二氧化鈦納米顆粒與重金屬聯合毒性研究進展

王晶晶，王希楠，代慧，劉赟，許安,*

1. 中國科學技術大學 環境科學與光電技術學院，合肥 230026 2. 中國科學院合肥物質科學研究院 中國科學院&安徽省離子束生物工程學重點實驗室，合肥 230031

二氧化鈦納米顆粒與重金屬聯合毒性研究進展

王晶晶1,2，王希楠2，代慧2，劉赟2，許安2,*

1. 中國科學技術大學 環境科學與光電技術學院，合肥 230026 2. 中國科學院合肥物質科學研究院 中國科學院&安徽省離子束生物工程學重點實驗室，合肥 230031

二氧化鈦納米顆粒(TiO2-NPs)在廣泛使用的同時也帶來了潛在的環境污染、生態和健康風險。隨著TiO2-NPs的廢棄量逐年上升，其與環境中重金屬的聯合毒性特別是對生態環境的影響逐漸引起國內外研究者重視。結合近幾年國內外對二者相互作用的研究，重點綜述TiO2-NPs與鉛(Pb)、鎘(Cd)和砷(As)之間的聯合毒性，并對存在的問題和今后的關注重點進行探討。

二氧化鈦納米顆粒；重金屬；鉛；鎘；砷；聯合毒性

納米技術被譽為是21世紀三大支柱技術之一。據推算，從2011年到2020年，全球納米物質的工業生產總量將從400 t增長到58 000 t[1]，到2015年，該領域的產值將達到1萬億美元[2]。在眾多納米材料中，二氧化鈦納米顆粒(TiO2-NPs)由于具有納米尺度效應、表面效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應、光催化效應、吸收紫外線能力強等特點，被廣泛應用于各個領域[3]，如日化用品，抗菌材料，涂料，陶瓷，污水處理等。

研究發現，TiO2-NPs在生產、使用和廢棄的過程中將不可避免地進入環境和生態系統，從而引發多種生物學效應。目前，TiO2-NPs的毒性研究多限于單一TiO2-NPs在實驗室條件下的毒性作用，然而在實際自然環境中，TiO2-NPs與多種污染物往往同時存在并發生相互作用。TiO2-NPs相對于宏觀顆粒物具有更大的比表面積，一旦進入環境中，可顯著影響和改變環境中污染物的環境行為，或導致污染物生物有效性和毒性效應的改變[4]。TiO2-NPs因其比表面積高和獨特的表面化學性質常作為吸附劑來處理水環境中的重金屬以及有機污染物，同時水體也被認為是TiO2-NPs在環境中循環積聚的最終場所，因此其可與重金屬充分接觸，并有可能吸附大量重金屬，如Pb、Cd和As，成為毒物載體，增大其在水生生物體內總量，進而放大毒性作用。目前，關于重金屬與TiO2-NPs載體之間相互作用的研究尚處起步階段，其聯合毒性亟待深入研究。

本文回顧了我國幾種重金屬污染現狀，并以此為基礎結合近年來國內外研究狀況，重點探討TiO2-NPs與Pb、Cd和As的聯合毒性以及其對于生態和人類健康的影響，并總結目前研究中尚存的問題以及今后應關注的焦點。

1 TiO2-NPs的單一毒性(Individual toxicity ofTiO2-NPs)

隨著越來越多的TiO2-NPs的合成及使用，其中部分納米顆粒將會被有意或者無意地釋放到環境中，并在環境中擴散[5-6]。資料顯示，在瑞士多個地區的流經城市建筑物表面的雨水和附近河流[7]、美國亞利桑那州中部的污水處理廠的污泥中[8]已檢測出TiO2-NPs等。鑒于納米材料對生態環境的潛在威脅，其毒性研究已引起學術界的關注。

圍繞TiO2-NPs對環境及健康的影響已開展一系列研究工作。流行病學研究顯示，生產TiO2-NPs的工人和普通人相比更易患肺癌[9]。盡管后期有相關實驗表明TiO2-NPs暴露與肺癌之間并沒有顯著相關性[10]，但其潛在危害及促進作用不可否認。動、植物研究顯示，5 g·kg-1體重的TiO2-NPs暴露劑量會對老鼠體內組織產生明顯的損傷[11]。TiO2-NPs可使雌性小鼠卵巢損傷導致生殖功能障礙[12]。TiO2-NPs可顯著影響秀麗隱桿線蟲生長發育，如導致發育遲緩和畸形等[19]。TiO2-NPs可以通過減少導水率抑制植物生長；另有研究發現，TiO2-NPs可通過加強葉的光合作用和根部固氮作用來提高植物生長[13]。水生態環境研究顯示，環境中的生物，尤其是直接與環境交換物質的水生生物如藻類、水溞、魚類等，被認為更容易受到TiO2-NPs的損傷。研究發現，在自然水中，低濃度的TiO2-NPs(16 mg·L-1)便可抑制藻類生長[14]。TiO2-NPs可在水溞體內富集[15]，可通過鰓進入魚體內，而一旦進入血液系統，TiO2-NPs便可以轉移至體內其他器官[16]。TiO2-NPs處理虹鱒后，鰓和腸道中Na+K+-ATPase的活性顯著性下降，魚鰓中谷胱甘肽水平顯著性上升等[17]。TiO2-NPs通過吸附、攝食等途徑積累在水生生物體內并通過食物鏈層層放大，不可避免的影響到人類健康[18]。TiO2-NPs的尺寸、形狀、聚集程度、表面修飾、化學組成等多種物理化學因素都會影響其毒性[2,9,19]。

大量針對TiO2-NPs毒性的研究結果表明，對納米材料安全應用的考慮應得到重視，而目前對于TiO2-NPs環境行為的具體機制及其對整個生態系統的影響尚未清楚，有待進一步研究。

2 TiO2-NPs與Pb的聯合毒性(Combined toxicityof TiO2-NPs and Pb)

Pb是已知危害最大的重金屬污染物之一。據世界衛生組織(WHO)報告數據顯示，Pb污染造成的疾病負擔在總疾病負擔中占0.9%，位列全部疾病負擔分類的第16位，且高發于不發達國家[20]。我國環保總局數據表明：我國近海2/3的海域Pb超過國家標準，大約1/5的耕地受到Pb化合物污染。在開采、冶煉、水泥制造、煤、汽油燃燒等過程中，Pb會大量釋放到環境中。Pb具有很強的積累作用及不可逆特性，在環境中性質穩定，不易消除，對環境生物和人體健康具有嚴重危害。針對各類人群的研究表明，兒童是低劑量慢性Pb暴露的敏感人群，Pb暴露會對兒童的智力、生長發育造成不可逆的損害[21]。對成人而言，Pb表現出腎毒性，可導致腎功能衰竭、痛風和高血壓等疾病的發生，血鉛水平與血壓呈正相關關系[22]，進而可能引發心血管疾病[23]。在環境中，Pb對多種海洋單細胞藻類有毒性作用[24]。鑒于TiO2-NPs的廣泛使用和排放及嚴重Pb污染，探討TiO2-NPs與Pb對生態及人類健康的聯合毒性也顯得尤為重要。

TiO2-NPs比表面積大，具有很強的吸附能力和很高的化學活性，常作為吸附劑，固相萃取河水以及海水中的Pb，使其可與重金屬充分接觸并相互作用，最后不可避免地釋放到水環境中，其中直接與環境交換物質的水生生物最容易受到其影響。納米材料存在于水生態系統中增加了各種潛在風險，不僅在于納米材料本身，更在于它們可能會通過吸附等作用結合重金屬，隨著納米材料的攝入而增加重金屬暴露、積聚并導致毒性增強。Hu等[25-26]研究了水體中的Pb在TiO2-NPs存在下對網紋溞的毒性變化，發現在TiO2-NPs低濃度(低于200 mg·L-1)時，單獨處理對網紋溞沒有致死性，但可明顯增加Pb的毒性，因為在TiO2-NPs與Pb共同作用時，Pb的半數致死濃度(LC50)由單獨作用時的606 μg·L-1降為98 μg·L-1。Hu還指出，不論是否含有納米材料，降低溶液的pH可以更大的促進Pb的毒性，這可能是由Pb2+離子形成以及Pb2+在納米顆粒物上吸附位的改變引起的。

TiO2-NPs因其特殊的表面性質，容易催化產生活性氧類物質，對機體造成氧化損傷，Du等[27]研究發現，低劑量的TiO2-NPs與PbAc相互作用可產生不同的毒性反應。在無光催化條件下，TiO2-NPs與PbAc混合后作用于L-02細胞24 h，與1‰二甲基亞砜(DMSO)陰性對照組相比，TiO2-NPs和PbAc聯合暴露誘導了活性氧(ROS)水平、細胞內超氧化物歧化酶(SOD)活性、谷胱甘肽(GSH)水平、DNA加合物8-羥基脫氧鳥苷(8-OHdG)水平、DNA損傷修復酶8-羥基鳥苷DNA糖苷酶同源物(OGG1)表達水平以及細胞毒性的增加，但是TiO2-NPs和PbAc單獨處理，這些因素都沒有明顯變化。TiO2-NPs和PbAc低濃度混合物聯合作用可誘導細胞氧化應激促進ROS釋放和DNA損傷，上升的氧化應激觸發了細胞保護防御的正調節作用，OGG1應激性增高以修復DNA損傷，這時細胞還擁有一定的抗氧化能力從而阻礙進一步的氧化損傷；而高濃度混合物時，則觸發了負調節作用，即持續增加的DNA損傷會使OGG1水平下降[28]，ROS水平持續增加，最后導致SOD及GSH活性降低，抗氧化能力下降，細胞活力下降[29]。Du等[30]又用同樣的實驗劑量進一步證明了，TiO2-NPs和PbAc聯合作用可增強誘導L-02細胞凋亡，并協同增強細胞晚期凋亡水平，而Caspase-3在細胞凋亡作用中起著關鍵作用。相似的，Zhang等[31]用成年小鼠研究不同粒徑TiO2顆粒和PbAC的聯合毒性。對照組和處理組經口灌胃，處理小鼠7 d后，用乙醚麻醉后處死。肝功能和腎毒檢測數據表明，混合懸液處理組有嚴重的肝和腎損傷，導致肝腎功能下降，其中，肝的ROS水平明顯增加，皮層和海馬的SOD及谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)活力降低。雖然沒有產生協同急性毒性，但PbAC可能在其他方面增加了TiO2顆粒的毒性，其潛在的毒性機制可能與上述Du等[27]指出的氧化損傷有關。

然而，當TiO2-NPs和Pb單獨處理都可產生毒性效應時，二者之間的相互作用方式便成為研究的重點。范傳剛等[32]利用大腸桿菌研究了TiO2-NPs與PbAc之間的相互作用：TiO2-NPs吸附PbAc，減少其有效濃度；PbAc誘導TiO2-NPs聚集，影響其粒徑大小及表面性質。實驗所用的TiO2-NPs與PbAc分別單獨作用時對大腸桿菌生長、抗氧化酶類、蛋白質、DNA均有毒性作用，而當二者聯合作用時，產生不同于單獨處理的毒性變化，即二者聯合作用低于二者毒性的相加作用，交互作用證實為拮抗作用，在一定程度上減弱了二者的聯合毒性作用。

3 TiO2-NPs與Cd的聯合毒性(Combined toxicityof TiO2-NPs and Cd)

Cd于1993年被國際癌癥研究機構(IARC)定為IA級致癌物[33]。世界衛生組織(WHO)將Cd作為優先研究的食品污染物。我國環境保護部和國土資源部2014發布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，我國無機污染物超標情況中Cd位列首位[34]。Cd污染主要由礦資源不合理開采以及含Cd污水無組織排放所引起。Cd是一種可在人體和環境中長期蓄積的有毒重金屬物質，在人體內的半衰期長達10～35 a，日本的痛痛病即為慢性Cd中毒的典型病癥，表現為全身疼痛、多發性骨折、肌肉萎縮和其他并發癥，最終導致病人死亡[35]。作為機體生長發育非必需元素，微量Cd進入人體即可通過生物積累，對腎、肺、肝、睪丸、腦、骨骼以及血液系統產生一系列損傷[36]。Cd的遺傳毒性作用十分復雜，因為Cd既可與DNA又可與蛋白質相互作用。Cd可降低DNA聚合酶保真性，抑制DNA修復的某些途徑[37]，顯著增加哺乳動物細胞基因突變率[38-39]；通過抑制DNA甲基轉移酶活性等誘發癌癥[40]，還可通過氧化應激刺激線粒體誘發凋亡[41]。

水生藻類與攝食性水生生物不同，不需要研究其體內攝入物的暴露毒性，而只與所處介質的污染物濃度、毒性相關，TiO2-NPs的吸附作用可降低水中自由Cd濃度，從而減輕Cd對藻類的毒性作用。

表1 TiO2-NPs與Pb聯合毒性Table 1 Combined toxicity of TiO2-NPs and Pb

Yang等[42-43]研究了Cd2+吸附于聚丙烯酸鈉包裹的TiO2-NPs后對萊茵衣藻毒性的影響，發現Cd2+可快速吸附于TiO2-NPs并在30 min內達到飽和，且被吸附的Cd2+含量隨時間延長而增加，符合假一級動力學(pseudo-first order kinetics)模型。TiO2-NPs存在時可減緩Cd2+對衣藻的細胞毒性，可能是吸附作用降低了水中自由Cd2+濃度，從而減輕Cd2+對藻細胞生物積累以及毒性作用；也可能是被包裹的TiO2-NPs和藻細胞之間的靜電斥力和潛在的空間位阻效應妨礙了彼此直接接觸，導致細胞不能吞入納米顆粒；此外還可能是細胞壁的保護作用，這有待于進一步研究。Yang等[43-44]又探討了裸露的TiO2-NPs和普通TiO2顆粒對Cd2+毒性的影響。他指出，2種TiO2都可吸附Cd2+，從而降低水中自由離子濃度，進而降低了Cd2+的生物積累以及毒性，減輕Cd2+對萊茵衣藻的抑制作用，與上述結果一致。然而無論TiO2的粒徑和濃度，只要介質中含有相近的自由Cd2+離子濃度，都可達到相當的Cd2+毒性和生物積累，TiO2濃度造成的毒性差異消失了，即毒性完全取決于自由Cd2+濃度，而與納米顆粒大小、濃度無關。辛元元等[45]研究了TiO2-NPs和Cd對銅綠微囊藻生物效應的影響，指出當TiO2-NPs與Cd離子同時存在時，由于TiO2-NPs對Cd離子的吸附作用，水中游離態Cd離子濃度降低，導致Cd離子對藻的毒性明顯降低。Hartmann等[46]利用月牙藻研究了不同粒徑TiO2顆粒對Cd生物有效性的影響，發現300 nm TiO2顆粒存在時，由于Cd吸附于TiO2顆粒表面，降低了水中Cd的生物有效性和毒性，即效應濃度值(EC)上升。然而，對于30 nm的TiO2-NPs而言，可導致Cd的EC值明顯降低，這可能是聯合毒性的結果，例如，由于細胞膜被TiO2-NPs破壞導致Cd攝取增加或者Cd雖然吸附于TiO2-NPs但吸附的Cd對藻仍存在生物有效性。

而對于水生動物而言，其與藻類的實驗結果存在很大不同，Cd可伴隨著TiO2-NPs的攝入而攝入，在增加Cd暴露量的同時，TiO2-NPs本身也可產生多種效應，如增加氧化應激、導致Cd不同的亞細胞分布、阻礙Cd的排泄等。Yang等[43]研究了聚丙烯酸鈉包裹的TiO2-NPs與Cd對四膜蟲的聯合毒性，發現在3 h的吸收實驗中，四膜蟲可以持續快速地吞且不會出現飽和，TiO2扮演著Cd2+進入細胞的攜運載體和Cd2+亞細胞分布的介導者的2種角色。對于四膜蟲而言TiO2-NPs本身可以致毒，而Cd2+的毒性在TiO2-NPs的作用下加劇了，但加劇程度與TiO2-NPs濃度不成正比。因此，TiO2-NPs與Cd2+的聯合毒性不等同于二者毒性簡單的加和，其機制有待深入研究。Yang[47]進一步利用四膜蟲為模型，對TiO2-NPs與Cd的聯合毒性進行了深入探討，同樣采用聚丙烯酸鈉包裹的TiO2-NPs，他發現TiO2-NPs可促進Cd的攝入，增強對四膜蟲特異細胞生長率的抑制作用，這可能是由TiO2-NPs自身所產生的毒性或者是不同攝入形式導致Cd的不同的亞細胞分布導致的。對于稍高等的溞類等，實驗暴露方法和結果具有多樣性，Tan等[48]研究了TiO2-NPs對大型溞中Cd的生物積累及毒性影響。他先將大型溞暴露于TiO2-NPs 2 d，再暴露于不同濃度Cd中，導致明顯的Cd生物積累，但當腸道里的TiO2-NPs被清除后，攝取率立刻恢復到正常水平。這說明TiO2-NPs提前暴露并積累于溞腸道中可促進Cd富集。TiO2-NPs單獨處理后，對ROS和金屬硫蛋白(MTs)的測定數據表明，TiO2-NPs處理并未引起ROS和MTs 的明顯變化，推測Cd攝入的增加可能是因為腸道中的TiO2-NPs提供了更多的結合位點。存活率的下降和死亡時間提前的數據也表明TiO2-NPs可促進Cd毒性增加。利用相似的暴露途徑，Santaella等[49]證明，當大腸桿菌提前暴露于日化中常用的TiO2-NPs以及UVA時，細胞對Cd的敏感性會大大增強。Tan[50]還用不同方法研究了TiO2-NPs對大型溞中Cd的攝取和排泄，他指出Cd伴隨著TiO2-NPs的攝入而攝入，吸附于TiO2-NPs的Cd排泄速率會明顯低于未被吸附的Cd。因此他總結為吸附于TiO2-NPs可促進重金屬的攝取以及體內的存留。然而，Hartmann等[51]在研究蚯蚓和大型溞中不同粒徑TiO2顆粒對Cd潛在的運載作用時，發現添加TiO2顆粒后蚯蚓內Cd的生物積累和毒性都沒有變化，說明Cd吸附于TiO2并沒有影響整體性的積累。雖然促進了大型溞對Cd的攝取與積累，但未引起明顯毒性變化。對于水生魚類，Zhang等[52]比較了TiO2-NPs和天然沉積顆粒物在Cd污染水域中對Cd的吸附作用，以及二者單獨存在時對鯉魚體內Cd積累的促進作用。其研究指出，TiO2-NPs對Cd的吸附明顯強于天然沉積顆粒物，并且，TiO2-NPs可顯著促進鯉魚中Cd的積累，因為聯合暴露25 d后，鯉魚中Cd濃度由單獨暴露于Cd污染水域時的9.07 μg·g-1增加到22.3 μg·g-1，即增加了146%，且與TiO2-NPs濃度呈現正相關，而天然沉積顆粒物對Cd的積累未有顯著影響。相似的，Hu等[53]研究了TiO2-NPs和腐殖酸(HA)對斑馬魚體內Cd的生物積累作用。他指出，在含有HA的溶液中，只有溶解的Cd參與生物積累，然而，在含有TiO2-NPs或者其與HA的混合溶液中，溶解的Cd和被TiO2-NPs吸附的Cd都可參與生物積累，因為TiO2吸附Cd促使腸道額外攝取，從而促進Cd的積累。

不管是通過自身暴露還是食物鏈傳遞，人類健康都不可避免的受到影響。高霞等[54]研究發現，不同濃度的CdCl2單獨或者與TiO2-NPs混合作用于L-02細胞24 h，其中混合組的DNA損傷加劇，hMsh2基因表達水平上升，O6-甲基鳥嘌呤甲基轉移酶(MGMT)和DNA依賴蛋白激酶復合物催化亞基(DNA-PKcs)基因表達水平上升，說明TiO2-NPs可增加各濃度CdCl2對L-02細胞的DNA單鏈損傷，從而使CdCl2對L-02細胞的毒性作用增強。腎臟是Cd發揮毒性作用的主要靶器官，因此XIA等[55-56]通過對氧化應激多種相關分子進行測量來研究TiO2-NPs和CdCl2聯合作用對人胚腎細胞(HEK293T)氧化損傷作用。結果指出，當TiO2-NPs和CdCl2混合組處于本試驗中較低濃度(總和為0.75 TU，1 TU=LD50)時，對血紅素加氧酶1(HO-1)基因表達、過氧化氫酶(CAT)活性和丙二醛(MDA)濃度等有疊加作用。當總TU增加到1或1.25 TU，則TiO2-NPs和CdCl2之間存在協同作用。此外，當混合物中CdCl2具有較高比例時，TiO2-NPs對CdCl2影響不大，當CdCl2濃度低于或者等于TiO2-NPs濃度時，SOD活性和ROS濃度的變化表明TiO2-NPs和CdCl2對HEK293T細胞的氧化損傷具有協同作用，并指出，這些氧化應激指標的敏感性隨著混合物中TiO2-NPs和CdCl2的濃度以及比例的變化而不同，其中ROS是氧化損傷最敏感的指標，就像Balbi等[57]所指出的，TiO2-NPs與Cd2+聯合暴露可以對貽貝細胞的功能參數產生協同以及拮抗作用，具體由細胞類型、暴露條件以及測量的生物學終點等決定。

4 TiO2-NPs與As的聯合毒性(Combined toxicityof TiO2-NPs and As)

As是一種類金屬元素，IARC于1987年將其列為I A類環境致癌物[58]。我國土壤中As污染嚴重，許多礦區、流域沉積物、蔬菜基地均受到不同程度As污染，主要受當地工業(如煤炭工業、熱力發電等)、含As農藥噴灑以及污水灌溉或污泥施用的影響。As是廣泛存在的環境污染物，自然界的As主要以As(III)和As(V)兩種形式存在，以化合物形式廣泛存在于地表、土壤、水、大氣、食物及生物體內。飲用水含As量過高、食物受到As的污染、燃燒含As量高的煤，都易導致地方性As中毒；開采和冶煉As礦、使用含As農藥、生產含As化合物，是職業性As中毒的主要途徑。As作為一種外源性物質，進入生物體后隨血液循環參與到生命活動中，對健康造成嚴重影響。As可導致細胞周期停滯[59]，增加DNA的鏈斷裂[60]，誘發各種腫瘤細胞和正常細胞凋亡[61]，抑制細胞增殖和DNA損傷修復[62]。As不僅對人體具有危害性，As還具有顯著的環境危害性。As可影響跳蟲的生長和生殖[63]，高濃度的砷酸鈉對大鹽湖鹵蟲的生長、生殖和成活均有顯著影響[64]等。

TiO2-NPs對As具有很強的吸附性，可造成As在水生動物體內大量積累，但是對于不同的暴露濃度，可產生不同的聯合作用。Wang等[26,65]研究了TiO2-NPs與As(V)對網紋溞的協同毒性效應。當TiO2-NPs濃度低于400 mg·L-1時自身沒有毒性，然而較低濃度的TiO2-NPs可顯著的促進As(V)毒性。在TiO2-NPs濃度低于300 mg·L-1時的一系列實驗結果顯示，當TiO2-NPs濃度固定，死亡率隨著As(V)的濃度的增加而增加，但當As(V)初始濃度固定，隨著TiO2-NPs的濃度增加，致死率先上升到最大值后再下降，因為低濃度時As的吸附會隨著TiO2-NPs濃度的增加而增加，從而增加As的毒性；但當TiO2-NPs濃度增加到一定值后不僅降低了游離的As(V)濃度，也使TiO2-NPs表面吸附的As(V)濃度下降，從而降低了毒性。因此，游離的As(V)和吸附的As(V)共同作用于對網紋溞的毒性。另外，高濃度TiO2-NPs因更易團聚而降低網紋溞的攝取率，這也是隨著TiO2-NPs濃度上升死亡率降低的另一個原因。Rosenfeldt等[66]研究了TiO2-NPs與As對大型溞的聯合毒性，發現TiO2-NPs促使成年溞的48 h-EC50上升32%但72 h毒性作用有所恢復，使未成熟溞的72 h-EC50上升24%，并指出成年溞48 h毒性的下降可能是因為TiO2-NPs對As的快速吸附以及聚集沉降等過程，然而其72 h-EC50與對照組相比并沒有顯著變化，成年溞72 h毒性的恢復表明其隨后對TiO2-NPs的攝入以及所吸附As的釋放。Sun等[67]研究了TiO2-NPs對As價態變化及鯉魚的生物利用性的影響。實驗指出，TiO2-NPs對As(III)有顯著的吸附作用，30 min之內即達到飽和，其中起始As(III)大約有30%被吸附。在光刺激下，水相中大部分As(III)被TiO2-NPs氧化成As(V)。在TiO2-NPs存在情況下，可造成As大量積累，因為TiO2-NPs暴露25 d后，鯉魚中As濃度比沒有TiO2-NPs時高出44%。Sun等[68]又研究了TiO2-NPs對As(V)的促進積累作用。TiO2-NPs對As(V)有顯著的吸附作用，30 min之內即達到平衡。當As(V)污染的水域中同時存在TiO2-NPs時，鯉魚體內可積累大量As，同樣暴露25 d后，鯉魚中As濃度比沒有TiO2-NPs時高出132%，其中腸胃和魚腮中As積累最為顯著。

5 總結與展望(Summary and prospect)

TiO2-NPs與重金屬的污染現狀，引起國內外學者圍繞二者聯合毒性展開相應的研究工作，為聯合毒性的評估提供了重要的科學依據(表1，2，3)。本文重點討論的Pb、As和Cd都有分別與TiO2-NPs聯合作用的特點。其中光照條件可使光催化材料TiO2-NPs產生氧化作用引起As的價態變化；對于不同粒徑的TiO2顆粒，盡管不同處理對象表現出不同結果，但對于同一處理對象，粒徑較小的顆粒表現出相對較重的毒性。TiO2-NPs與重金屬共同作用于受試體，可通過加劇氧化應激等相關指標來影響聯合毒性。當TiO2-NPs處于無毒條件時，對于攝食動物如鯉魚和大型溞等可能增大重金屬毒性，因為重金屬會隨TiO2-NPs攝取大量積累；但浮游藻類如萊茵衣藻和銅綠微囊藻等由于重金屬吸附于TiO2-NPs，從而降低介質中游離的自由離子濃度，但實際結果受制于不同實驗條件。當TiO2-NPs處于有毒條件時，與重金屬的聯合毒性是疊加、協同還是拮抗作用，由二者暴露比例、受試對象、暴露途徑以及測量的生物學終點決定，目前還沒有統一性結論。

對于TiO2-NPs與重金屬聯合毒性的探究有待進一步展開，由于納米材料使用廣泛，目前無法估算其逐年暴增的廢棄量，也無法確定TiO2-NPs在水生態中或其他方面的含有量及其對生態系統的多方面影響。值得注意的是，研究中不應只考慮單一因素，應綜合研究納米材料與污染物之間的相互作用、相互影響。然而目前對納米材料與重金屬聯合毒性的研究仍存在一些問題：(1)關于納米材料與重金屬聯合毒性的研究相對較少，一定程度上反映出此方向還未引起廣泛重視，研究成果數量有限，其他納米材料如碳族與重金屬之間的聯合毒性研究更是屈指可數，因此有關聯合毒性對生態和健康影響的關注度有待提高。(2)納米材料與重金屬之間的聯合機制有待深入探討，現有相關文獻大多淺談潛在機制，沒有使研究進一步深化，一定程度上反映出聯合毒性研究處于相對初級階段。(3)目前尚無法估算真實生態系統中納米材料污染持有量，無法精確模擬真實環境中的聯合毒性效應，以及與其他更多污染物之間未知的相互作用，研究有待實際化。(4)國內外關于納米材料與重金屬聯合毒性的研究側重于生態系統，但對人類健康效應的研究相對較少，因此，有必要圍繞此方向開展更多的研究工作。

[1] Sharma V K. Aggregation and toxicity of titanium dioxide nanoparticles in aquatic environment-A review [J]. Journal of Environmental Science and Health Part A-Toxic/Hazardous Substances & Environmental Engineering, 2009, 44(14): 1485-1495

[2] Nel A, Xia T, Madler L, et al. Toxic potential of materials at the nano level [J]. Science, 2006, 311(5761): 622-627

[3] 陳春英. 二氧化鈦納米材料生物效應與安全應用[M]. 北京: 科學出版社, 2010: 222-225

Chen C Y. Biological Effect and Security Applications of Titanium Dioxide Nanometer Material [M]. Beijing: Science Press, 2010: 222-225 (in Chinese)

[4] Lin D, Tian X, Wu F, et al. Fate and transport of engineered nanomaterials in the environment [J]. Journal of Environmental Quality, 2010, 39(6): 1896-1908

[5] Petosa A R, Jaisi D P, Quevedo I R, et al. Aggregation and deposition of engineered nanomaterials in aquatic environments: Role of physicochemical interactions [J]. Environmental Science &Technology, 2010, 44(17): 6532-6549

[6] Warheit D B, Sayes C M, Reed K L, et al. Health effects related to nanoparticle exposures: Environmental, health and safety considerations for assessing hazards and risks [J]. Pharmacology & Therapeutics, 2008, 120(1): 35-42

[7] Kaegi R, Ulrich A, Sinnet B, et al. Synthetic TiO2nanoparticle emission from exterior facades into the aquatic environment [J]. Environmental Pollution, 2008, 156(2): 233-239

[8] Kiser M, Westerhoff P, Benn T, et al. Titanium nanomaterial removal and release from wastewater treatment plants [J]. Environmental Science &Technology, 2009, 43(17): 6757-6763

[9] Baan R, Straif K, Grosse Y, et al. Carcinogenicity of carbon black, titanium dioxide, and talc [J]. Lancet Oncology, 2006, 7(4): 295-296

[10] Chen J L, Fayerweather W E. Epidemiologic study of workers exposed to titanium dioxide [J]. Journal of Occupational and Environmental Medicine, 1988, 30(12): 973-942

[11] Wang J, Zhou G, Chen C, et al. Acute toxicity and biodistribution of different sized titanium dioxide particles in mice after oral administration [J]. Toxicology Letters, 2007, 168(2): 176-185

[12] Zhao X Y, Ze Y G, Gao G D, et al. Nanosized TiO2-induced reproductive system dysfunction and its mechanism in female mice [J]. PlosOne, 2013, 8(4): e59378

[13] Ma X, Geiser-lee J, Deng Y, et al. Interactions between engineered nanoparticles (ENPs) and plants: Phytotoxicity, uptake and accumulation [J]. Science of the Total Environment, 2010, 408(16): 3053-3061

[14] Menard A, Drobne D, Jemec A. Ecotoxicity of nanosized TiO2-review of in vivo data [J]. Environmental Pollution, 2011, 159(3): 677-684

[15] Zhu X, Chang Y, Chen Y. Toxicity and bioaccumulation of TiO2nanoparticle aggregates in Daphnia magna [J]. Chemosphere, 2010, 78(3): 209-215

[16] Johnston B D, Scown T M, Moger J, et al. Bioavailability of nanoscalemetal oxides TiO2, CeO2, and ZnO to fish [J]. Environmental Science &Technology, 2010, 44(3): 1144-1151

[17] Federici G, Shaw B J, Handy R D. Toxicity of titanium dioxide nanoparticles to rainbow trout (Oncorhynchus mykiss): Gill injury, oxidative stress, and other physiological effects [J]. Aquatic Toxicology, 2007, 84(4): 415-430

[18] Zhu X S, Wang J X, Zhang X Z, et al. Trophic transfer of TiO2nanoparticles from daphnia to zebrafish in a simplified freshwater food chain [J]. Chemosphere, 2010, 79(9): 928-933

[19] Angelstorf J S, Ahlf W, von der Kammer F, et al. Impact of particle size and light exposure on the effects of TiO2nanoparticles on Caenorhabditis elegans [J]. Environmental Toxicology and Chemistry, 2014, 33(10): 2288-2296

[20] WHO. Environmental Burden of Disease: Introduction and Methods [EB/OL]. [2004-09-01]. http: www.emro.who.int/ceha /media/ PowerPoint / partl. Pps.2004

[21] Lanphear B P, Hornung R, Khoury J, et al. Low-level environmental lead exposure and children's intellectual function: An international pooled analysis [J]. Environmental Health Perspectives, 2005, 113(7): 894-899

[22] Nawrot T S, Thijs L, Den Hond E M, et al. An epidemiological re-appraisal of the association between blood pressure and blood lead: A meta-analysis [J]. Journal of Human Hypertension, 2002, 16(2): 123-131

[23] Anvas-acien A, Guallar E, Silbergeld E K, et al. Lead exposure and cardiovascular disease-A systematic review [J]. Environmental Health Perspectives, 2007, 115(3): 472-482

[24] Zhan Y J, Yang R J, Wang X L, et al. Acute toxic effect of Hg(II) and Pb(II) on marine unicellular algae [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2010, 6(5): 523-531

[25] Hu J, Wang D M, Wang J T, et al. Toxicity of lead on Ceriodaphnia dubia in the presence of nano-CeO2and nano-TiO2[J]. Chemosphere, 2012, 89(5): 536-541

[26] 胡佶. 水體中的As(Ⅴ)、Pb(Ⅱ)在納米顆粒物存在下對網紋溞(Ceriodaphnia dubia)的毒性作用[D]. 山東: 中國海洋大學, 2012: 37-48, 62-73

Hu J. Synergistic toxic effect of nanoparticles and As(V) and Pb(II) on Ceriodaphnia dubia [D]. Shandong: Ocean University of China, 2012: 37-48, 62-73 (in Chinese)

[27] Du H R, Zhu X L, Fan C G, et al. Oxidative damage and OGG1 expression induced by a combined effect of titanium dioxide nanoparticles and lead acetate in human hepatocytes [J]. Environmental Toxicology, 2012, 27(10): 590-597

[28] 杜海榮, 周宜開, 朱曉玲. 低劑量納米二氧化鈦和乙酸鉛聯合誘導人胚肝細胞DNA損傷與修復作用[J]. 環境與健康雜志, 2012, 29(5): 403-406

Du H R, Zhou Y K, Zhu X L. Oxidative damage and OGG1 expression induced by a combined effect of titanium dioxide nanoparticles and lead acetate in human hepatocytes [J]. Journal of Environment and Health, 2012, 29(5): 403-406 (in Chinese)

[29] 杜海榮, 朱曉玲, 周宜開. 納米二氧化鈦與醋酸鉛聯合誘導人胚肝細胞氧化應激作用[J]. 環境與職業醫學, 2012, 29(9): 552-555

Du H R, Zhu X L, Zhou Y K. Joint oxidative stress induced by nanometer titanium dioxide and lead acetate in human derived fetal hepatocytes [J]. Journal of Environmental & Occupational Medicine, 2012, 29(9): 552-555 (in Chinese)

[30] 杜海榮. Nano-TiO2與PbAc聯合誘導人胚肝細胞氧化應激和凋亡作用研究[D]. 武漢: 華中科技大學, 2010: 16-66

Du H R. Study on joint effect of oxidative stress and apoptosis caused by nano-TiO2and PbAc in human derived fetal hepatocytes [D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2010: 16-66 (in Chinese)

[31] Zhang R, Niu Y J, Li Y W, et al. Acute toxicity study of the interaction between titanium dioxide nanoparticles and lead acetate in mice [J]. Environmental Toxicology and Pharmacology, 2010, 30(1): 52-60

[32] 范傳剛. 納米TiO2和重金屬鉛對環境微生物E. coli聯合毒性作用的評價研究[D]. 武漢: 華中科技大學, 2011: 19-37

Fan C G. Study on the combined toxic effects of nano titanium dioxide and lead acetate on Escherichia coli [D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2011: 19-37 (in Chinese)

[33] Vainio H, Heseltine E, Partensky C, et al. Meeting of the IARC working group on beryllium, cadmium, mercury and exposures in the glass manufacturing industry [J]. Scandinavian Journal of Work, Environment & Health, 1993, 19(5): 360-363

[34] 環境保護部, 國土資源部. 全國土壤污染狀況調查公報[EB/OL]. [2014-04-17]. http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/qt/201404/t20140417_270670.htm

[35] Baba H, Tsuneyama K, Kumada T, et al. Histopathological analysis for osteomalacia and tubulopathy in Itai-itai disease [J]. Journal of Toxicological Sciences, 2014, 39(1): 91-96

[36] IARC. Cadmium in the Human Environment: Toxicity and Carcinogenicity [M]. Italy: IARC Scientific Publications, 1992, 118: 1-464

[37] Hartwig A. Role of DNA-repair inhibition in lead-induced and cadmium-induced genotoxicity: A review [J]. Environmental Health Perspectives, 1994, 102(3): 45-50

[38] Filipic M, Hei T K. Mutagenicity of cadmium in mammalian cells: Implication of oxidative DNA damage [J]. Mutation Research-Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis, 2004, 546(1-2): 81-91

[39] Fotakis G, Cemeli E, Anderson D, et al. Cadmium chloride-induced DNA and lysosomal damage in a hepatoma cell line [J]. Toxicology in Vitro, 2005, 19(4): 481-489

[40] Hartwig A. Mechanisms in cadmium-induced carcinogenicity: Recent insights [J]. Biometals, 2010, 23(5): 951-960

[41] Kumar M, Kumari P, Gupta V, et al. Differential responses to cadimium induced oxidative stress in marine macroalga Ulva lactuca (Ulvales, Chlorophyta) [J]. Biometals, 2010, 23(2): 315-325

[42] Yang W W, Miao A J, Yang L Y. Cd2+toxicity to a green alga Chlamydomonas reinhardtii as influenced by its adsorption on TiO2engineered nanoparticles [J]. PLoSOne, 2012, 7(3): e32300

[43] 楊溦莞. 納米二氧化鈦顆粒對Cd2+生物有效性及毒性的影響[D]. 南京: 南京大學, 2013: 7-61

Yang W W. Effects of titanium dioxide engineered nanoparticles on the bioavailability and toxicity of Cd2+[D]. Nanjing: Nanjing University, 2013: 7-61 (in Chinese)

[44] Yang W W, Li Y, Miao A J, et al. Cd2+toxicity as affected by bare TiO2nanoparticles and their bulk counterpart [J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2012, 85: 44-51

[45] 辛元元, 陳金媛, 程艷紅, 等. 納米TiO2與重金屬Cd對銅綠微囊藻生物效應的影響[J]. 生態毒理學報, 2013, 8(1): 23-28

Xin Y Y, Chen J Y, Cheng Y H, et al. Biological effects of nano-TiO2and heavy metal Cd on M. aeruginosa [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2013, 8(1): 23-28 (in Chinese)

[46] Hartmann N B, Von der Kammer F, Hofmann T, et al. Algal testing of titanium dioxide nanoparticles-testing considerations, inhibitory effects and modification of cadmium bioavailability [J]. Toxicology, 2010, 269(2-3): 190-197

[47] Yang W W, Wang Y, Huang B, et al. TiO2nanoparticles act as a carrier of Cd bioaccumulation in the ciliate Tetrahymena thermophila [J]. Environmental Science & Technology, 2014, 48(13): 7568-7575

[48] Tan C, Wang W X. Modification of metal bioaccumulation and toxicity in Daphnia magna by titanium dioxide nanoparticles [J]. Environmental Pollution, 2014, 186: 36-42

[49] Santaella C, Allainmat B, Simonet F, et al. Aged TiO2-based nanocomposite used in sunscreens produces singlet oxygen under long-wave UV and sensitizes Escherichia coli to cadmium [J]. Environmental Science & Technology, 2014, 48(9): 5245-5253

[50] Tan C, Fan W H, Wang W X. Role of titanium dioxide nanoparticles in the elevated uptake and retention of cadmium and zinc in Daphnia magna [J]. Environmental Science & Technology, 2012, 46(1): 469-476

[51] Hartmann N B, Legros S, Von der Kammer F, et al. The potential of TiO2nanoparticles as carriers for cadmium uptake in Lumbriculus variegatus and Daphnia magna [J]. Aquatic Toxicology, 2012, 118: 1-8

[52] Zhang X Z, Sun H W, Zhang Z Y, et al. Enhanced bioaccumulation of cadmium in carp in the presence of titanium dioxide nanoparticles[J]. Chemosphere, 2007, 67(1): 160-166

[53] Hu X L, Chen Q Q, Jiang L, et al. Combined effects of titanium dioxide and humic acid on the bioaccumulation of cadmium in zebrafish [J]. Environmental Pollution, 2011, 159(5): 1151-115

[54] 高霞, 張娜, 杜宏, 等. 納米二氧化鈦對氯化鎘所致人胚肝L-02細胞毒性作用的影響[J]. 環境與職業醫學, 2008, 25(3): 256-258

Gao X, Zhang N, Du H, et al. Influence of nano-TiO2on the toxic effects of cadmiu chloride in human liver L-02 cells [J]. Journal of Environmental & Occupational Medicine, 2008, 25(3): 256-258 (in Chinese)

[55] Xia B, Chen J W, Zhou Y K. Cellular oxidative damage of HEK293T cells induced by combination of CdCl2and nano-TiO2[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology-Medical Sciences, 2011, 31(3): 290-294

[56] 夏彬. 氯化鎘與納米二氧化鈦、EDTA的聯合毒性評價及典型地區土壤鎘污染健康風險分析[D]. 武漢: 華中科技大學, 2008: 12-32

Xia B. Combination toxicity of cadmium chloride and nanometer titania, EDTA and health risk evaluation of soil pollution of cadmium in typical areas [D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2008, 12-32 (in Chinese)

[57] Balbi T, Ciacci C, Fabbri R, et al. In vitro effects of combined exposure to N-TiO2and Cd2+inmussel cells [J]. Comparative Biochemistry and Physiology, Part A, 2012, 163(1): S41

[58] IARC. Arsenic and arsenic compounds [M]// IARC Monographs on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans. Lyon: International Agency for Research On Cancer, 1987: 100-206

[59] Yih L H, Hsueh S W, Luu W S, et al. Arsenite induces prominent mitotic arrest via inhibition of G2 checkpoint activation in CGL-2 cells [J]. Carcinogenesis, 2005, 26(1): 53-63

[60] Wang T S, Hsu T Y, Chung C H, et al. Arsenite induces oxidative DNA adducts and DNA-protein cross-links in mammalian cells [J]. Free Radical Biology Medicine, 2001, 31(1): 321-330

[61] Mirkes P E, Little S A. Teratogen-induced cell death in post implantation mouse embryos: Differential tissue sensitivity and hallmarks of apoptosis [J]. Cell Death and Differentiation, 1998, 5(7): 592-600

[62] Vega L, Gonsebatt M E, Ostrosky-Wegman P. Aneugenic effect of sodium arsenite on human lymphocytes in vitro: An individual susceptibility effect detected [J]. Mutation Research-Environmental Mutagenesis and Related Subjects, 1995, 334(3): 365-373

[63] Crouau Y, Moia C. The relative sensitivity of growth and reproduction in the springtail, Folsomia candida, exposed to xenobiotics in the laboratory: An indicator of soil toxicity [J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2006, 64(2): 115-121

[64] Brix K V, Cardwell R D, Adams W J. Chronic toxicity of arsenic to the great salt lake brine shrimp, Artemia franciscana [J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2003, 54(2): 169-175

[65] Wang D M, Hu J, Irons D R, et al. Synergistic toxic effect of nano-TiO2and As(V) on Ceriodaphnia dubia [J]. Science of the Total Environment, 2011, 409(7): 1351-1356

[66] Rosenfeldt R R, Seitz F, Schulz R, et al. Heavy metal uptake and toxicity in the presence of titanium dioxide nanoparticles: A factorial approach using Daphnia magna [J]. Environmental Science & Technology, 2014, 48(12): 6965-6972

[67] Sun H W, Zhang X Z, Zhang Z Y, et al. Influence of titanium dioxide nanoparticles on speciation and bioavailability of arsenite [J]. Environmental Pollution, 2009, 157(4): 1165-1170

[68] Sun H W, Zhang X Z, Niu Q, et al. Enhanced accumulation of arsenate in carp in the presence of titanium dioxide nanoparticles [J]. Water, Air and Soil Pollution, 2007, 178(1-4): 245-254

◆

Review on Combined Toxicity of TiO2Nanoparticles and Heavy Metals

Wang Jingjing1,2, Wang Xinan2, Dai Hui2, Liu Yun2, Xu An2,*

1. School of Environmental Science and Optoelectronic Technology, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China 2. Key Laboratory of Ion Beam Bioengineering of Chinese Academy of Science and Anhui Province, Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Science, Hefei 230031, China

8 October 2014 accepted 19 November 2014

Although titanium dioxide nanoparticles (TiO2-NPs) have been widely used for years, they may potentially cause environmental pollution and ecological & health risks at the same time. With the increasing release of TiO2-NPs, the combined toxicity of TiO2-NPs and heavy metals have become an important issue and caused great research interests. This review focused on the combined toxicity of TiO2-NPs and heavy metals including lead, cadmium and arsenic, the existing problems, and the prospective in the field.

titanium dioxide nanoparticles (TiO2-NPs); heavy metals; Pb; Cd; As; combined toxicity

國家重大科學研究計劃(2014CB932002)；中國科學院戰略先導性科技專項B(XDB14030502)；國家自然科學基金(U1232144；30570442)；合肥物質科學技術中心重要/創新項目培育基金(2014FXCX010)

王晶晶(1990-)，女，碩士，研究方向為環境毒理學，E-mail: zkdwjj@mail.ustc.edu.cn

*通訊作者(Corresponding author)， E-mail: anxu@ipp.ac.cn

10.7524/AJE.1673-5897.20141008001

2014-10-08 錄用日期：2014-11-19

1673-5897(2015)2-100-13

X171.5

A

許安(1971-)，女，博士，研究員，主要研究方向為環境毒理學。

王晶晶, 王希楠, 代慧, 等. 二氧化鈦納米顆粒與重金屬聯合毒性研究進展[J]. 生態毒理學報, 2015, 10(2): 100-112

Wang J J, Wang X N, Dai H, et al. Review on combined toxicity of TiO2nanoparticles and heavy metals [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2015, 10(2): 100-112 (in Chinese)