本研究由Bradley J. Cardinale、Raven Bier和Courtney Kwan共同完成，分别来自密歇根大学自然资源与环境学院、杜克大学生物学系以及加州大学圣巴巴拉分校生态、进化与海洋生物学系。该研究于2012年7月14日在线发表在《Journal of Nanoparticle Research》期刊上。
本研究属于环境科学与纳米技术交叉领域，重点探讨了二氧化钛纳米颗粒（TiO2 nanoparticles, ntio2）对淡水藻类生长和代谢的影响。随着纳米技术的快速发展，纳米材料广泛应用于消费品、医药、化妆品等领域，但其潜在的环境影响尚未完全明确。特别是二氧化钛纳米颗粒，因其在太阳电池、涂料、食品等领域的广泛应用，可能通过城市径流进入淡水生态系统，对水生生物特别是藻类产生负面影响。藻类作为水生食物链的基础，其生长和代谢的变化可能对整个生态系统产生深远影响。因此，本研究旨在揭示二氧化钛纳米颗粒对三种广泛分布的淡水绿藻（Scenedesmus quadricauda、Chlamydomonas moewusii和Chlorella vulgaris）的生长和代谢的具体影响，并探讨其潜在机制。
本研究包括以下几个主要步骤：
实验设计
研究选择了三种淡水绿藻作为研究对象，分别暴露于五种初始浓度的二氧化钛纳米颗粒（0、50、100、200和300 ppm）中。每种藻类设置了15个实验单元，每个浓度组包含3个重复。实验单元为150毫升的硼硅酸盐玻璃瓶，内装130毫升的灭菌土壤水培养基（Soil Water Media, SWM）。SWM是一种广泛用于藻类培养的培养基，能够模拟湖水的物理和化学特性。
藻类培养与暴露
藻类在实验开始前在实验室中培养了约3个月。实验开始时，每种藻类接种到实验单元中，初始生物量为20.89微克/毫升。二氧化钛纳米颗粒通过超声波分散后加入培养基中，实验单元在18°C的恒温环境中培养，光照周期为16小时光照和8小时黑暗。
生长速率测量
在藻类指数生长期（15-22天），每2-3天从每个实验单元中取出3毫升样品，使用荧光计测量叶绿素a（Chlorophyll a）的荧光值，作为藻类生物量的代理指标。
代谢速率测量
在实验的第9天和第10天，使用光/暗瓶培养技术测量藻类的初级生产量（Gross Primary Production, GPP）和呼吸速率（Respiration, R）。通过测量溶解氧（Dissolved Oxygen, DO）的变化，计算净初级生产量（Net Primary Production, NPP）和GPP（GPP = R + NPP）。
数据分析
使用重复测量方差分析（Repeated Measures ANOVA, RMANOVA）评估二氧化钛纳米颗粒对藻类生长速率的影响，并使用一般线性模型（General Linear Model, GLM）分析GPP和R的变化。所有代谢速率数据均通过叶绿素a含量进行标准化处理。
生长速率的影响
二氧化钛纳米颗粒显著抑制了三种藻类的生长速率。在50-300 ppm的浓度范围内，Chlamydomonas、Chlorella和Scenedesmus的生长速率分别降低了11%-27%。生长曲线的线性回归分析表明，随着二氧化钛浓度的增加，生长速率呈下降趋势。
代谢速率的影响
二氧化钛纳米颗粒对代谢速率的影响因藻类种类而异：
本研究表明，二氧化钛纳米颗粒对淡水藻类的生长具有一致的抑制作用，但其作用机制因藻类种类而异。这些结果揭示了纳米材料对水生生态系统的潜在影响，并强调了物种特异性代谢途径在理解纳米材料生态效应中的重要性。研究结果为纳米材料的环境风险评估提供了重要依据，并为进一步研究纳米材料对水生生态系统的复杂影响奠定了基础。
本研究还探讨了二氧化钛纳米颗粒的聚集和沉降行为，为理解其在淡水环境中的行为提供了参考。此外，研究结果与以往关于纳米材料对藻类毒性机制的文献形成了对比，为进一步研究提供了新的视角。