納米材料與環境污染物的復合毒性

李雅軒，門彬，何怡，劉美琪，王東升

1. 中國科學院生態環境研究中心，北京 100085 2. 中國科學院大學，北京 100049

1 納米材料的排放和毒性(The emission and toxicity of nanomaterial)

納米材料是指任何一維幾何尺寸為納米尺度(1～100 nm)的材料，種類包括碳質納米材料、零價金屬納米材料、納米級金屬氧化物、量子點和納米聚合物[1]。隨著納米技術高速發展，納米材料在開發和應用過程中，將通過水(直接排放和污水處理廠出水)、土壤(直接排放和徑流及水廠剩余污泥)和大氣(直接排放和焚燒納米產品)等途徑大量進入自然環境[2]。因具有獨特而優異的性質(如尺寸小、比表面積大、表面活性高等)，納米材料在生物醫學和環境污染治理等諸多領域應用前景廣闊，同時納米材料也具有異于同類常規材料的環境風險[3]。納米材料潛在的環境、健康與安全問題已受到廣泛關注，大量研究表明納米材料在生物個體、組織、細胞和分子水平均會產生毒性，例如：引起生物死亡、發育毒性、器官損傷、生物大分子活性異常、DNA損傷等。

除了自身具有毒性，由于納米材料比表面積大、表面疏水性強，對環境中的污染物有很強的吸附能力，其與環境污染物的相互作用可能會改變彼此的物理化學性質以及在環境中的遷移轉化，產生較二者獨立存在時更復雜的生物效應。因此，研究納米材料與環境污染物復合污染的環境風險和生態效應，是完善納米材料安全評價體系的重要環節。

2 納米材料復合毒性的研究方法(The research method of nanomaterial combined toxicity)

根據污染物的毒性機制選擇相應的生化指標，在納米材料的復合暴露條件下檢測這些指標與污染物單獨暴露時的區別，是納米復合污染生物毒性的重要研究方法。本文結合已有納米材料復合毒性的技術路線和實驗方法，對研究思路進行了總結。

生物毒性實驗中首先選擇適合的生物體進行暴露，受試體的種類主要包括細菌、細胞、植物、無脊椎動物、哺乳動物等。不同受試體決定了復合暴露的方法，主要包括培養介質染毒、填喂、注射等。

表1 納米材料復合污染常用生物指標Table 1 Common biomarkers used for combined toxicity of nanomaterial research

圖1 納米材料細胞毒性指標之間的聯系[21]Fig. 1 The relationship between cytotoxic biomarkers of nanomaterials [21]

根據不同的研究目的和污染物的毒性機制，要選擇有代表性和效應相對明確的生物指標，這涉及到生物積累水平、生物個體活性、生物大分子水平。總結納米材料復合毒性研究中采用的生物指標列于表1，并且添加了幾種毒性研究常用的指標以及先進的表征技術方法。從納米材料遷移的角度檢測其在生物體內的分布，是研究納米材料影響污染物生物積累和毒性的基礎方法之一，這需要先進有效的定性和定量的表征方法。最近發展了一種在復雜介質中鑒定與表征金屬納米材料尺寸的方法，其技術是采用毛細管電泳與電感耦合等離子體質譜在線聯用(CE-ICP-MS)[10]。測定生物體內碳納米材料的方法也有新的研究進展，場流分離法(FFF)可用于分離碳納米管和生物大分子[11]，近紅外熒光光譜(NISF)利用單壁碳納米管(SWCNT)的半導體特性能實現濃度檢測[12]，并且可用于活體觀測SWCNT在生物體內的分布[13]。

不同層次生物指標之間是相互聯系的，例如圖1中列出了納米材料可能的細胞毒性機制，各指標之間存在著邏輯關系，因此在選擇生物指標時要考慮其指向性和毒性機制的相關性，才能形成一套完整的毒理研究思路。

研究納米材料的復合毒性必然涉及到復合毒性和單獨毒性的對比，除了通過各項生物指標響應的程度對比外，還可以采用綜合生物指數法(integrated biomarker response, IBR)，對不同類型的生物指標進行歸一化和分值計算，通過分值對比，評價不同暴露條件的綜合脅迫程度的高低[18]。此外，判斷納米材料與污染物共存時的毒性機制是加和、拮抗或協同作用也是十分必要的，配合適當的實驗設計，相加指數法[19]和毒性單位圖解法[20]等都是廣泛應用的計算判斷方法。

需要注意的是，生物在積累污染物的同時還可能會排出，并且具有一定的環境適應和自我修復能力。有些生物損傷是不可逆轉的，也有些損傷能夠在一定程度上獲得修復，因此在評估污染物的生物毒性時，應當把生物自我修復功能納入考察因素，檢測凈化階段的生物指標，從而避免低估毒性水平[22]。

3 納米材料與水環境污染物的復合毒性研究進展(Research progress of combined toxicity of nanomaterial and aquatic pollutants)

近年來，關于納米材料與環境污染物復合毒性的研究受到廣泛的關注。大多數研究集中在納米材料與重金屬或有機污染物復合后對水生生物(如藻類、軟體動物、魚類等)的毒性效應，也有研究以細胞、微生物、哺乳動物為受試生物，毒性終點主要為污染物生物積累、生物活性、代謝水平和基因水平等。

3.1 納米材料影響污染物生物累積

嚴格來講污染物的生物積累并不是生物毒性反應，而是生物效應的一種表現，但生物積累與生物毒性指標之間存在相關性，這使得眾多研究都以生物積累作為一項毒性研究基礎。納米材料影響污染物的生物積累，主要是通過其強大的吸附作用實現的，納米材料富集與之共存的污染物，從而增強或抑制污染物的生物可利用性。

有些研究表明納米材料增加了重金屬在生物體內的累積，例如在銅離子(Cu)溶液中加入表面修飾的單壁碳納米管(LPC-SWCNTs)使得Cu在大型蚤中的累積濃度升高，這可能是因為大型蚤捕食了結合Cu的LPC-SWCNTs[23]。檢測暴露于納米二氧化鈦-砷(TiO2-As(V))復合體系中的鯉魚發現了類似的結果，TiO2能夠顯著促進鯉魚內臟器官中As(V)的累積，并且進一步推測出，在TiO2進入鯉魚體內后，吸附在TiO2上的As(V)可能被釋放后再吸收，或者隨TiO2的吸收被攜帶進入器官中[24]。這些結果都說明對于特定的生物和暴露條件，有些納米材料會通過生物的捕食過程進入體內，因此它能作為重金屬的載體，促進重金屬的生物積累。

與有機污染物共同暴露時，納米材料對其生物利用性造成的影響可能是促進作用或者抑制作用。富勒烯(C60)能夠吸附水溶液中的菲和五氯苯酚，海藻和大型蚤暴露實驗中，這種吸附作用分別增強和降低了菲和五氯苯酚的生物可利用性，進而檢測生物存活率時，C60的加入增強了菲對海藻和大型蚤的毒性，卻抑制了五氯苯酚的毒性，這說明納米材料與不同有機污染物相互作用時，會產生不同的生物效應。還有研究表明C60會降低有機氯農藥在水溶液中自由溶解態的分布，但同時C60富集污染物后被青鳉魚吸收，從而對疏水性高或低的物質產生了降低或增高生物累積的效應，這進一步說明了有機物的性質差異會導致納米材料對其生物積累效應產生不同的影響。受試體對納米材料的生物可利用性也是影響復合生物效應的因素之一，例如：雌二醇的細胞暴露實驗中，單壁碳納米管(SWCNT)的吸附固持作用降低了雌二醇的生物可利用性，而SWCNT能攜帶菲進入青鳉魚體內，并在體內釋放菲促進其在魚體內的積累[28]。多壁碳納米管(MWCNT)會促進五氯酚在鯉魚中的積累[29]，而納米TiO2可能通過促進五氯苯酚轉化為四氯氫醌，從而降低了五氯苯酚在斑馬魚幼體中的積累量，這說明納米材料與有機污染物之間的相互作用也是污染物生物積累的影響因素?？傊?，納米材料能夠影響有機物生物積累效應，其影響因素包括有機物的性質、納米材料的生物可利用性以及納米材料與有機物的相互作用等。

多數學者在研究納米材料復合污染時會選擇納米材料與一種污染物復合的兩項體系，也有研究會關注納米材料同時與2種物質復合的情況，例如納米材料與天然有機質(NOM)同時共存時對重金屬的生物毒性效應造成的影響。有研究表明納米TiO2-腐殖酸共存時會降低鎘離子(Cd)在斑馬魚體內的積累速率，但納米TiO2或腐殖酸分別與Cd復合時會提高其積累速率；此外，納米TiO2-腐殖酸與Cd復合時Cd的平衡積累量與腐殖酸單獨復合相似，但低于納米TiO2單獨復合時的積累量。此外納米TiO2-NOM的復合體系會促進Cu在大型蚤中的積累，進而導致其體內活性氧物質(ROS)的增加，以及死亡率的上升[32]。

污染物的性質、納米材料的生物有效性及二者之間的相互作用等因素都會影響污染物的生物可利用性，不同受試生物和暴露條件也會導致各研究結果之間存在差異，從而得出納米材料可能促進或抑制污染物生物積累的結論。而生物累積是生物毒性表觀的指標之一，也是復合污染生物毒性研究的基礎，其毒性機制需要通過更深層次的研究，為制定規范和安全管理提供更詳細的根據。

3.2 納米材料影響分子水平毒性指標對污染物的響應

為了深入探索納米材料的復合毒性機制，揭示復合毒性效應的本質，很多學者利用檢測生物分子水平指標作為評價方法，其中主要包括酶類、激素等蛋白質大分子的水平及RNA的表達水平等。

納米材料的復合污染增強污染物各項生物指標響應時，可能存在2種情況：第一，納米材料本身對生物不具有明顯的毒性，但其能促進污染物生物積累或通過其他機制，增強污染物對生物的毒性效應；第二，納米材料與污染物對同一生物指標有相似的影響，二者的共存對特定的毒性效應產生了放大的作用。

一些污染物對生物存在特定的毒性作用，納米材料與之復合后可能使該毒性作用增強，其作用機制包括促進污染物積累、抑制解毒過程、影響基因表達等。例如，在實驗條件下，納米TiO2對斑馬魚卵沒有明顯的毒性作用，但納米TiO2會增強BDE-209的生物毒性，這種效應不僅體現在BDE-209生物累積的增強，還涉及到干擾甲狀腺激素水平及相關基因表達、神經發育相關蛋白水平和基因表達以及孵化后運動行為方面。類似地，在納米TiO2安全暴露濃度條件下的情況還有：增加了Cu在大型蚤內的積累量，并且納米TiO2與Cu存在競爭機制，從而抑制了金屬硫蛋白的解毒作用[34]；促進了雙酚A在斑馬魚中的積累，進而增強了雙酚A的雌激素干擾效應和生殖毒性[35]。納米TiO2與鉛離子(Pb)復合暴露時，會增強Pb對斑馬魚幼魚的毒性，主要表現在增強Pb的積累、甲狀腺激素及相關基因表達和神經系統的干擾。納米ZnO與全氟辛烷磺酸類物質復合暴露斑馬魚時，發現與二者單獨暴露相比，復合暴露對斑馬魚甲狀腺激素量及其相關基因表達水平造成了更嚴重的干擾作用[37]。

大多數污染物和納米材料對生物體存在相同的刺激作用，許多研究會通過檢測一些普適指標(如氧化應激、DNA損傷等)，對比復合暴露和單獨暴露對生物造成的脅迫作用，從而評估復合暴露的生物毒性。例如，納米材料本身具備降低細胞活性[38]、引起氧化應激[39]和DNA損傷[40]，重金屬、多溴聯苯、有機氯等污染物也存在類似的毒性作用，因此納米材料與污染物復合作用于生物體時，可能會增強這些共有毒性。C60能促進苯并芘在斑馬魚肝細胞中的積累，并且復合暴露顯著降低了細胞活性以及損害了II期酶谷胱甘肽巰基轉移酶(GST)的解毒響應。羥基MWCNT促進了Cd在金魚肝中的積累，并且復合暴露造成了更嚴重的氧化應激效應，其中包括抑制抗氧化酶超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)的活性，降低谷胱甘肽(GSH)的水平以及增強了脂質過氧化程度[45]。SWCNT雖然抑制了全氟辛烷磺酸類物質在斑馬魚內臟器官中的積累，但復合暴露卻增強了氧化應激響應，增加ROS水平，抑制抗氧化酶SOD和CAT以及乙酰膽堿酯酶(AChE)活性[46]。納米SiO2促進了有機汞對人肺上皮細胞(A549)造成的損傷，復合暴露增加了ROS的產生，抑制了抗氧化酶SOD和GPx活性，這些更嚴重的氧化應激反應最終導致了更強的脂質過氧化反應、DNA損傷和細胞凋亡。

3.3 共存物質影響納米材料自身毒性

納米材料能夠影響共存物質的生物積累和生物毒性，此外有些物質與納米材料共存時會影響納米材料自身的毒性。NOM雖然不是環境污染物，但也具有危害生態環境和人類健康的性質，例如NOM在水廠消毒過程中會被氯化生成致癌物[48]，并且腐殖酸會絡合飲用水中的微量金屬元素，破壞人體的吸收[49]。NOM可能與納米材料結合后產生一種“面具效應”，造成納米材料表面性質的改變，從而影響其生物毒性效應[50]。

與地表水和污水處理廠出水中NOM共存時，NOM吸附在量子點(quantum dots)表面從而形成一層外殼，阻礙了大型蚤對量子點的生物累積，緩解了量子點的生物毒性，且這種作用隨NOM疏水性上升而增強[51]。培養細菌暴露于納米Ag時，培養基內加入腐殖酸會使毒性緩解，可能是因為腐殖酸結合納米Ag后在其表面形成了一層物理屏障，或者表面的靜電斥力阻止了納米Ag與細菌的接觸[52]。同樣因為靜電斥力，聚合電解質和天然有機質富集在納米零價鐵上，會減少納米零價鐵與大腸桿菌的接觸，從而降低了其生物毒性作用[53]；而納米零價鐵在原位修復的應用中，天然有機質雖然減緩了納米零價鐵的生物毒性，有利于修復的生物作用過程，但卻降低了納米零價鐵對目標污染物的降解效果。

基于以上研究，污染物吸附在納米材料表面改變了納米材料的表面性質，從而阻礙了納米材料與生物的接觸，最終影響了納米材料的生物效應。而這種作用在納米材料的應用過程中表現為2個方面：生物毒性的降低，減輕環境危害；降低生物修復或殺菌效果，影響使用價值。納米材料是人類生產生活過程中的雙刃劍，要根據實際需要恰當地選擇與其他物質復合的過程，避免危害生態環境，發揮納米材料利于人類發展的價值。

這些納米復合污染生物毒性的研究成果表明，納米材料會與其他污染物發生相互作用從而影響其環境效應，多體現在納米材料對污染物的吸附作用改變了污染物的環境分布、生物有效性及生物毒性；此外，納米材料表面結合共存物質可能改變納米材料的表面性質而影響其環境行為。

4 結語(Conclusion)

目前為止，對于納米材料自身的毒性以及與其他污染物的復合毒性已有了很多研究，但這些成果的毒性指示終點多數集中在生物積累層面以及氧化應激等基礎生化指標，對特定的生物毒性(如神經毒性、生殖毒性和遺傳毒性等)研究較少，缺乏深層的毒理研究，對于準確評價復合污染的環境風險尚顯不足。綜合考慮納米材料的理化性質、污染物的性質、環境條件參數和生物習性，探討納米材料與污染物之間的相互作用，結合典型的生物指標，是準確評估納米復合污染的環境風險，以及預防納米材料產生潛在毒性的基礎。而只有在掌握了納米復合污染毒性的綜合信息時，才能制定有效的措施，確保納米技術安全高效的使用。