（CuNPs）由杜邦德尼莫尔斯公司（DuPont de Nemours, lnc.，美国）提供。使用扫描电子显微镜（SEM，Sigma VP，Zeiss，德国）和透射电子显微镜（TEM，LIBRA 200，Zeiss，德国）对其形态和晶体结构进行了表征。为了测定颗粒大小和稳定性，将10毫克/升的CuNPs悬浮液离心后，测量了水合颗粒大小和动态光散射（DLS）参数。

CuNPs的表征

SEM图像显示CuNPs主要为球形，表面光滑，直径在50–100纳米之间（图1a, b）。TEM分析进一步证实了其高结晶度（图1c, d）。DLS结果显示其水合颗粒大小分布在80–120纳米之间，峰值约为90纳米（图1e），表明这些颗粒尺寸有利于进入细胞内部。在10毫克/升的悬浮液中，Cu²⁺

结论

作为新兴的绿色农业剂，CuNPs具有优异的抗菌性能，但由于其在水生生态系统中的潜在生物相互作用，也引发了生态担忧。本研究全面探讨了M. aeruginosa对CuNPs暴露的生理、生物化学和转录组学反应，以阐明其浓度依赖性毒性的机制。CuNPs暴露表现出明显的双相反应：在低浓度下

作者贡献声明

何云飞：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据整理、概念构思。姚月：初稿撰写、数据整理、概念构思。苏琦：数据可视化、验证、实验设计。林秋兰：数据可视化、软件应用、实验设计。曲学通：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、资金筹集。丁家峰：撰写 – 审稿与编辑、验证、资金筹集。张航军：撰写 – 审稿与编辑