随着纳米技术的发展,纳米材料被广泛应用在工业、医药、电子、日常生活等各个领域。纳米材料在制造和使用过程中可以通过点源或非点源途径排放进入水环境形成纳米颗粒物。纳米颗粒物在水环境中具有低剂量、长期赋存的特点。随着纳米颗粒物在水环境中的检出,对纳米颗粒物在水生生物体内累积、通过食物链传递及其毒性效应等的研究越来越受到关注。然而,传统的毒性评价方法集中于在纳米颗粒物作用末端点上对生物致死率、生殖影响、生长障碍以及异常行为等的影响;同时,研究中选取纳米颗粒物的作用浓度远高于环境中实际存在的浓度,并不能真实反映纳米颗粒物在低浓度、长期暴露条件下的生物效应,尤其是忽视了纳米颗粒物可能对于水生生物体产生的生长刺激效应,因而不能对纳米颗粒物的毒理学效应做出全面、客观的评价。本研究选取应用广泛的纳米C60和纳米银作为模型材料在水体环境中所形成颗粒物的代表,以斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)和大型溞(Daphnia similis)为受试水生生物,基于组学技术,包括转录组学和代谢组学,研究纳米颗粒物对水生生物作用的分子机制。研究内容包括:在前期研究低浓度n C60对斜生栅藻存在生长抑制作用的基础上,利用转录组学和代谢组学技术探究低浓度n C60(n C60=0、0.1、1mg/L)长期作用下的斜生栅藻藻细胞内基因及化合物变化;通过21天慢性毒性试验,探究低浓度Ag NPs(Ag NPs=0、0.02、1μg/L)长期暴露对大型溞的生理作用影响,并利用代谢组学技术进行代谢产物分析;通过21天慢性毒性试验,利用代谢组学技术探究低浓度Ag NPs(Ag NPs=0、0.02、1μg/L)长期暴露对大型溞各生长阶段所产生代谢产物变化的影响,并探究正常状态下大型溞生命周期内各生长阶段的代谢产物变化趋势以作为对照。研究结果表明:(1)暴露于n C60中,藻细胞的非特异性细胞防御机制被激活。暴露于n C60中的藻细胞在转录过程和化合物代谢方面发生了显著变化。与对照组相比,n C60=0.1mg/L试验组和n C60=1mg/L试验组分别有2234(2085条基因显著上调、149条基因显著下调)和2448(2247条基因显著上调、201条基因显著下调)条基因发生了显著差异变化。同时,我们鉴定出22种代谢产物,其中有6种代谢产物发生显著差异变化,如蔗糖、葡萄糖、苹果酸等。通过代谢通路分析,我们发现发生显著差异变化的基因和化合物主要参与到TCA循环中。TCA循环比正常状态下更加活跃。由于蔗糖的过度积累而激发了反馈抑制作用的产生,进而对藻类光合作用起到抑制作用,最终表现为藻类生长抑制作用。(2)低浓度Ag NPs长期暴露对大型溞产生毒物兴奋效应。与对照组相比,表现为进食能力的增加,平均体长、平均干重的增加,同时繁殖率降低,母溞产生休眠卵比率的增加。通过代谢组学分析,鉴定出41种代谢产物,其中18种代谢产物发生了显著差异变化。氨基酸(如酪氨酸、亮氨酸、色氨酸和赖氨酸)、脂肪酸(如亚麻酸)等能量代谢水平降低;脂肪酸(如花生四烯酸)等脂质代谢水平提高。(3)正常状态下,大型溞的代谢产物动力学模式经历了一个从第0天到第21天逐渐循环的周期。即从第0天到第10天,代谢产物含量水平随生长阶段逐渐增加;第10天到第13天达到稳定状态;第13天以后,代谢产物含量水平随生长阶段逐渐降低;第21天回落至第0天的基线水平。我们推测这种周期循环与甲壳动物的生殖周期密切相关。通过代谢组学分析,鉴定出42种代谢产物。与对照组相比,在低浓度Ag NPs长期暴露试验组样品中,其中27种代谢产物发生了显著差异变化。氨基酸(如丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸)、糖类(如D-阿洛糖)和脂肪酸(如花生四烯酸)发生了显著差异变化,这些化合物变化为大型溞应对Ag NPs的长期暴露压力提供了新的见解。研究中所发现的显著变化的基因和代谢产物为探究纳米颗粒物对水生生物的毒理机制和发现表型改变的早期生物标志物,以及预测纳米颗粒物在低剂量、长期暴露下潜在的生态和健康风险提供了科学依据。