二氧化铈纳米颗粒（CeO2 NPs）是一种广泛应用于工业领域的纳米材料。由于其中的Ce元素能够在三价（Ce2O3）和四价（CeO2）之间转换，CeO2 NPs表现出高效的催化性能，已被广泛用于催化剂、药物制剂和柴油添加剂等产品。但CeO2 NPs在环境中难以降解，并且会通过食物链积累和放大，进而威胁生态环境安全和人类健康。目前，CeO2 NPs已被经济合作与发展组织（OECD）列为需要进行测试和风险评估的13种工程纳米材料之一。以往研究表明，CeO2 NPs对生物的胁迫作用会受到其环境行为及释放方式影响，由于CeO2 NPs在现实环境中持续地释放到水体中，水生生态系统可能会多次重复受到CeO2 NPs 的影响，但目前大多数研究集中于研究单次释放条件下的生态风险研究。因此，着眼于现实情况下探究重复释放CeO2 NPs的水生态效应，对于全面了解纳米颗粒的生态毒性和健康风险具有重要意义。
图1. 环境中的重复暴露CeO2 NPs的生态风险
中山大学农业与生物技术学院黄晓辰课题组在Eco-Environment & Health期刊上发表了题为“Repeated release of cerium oxide nanoparticles altered algal responses: Growth, photosynthesis, and photosynthetic gene expression”的研究型论文。该研究旨在探究单次与重复暴露CeO2 NPs对普通小球藻（Chlorella vulgaris）生长、光合及基因表达的影响，研究结果有助于探究CeO2 NPs的生态风险，推动大健康框架下的纳米材料生态风险研究。
在本研究中，作者首先构建了小球藻与CeO2 NPs的共培养体系，在72小时的培养周期内，分别以单次、两次、三次和六次的暴露次数向小球藻施加总量一致的CeO2 NPs，比较不同暴露方式下小球藻对CeO2 NPs的响应差异。作者通过比较不同暴露方式下CeO2 NPs的团聚程度及其与藻细胞接触程度，阐明了不同暴露方式下藻细胞对CeO2 NPs胁迫产生差异响应的机理。
生理毒性评估结果表明，与单次暴露相比，水环境中CeO2 NPs的重复暴露会对小球藻产生更严重的影响，具体表现为生物量降低程度更高、氧化应激水平更高以及光合作用性能下降程度更高等。本研究进一步从基因转录水平对暴露方式对藻类光合响应的差异进行了研究。结果表明，光合相关基因petA、petB、atpB（编码细胞色素b6/f复合物）和rbcL（编码核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶大亚基）在不同暴露方式下均被上调，且重复暴露情况下上调程度更高。而psbD（编码光系统II P680反应中心D2蛋白）在不同暴露方式下均被下调。光合基因的调节方向与光合电子传递链中相关途径的电子传递效率呈相反趋势，表明CeO2 NPs胁迫下藻类光合作用相关基因的上调是其维持基本生理过程的一种补偿措施。
图3. CeO2 NPs对小球藻光合电子传递链、ATP合成酶及碳同化过程的影响
自相团聚结果表明，不同暴露方式下，每次暴露剂量的CeO2 NPs团聚程度在30分钟内随暴露次数的增加而减小。单次暴露剂量的CeO2 NPs水动力学直径增加至933.68 nm，两次、三次和六次重复暴露剂量的CeO2 NPs水动力学直径仅分别增加至653.52 nm、465.09 nm和466.14 nm。重复暴露方式中CeO2 NPs较高的分散性会增加其与藻细胞的接触机会，该推论在异相团聚的结果中得到了证实，即增加暴露次数会加剧CeO2 NPs与小球藻之间的相互作用，与单次暴露相比，两次、三次和六次暴露下藻类细胞表面或细胞内的Ce元素含量分别增加了8.13%、12.13%和20.51%。此外，本研究对CeO2 NPs的分散性在重复暴露条件下藻类差异响应过程中的作用进行了验证。利用聚丙烯酸（PAA）将CeO2 NPs包裹形成CeO2 NPs-PAA，发现其未出现自相团聚现象，且藻类对其单次暴露与重复暴露的响应无差异。
这项研究聚焦于工程纳米颗粒暴露次数对藻类光合作用的影响，强调了重复暴露方式导致的潜在水生态风险更大，为实际水体中纳米颗粒释放的生态风险评估提供了新的见解。
该论文第一作者为中山大学农业与生物学院的硕博连读研究生刘赛博，中山大学农业与生物学院的黄晓辰助理教授为论文的通讯作者，中山大学农业与生物学院的辛国荣教授、海南大学生态与环境学院的朱小山教授以及重庆大学环境与生态学院的瞿涵副教授共同参与完成了本论文。该研究得到国家自然科学基金项目（42007285，42077227）、广东省面上项目（2023A1515010564）、深圳市优秀科技创新人才培养项目博士启动（RCBS20210706092344024）以及深圳市科创委稳定支持（202206193000001, 20220816102553004）基金项目的资助。
Saibo Liu, Jingheng Han, Xiaowu Ma, Xiaoshan Zhu, Han Qu, Guorong Xin, Xiaochen Huang*. Repeated release of cerium oxide nanoparticles altered algal responses: Growth, photosynthesis, and photosynthetic gene expression, Eco-Environment & Health (Eco-Environ. Health), 2024
刘赛博，中山大学农业与生物技术学院2023级生态学专业博士研究生。主要研究方向为纳米污染物的生态毒理研究，以第一作者身份在ACS Nano、Eco-Environ. Health、J. Hazard. Mater.等期刊发表论文4篇。
黄晓辰，中山大学农业与生物技术学院助理教授，硕士生导师。主要研究方向为微纳米颗粒的环境应用与生态效应。目前，共主持国自然青年项目、广东省面上、深圳市优秀科技创新人才培养项目（博士启动）等项目8项，以第一作者/通讯作者（含并列）身份，在ACS Nano、Green Chem.、Eco-Environ. Health等期刊上发表SCI论文18篇，引用2200余次，H因子20。担任《Water》客座编辑和《环境保护科学》青年编委。通讯邮箱：huangxch55@mail.sysu.edu.cn。
