納米材料對(duì)藻細(xì)胞毒性效應(yīng)及致毒機(jī)理

范功端，陳薇，鄭小梅，彭慧萍

1. 福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福州 350108 2. 福州大學(xué)新能源材料研究所，福州 350108

納米材料是指某一維度小于100 nm的固體超細(xì)材料[1-2]，可分為碳基納米材料(包括C60、氧化石墨烯、單壁碳納米管和多壁碳納米管等)和無(wú)機(jī)納米材料(包括金屬、金屬氧化物及量子點(diǎn)等)[3]，詳見(jiàn)圖1。納米材料被廣泛應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域中，如填充劑、遮光劑、催化劑、半導(dǎo)體和化妝品等[4]。納米材料應(yīng)用廣泛，同時(shí)產(chǎn)量也在不斷擴(kuò)增。2004年時(shí)納米材料的產(chǎn)量高達(dá)2 000噸，在2011—2012年間納米材料的產(chǎn)量增加至58 000噸[5]。表1總結(jié)了納米材料在不同性能中的應(yīng)用[6]。

納米材料的環(huán)境行為與生態(tài)效應(yīng)是當(dāng)前國(guó)際環(huán)境科學(xué)研究的熱點(diǎn)和前沿[7]。2003年，Service在Science雜志上發(fā)表了關(guān)于納米材料的毒性研究[8]。2004—2005年，美國(guó)環(huán)保局(EPA)斥資362萬(wàn)美元對(duì)納米安全性進(jìn)行評(píng)估[9]。2012年，Wang等[10]發(fā)現(xiàn)納米CuO能夠誘導(dǎo)人體肺上皮細(xì)胞(A539細(xì)胞)產(chǎn)生活性氧類(reactive oxygen species, ROS)，使線粒體的膜電位下降，同時(shí)能夠破壞A539細(xì)胞的DNA鏈。目前已有許多研究總結(jié)了納米材料的近期發(fā)展，同時(shí)大部分研究對(duì)納米材料的毒性進(jìn)行了重點(diǎn)關(guān)注。例如Nel等[11]在Science上就納米材料的毒性及機(jī)理進(jìn)行了討論；Lam等[12]著重討論了單壁碳納米管與雙壁碳納米管對(duì)小鼠肺部、心臟等的毒性作用；Monterio-Riviere等[13]將雙壁碳納米管作用于人類表皮角化細(xì)胞，48 h后發(fā)現(xiàn)濃度為0.4 mg·mL-1的雙壁碳納米管實(shí)驗(yàn)組的人類表皮角化細(xì)胞釋放促炎細(xì)胞因子白細(xì)胞介素-8。

圖1 納米材料的分類及結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Classification and structure of nanomaterials

性能Properties應(yīng)用Application光學(xué)Optics1)防反射涂層Anti-reflective coating2)用于癌癥診斷的基于光的傳感器Light-based sensor for cancer diagnosis磁性Magnetism1)增加存儲(chǔ)介質(zhì)密度Increase storage density2)磁性納米顆粒可用于MRI圖像的細(xì)節(jié)和對(duì)比度的改進(jìn)Magnetic nanoparticles can be used to improve the details and contrast of MRI images機(jī)械Machinery1)高性能的小組件,例如小型電子設(shè)備的電容High-performance small components, such as the capacitance of small electronic devices2)顯示器Monitors3)高導(dǎo)電性材料Highly conductive materials生物醫(yī)學(xué)Biomedicine1)用于傷口敷料的抗菌銀涂層Antibacterial silver coating for wound dressings2)疾病監(jiān)測(cè)傳感器(量子點(diǎn)) Disease Monitoring Sensors (Quantum Dots)3)自動(dòng)釋藥系統(tǒng)Automatic drug delivery system環(huán)保Environmental protection1)清理污染土壤及污染物,例如石油 Clean up contaminated soils and pollutants, such as oil2)可生物降解聚合物Biodegradable polymer3)工業(yè)廢氣處理Industrial exhaust gas treatment4)有效過(guò)濾水體Effective filtration of water個(gè)人護(hù)理Personal care1)無(wú)機(jī)防曬霜Inorganic sunscreen2)乳化技術(shù)Emulsification technology

納米材料在生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用和廢棄等過(guò)程中必將進(jìn)入水環(huán)境，并與水環(huán)境中廣泛存在的溶解性有機(jī)質(zhì)、水生生物及其他污染物發(fā)生反應(yīng)，將使其物化性質(zhì)發(fā)生一定程度的改變(圖2)。同時(shí)，水體中含有藻類，藻類作為水生生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)者，能夠利用光合作用合成有機(jī)物，是食物鏈的最基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，在整個(gè)水生生態(tài)系統(tǒng)中起著重要的作用[14]，對(duì)水環(huán)境變化非常敏感。因此，研究納米材料對(duì)水中有機(jī)質(zhì)、藻類等的毒性效應(yīng)十分重要。

本文主要介紹了不同種類納米材料對(duì)藻類的毒性效應(yīng)，分析了影響納米材料毒性效應(yīng)的因素，探討了納米材料對(duì)藻類的致毒機(jī)理，旨在為今后運(yùn)用納米材料提供理論依據(jù)。

1 不同納米材料對(duì)藻類的毒性效應(yīng)(Toxic effects of different nanomaterials on algae)

納米材料的相關(guān)毒性研究約有78%基于體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，22%基于體外實(shí)驗(yàn)[3]。由于藻類在水生生態(tài)系統(tǒng)中的重要地位，因此，目前大多數(shù)研究均選取藻類作為納米毒理學(xué)的受試生物。表2總結(jié)了不同類型納米材料對(duì)不同藻種的毒性研究。

1.1 納米金屬

由于金屬納米粒子具有獨(dú)特的光學(xué)和電磁學(xué)性質(zhì)等物化性質(zhì)[20]，因此在催化、分子識(shí)別和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。金屬納米粒子種類繁多，進(jìn)入環(huán)境后不同的金屬納米粒子對(duì)不同藻類的作用形式不同。

圖2 納米粒子進(jìn)入環(huán)境的重要途徑(根據(jù)文獻(xiàn)[6]修改)Fig. 2 Important way for nanoparticles to enter the environment (Modified according to reference [6])

目前雖然已有部分種類的金屬納米粒子被用于研究其對(duì)藻類的毒理現(xiàn)象，但仍有許多金屬納米粒子對(duì)藻類造成的影響研究尚少。因此仍有必要研究其他種類金屬納米粒子對(duì)藻類的影響。

1.2 納米氧化物

相對(duì)于金屬納米粒子，利用納米金屬氧化物進(jìn)行藻類毒性實(shí)驗(yàn)研究所采用的納米金屬氧化物種類較多，如納米CuO、納米ZnO、納米CeO2、納米SiO2、納米TiO2和納米Al2O3等。通過(guò)Ji等[14]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，納米TiO2和納米ZnO對(duì)小球藻具有明顯的毒性效應(yīng)，且納米ZnO對(duì)小球藻的毒性效應(yīng)不能單單解釋為納米ZnO在溶液中溶出了Zn2+，其致毒機(jī)理還包括產(chǎn)生ROS對(duì)藻類造成損傷等。Aruoja等[31]發(fā)現(xiàn)，納米ZnO、納米TiO2和納米CuO對(duì)月牙藻的毒性大小為納米ZnO>納米CuO>納米TiO2，納米CuO對(duì)月牙藻的毒性效應(yīng)可以認(rèn)為是從金屬氧化粒子中溶出的金屬離子造成的。Franklin等[32]發(fā)現(xiàn)，納米ZnOpower和納米ZnOdispersant從統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上類似于ZnO和ZnCl2，其生長(zhǎng)抑制的IC50(72 h)值范圍從49 μg Zn·L-1～69 μg Zn·L-1。劉建新等[33]發(fā)現(xiàn)，在24 h時(shí)濃度為45 mg·L-1的納米ZnO對(duì)羊角月牙藻的生長(zhǎng)抑制率高達(dá)95%。Hall等[34]的毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)羊角月牙藻(IC251 ～ 2 mg·L-1)對(duì)納米TiO2比網(wǎng)紋水蚤(IC259.4 ～ 26.4 mg·L-1)和黑頭呆魚(yú)(IC25>340 mg·L-1)更敏感。Hoecke等[35]對(duì)納米CeO2對(duì)藻細(xì)胞的毒性效應(yīng)做了5種猜想并通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。Pakrashi等[36]的研究表明，不同粒徑的納米Al2O3以及從納米Al2O3中溶出的Al3+均能夠?qū)υ孱惍a(chǎn)生毒性作用。Roy等[37]發(fā)現(xiàn)P25 TiO2對(duì)小球藻與柵藻的毒性效應(yīng)有一定的區(qū)別。鄧祥元等[38]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)納米CeO2的濃度低于80 mg·L-1時(shí)可促進(jìn)蛋白核小球藻的生長(zhǎng)，當(dāng)納米CeO2的濃度大于80 mg·L-1時(shí)其對(duì)蛋白核小球藻表現(xiàn)出抑制作用，同時(shí)隨著納米CeO2濃度的不斷增大，蛋白核小球藻體內(nèi)的丙二醛(MDA)含量不斷增大。

在納米金屬氧化物中，不同納米金屬氧化物對(duì)藻細(xì)胞的毒性大不相同，同時(shí)不同受試藻種對(duì)不同納米金屬氧化物的敏感程度也不同，因此，納米金屬氧化物藻細(xì)胞毒性效應(yīng)的研究仍有很大的開(kāi)發(fā)空間。

1.3 碳納米材料

碳納米管根據(jù)石墨片層數(shù)的不同可分為單壁納米碳管(single-walled carbon nanotubes, SWCNTs)和多壁納米碳管(multi-walled carbon nanotubes, MWCNTs)兩類。已有人采用經(jīng)超聲處理和攪拌的2種雙壁碳納米管對(duì)骨藻和假微型海鏈藻進(jìn)行毒性比較發(fā)現(xiàn)經(jīng)超聲處理的雙壁碳納米管對(duì)2種藻類的毒性更大[39]。Blaise等[40]發(fā)現(xiàn)單壁碳納米管對(duì)月牙藻的72 h-IC25值是1.04 mg·L-1。還有研究表明多壁碳納米管對(duì)杜氏藻的96 h-EC50值為(0.82±0.02) mg·L-1，認(rèn)為這是由于多壁碳納米管的遮光效應(yīng)和團(tuán)聚作用造成的[19]。楊曉靜等[41]研究了單壁碳納米管對(duì)小球藻的生長(zhǎng)抑制影響發(fā)現(xiàn)在0.01 ～ 500 mg·L-1濃度內(nèi)，96 h-EC50為261.5 mg·L-1，它能夠抑制小球藻的生長(zhǎng)。

碳納米材料還包括C60、氧化石墨烯(GO)等材料。Wahid等[42]發(fā)現(xiàn)GO能夠有效降低藻細(xì)胞的分裂速率。Nougeira等[43]認(rèn)為，GO對(duì)月牙藻具有毒性的原因是GO促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)部產(chǎn)生ROS及細(xì)胞膜破裂。Jian等[44]發(fā)現(xiàn)，GO對(duì)蛋白核小球藻的EC50約為37.3 mg·L-1，GO對(duì)蛋白核小球藻的遮蔽作用貢獻(xiàn)率大約為16.4%。Hana等[45]發(fā)現(xiàn)，濃度為26.7 mg·L-1的C60對(duì)小球藻的生長(zhǎng)抑制效果優(yōu)于濃度為40 mg·L-1的C60。

目前，碳納米管在醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)中被廣泛應(yīng)用，碳納米管對(duì)不同受試藻種的EC50值各不相同，因此仍有必要對(duì)不同藻種進(jìn)行試驗(yàn)。

1.4 其他納米材料

量子點(diǎn)是由有限數(shù)目的原子組成的一種三維團(tuán)簇，尺寸大小在納米量級(jí)。鐘秋[46]發(fā)現(xiàn)硫化鎘量子點(diǎn)對(duì)斜生柵藻的生長(zhǎng)具有抑制作用，且當(dāng)濃度為1 mg·L-1時(shí)對(duì)斜生柵藻具有顯著抑制作用。

金屬有機(jī)骨架材料是由金屬離子與芳香多酸有機(jī)配體通過(guò)配位鍵作用形成的一類新型納米多孔材料。隨著納米材料的廣泛應(yīng)用，包括金屬有機(jī)骨架材料在內(nèi)的納米終將不可避免地通過(guò)各種途徑進(jìn)入水體、大氣與土壤等環(huán)境。但以金屬有機(jī)骨架材料為代表的致毒機(jī)理研究尚未深入。

2 納米材料藻類毒性的影響因素(Factors affecting the toxicity of nanomaterials to algae)

不同種類的納米材料對(duì)不同藻類的毒性效應(yīng)不盡相同。一般而言，納米材料的物化性質(zhì)(如粒徑、晶面結(jié)構(gòu)等)、濃度不同，外界條件不同(如pH、溶解性有機(jī)質(zhì)等)，藻細(xì)胞自身的種類不同均會(huì)影響納米材料對(duì)藻類的毒性。

2.1 納米材料的物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)藻類的毒性影響

納米粒子由于自身粒徑大小的不同導(dǎo)致其對(duì)藻類的毒性大小也不同。Rodea-Palomares等[47]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CeO2納米粒子的粒徑小于50 nm時(shí)對(duì)藻類的毒性最大。Tedescoa等[48]指出較大粒徑的納米粒子產(chǎn)生的毒性較小，這表明了生物對(duì)納米粒子的反應(yīng)中，粒徑是一個(gè)關(guān)鍵因素。大部分的研究表明，通常納米粒子的粒徑越小，比表面積較大[49]，因此它的毒性越大[50-51]。Hund-Rinke等[51]發(fā)現(xiàn)，粒徑為25 nm的TiO2對(duì)藻類的EC50值為44 mg·L-1，而粒徑為100 nm的TiO2對(duì)藻類的毒性相比粒徑為25 nm的TiO2卻小很多。Hoecke等[35]研究了粒徑為14 nm、20 nm和29 nm的納米CeO2對(duì)月牙藻的毒性效應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)粒徑為29 nm的納米CeO2對(duì)月牙藻的抑制效果最明顯。目前，納米粒子的形狀、外表與毒性大小的關(guān)系仍然不明確[52-53]。

張寧[54]研究了同一尺寸不同晶型納米二氧化鈦對(duì)小球藻的毒性效應(yīng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)2種晶型的nTiO2對(duì)小球藻有不同程度的抑制作用，隨著濃度增大，nTiO2(銳鈦礦)的毒性逐漸增大，對(duì)小球藻的抑制率可高達(dá)83%。牟鳳偉[55]通過(guò)檢測(cè)斜生柵藻SOD和POD的生成情況，判斷不同類型碳納米管的毒性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)4種碳納米管的毒性大小為：短型雙壁碳納米管(short DWCNTs)>雙壁碳納米管(DWCNTs)>短型單壁碳納米管(short SWCNTs)>單壁碳納米管(SWCNTs)。

一般而言，納米粒子濃度越大，對(duì)藻類的毒性越大。大多數(shù)研究表明納米粒子對(duì)藻類的毒性存在劑量-效應(yīng)關(guān)系，如Manier等[56]發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚的納米CeO2對(duì)月牙藻的生長(zhǎng)有抑制作用，且濃度越大，抑制效果越明顯。其他的納米粒子也已被發(fā)現(xiàn)對(duì)藻類具有劑量-效應(yīng)關(guān)系，如納米Fe、納米Ni、納米Ag等[16, 25, 57]。

由此可見(jiàn)，納米材料的物化性質(zhì)(如粒徑、晶面結(jié)構(gòu)等)、濃度均對(duì)藻類產(chǎn)生不同的毒性效應(yīng)，但納米材料的性質(zhì)還有很多，如表面粗糙度、光催化性質(zhì)等，這些性質(zhì)是否會(huì)對(duì)藻類造成不同影響尚未可知，因此納米材料的不同性質(zhì)對(duì)藻類的毒性大小仍需更深入的研究。

2.2 水體性質(zhì)對(duì)藻類的毒性影響

在實(shí)際水體中存在著多種多樣的溶解性有機(jī)質(zhì)，代表性種類有腐殖酸(HA)和富里酸(FA)，它們對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物過(guò)程有著重要的影響。Xie等[58]發(fā)現(xiàn)溶解性有機(jī)質(zhì)在天然水體中能夠使C60發(fā)生團(tuán)聚，使C60的形態(tài)和尺寸發(fā)生明顯改變。Lamelas等[59]發(fā)現(xiàn)，HA能夠改變納米材料及離子濃度，間接影響其對(duì)藻類的毒性。Sun等[60]發(fā)現(xiàn)FA能夠通過(guò)使納米CuO溶出Cu2+、生成ROS、破壞DNA分子結(jié)構(gòu)和細(xì)胞膜的滲透性，使藻細(xì)胞受損加劇。納米材料進(jìn)入實(shí)際水體后，其物理化學(xué)性質(zhì)和細(xì)胞毒性必將受到溶解性有機(jī)質(zhì)的影響。這是由于納米材料表面含有配位體，必將與溶解性有機(jī)質(zhì)發(fā)生相互作用，但其是否會(huì)使納米材料毒性增強(qiáng)仍需深入研究。

2.3 不同藻種的影響

目前世界上已知有2 000多種藻類，這些不同的藻類分布于各大湖泊中。不同湖泊中藻種各異，當(dāng)納米材料進(jìn)入水體中，不同藻種對(duì)不同納米材料的敏感程度不同，納米材料對(duì)藻類的毒性作用效果也不同。納米Au對(duì)鏈帶藻與月牙藻的EC50值分別為0.028 mg·L-1和0.014 mg·L-1[15]。Hazani等[16]將杜氏藻與小球藻分別置于納米Ag懸浮液中，通過(guò)檢測(cè)抗氧化酶系統(tǒng)損傷程度及MDA生成情況發(fā)現(xiàn)杜氏藻對(duì)納米Ag的敏感度更高。雷靜靜等[61]通過(guò)納米NiO對(duì)羊角月牙藻、小球藻和四尾柵藻進(jìn)行毒性實(shí)驗(yàn)，對(duì)藻密度、葉綠素a、蛋白質(zhì)濃度、SOD和CAT活力、MDA含量測(cè)定發(fā)現(xiàn)，納米NiO對(duì)3種藻均具有抑制作用，但月牙藻對(duì)納米NiO的敏感程度較低，小球藻和四尾柵藻對(duì)納米NiO的敏感程度較高。胡冰等[62]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)納米TiO2對(duì)新月菱形藻和小球藻的96 h-EEC50分別為13.693 mg·L-1和11.655 mg·L-1。

圖3 CuO NPs對(duì)銅綠微囊藻細(xì)胞的致毒機(jī)理[17]Fig. 3 Toxic mechanism of CuO NPs on Microcystis aeruginosa [17]

3 納米材料對(duì)藻類的致毒機(jī)理(Toxic mechanism of nanomaterials on algae)

Wang等[17]認(rèn)為納米CuO對(duì)銅綠微囊藻的致毒機(jī)理包括Cu2+釋放、生成ROS、破壞DNA和改變細(xì)胞膜通透性，見(jiàn)圖3。同時(shí)，還有研究表明，目前已知的納米材料對(duì)藻類的毒性機(jī)理包括破壞細(xì)胞膜或膜電位、蛋白質(zhì)氧化、遺傳毒性，能量傳遞中斷，形成活化氧或釋放有毒成分等[63]，見(jiàn)圖4。目前，納米材料對(duì)藻類的致毒機(jī)理還未徹底弄清，可能的機(jī)理包括金屬離子釋放、ROS生成和遮光效應(yīng)等，納米粒子可能通過(guò)一種或多種機(jī)制共同作用導(dǎo)致藻細(xì)胞死亡。

3.1 金屬離子毒性

Vogelsberger等[64]發(fā)現(xiàn)1 mg·L-1金屬及金屬氧化物納米粒子在水中大約能夠溶解出1 μg的金屬離子，因此金屬離子對(duì)藻細(xì)胞的影響不可忽略。但不同研究者對(duì)金屬離子對(duì)藻細(xì)胞的影響持有不同觀點(diǎn)。一些學(xué)者認(rèn)為納米粒子對(duì)藻類的毒性主要來(lái)源于納米粒子溶解于水中的金屬離子。Miao等[65]認(rèn)為，納米Ag對(duì)海鏈藻的毒性作用是由于納米Ag溶出了Ag+造成的。同樣的Franklin等[32]認(rèn)為納米ZnOpower和納米ZnOdispersant從統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上類似于ZnO和ZnCl2，而納米ZnO對(duì)羊角月牙藻的毒性主要取決于從納米ZnO中溶解的Zn2+。而另一部分學(xué)者卻認(rèn)為金屬離子對(duì)藻類的毒性作用并不明顯。Saison等[66]研究發(fā)現(xiàn)，納米CuO能夠誘導(dǎo)萊衣藻產(chǎn)生ROS，改變細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使藻細(xì)胞光合系統(tǒng)受損，葉綠素含量顯著降低，而將Cu2+加入至藻細(xì)胞懸浮液中，檢測(cè)到的ROS濃度較低。Navarro等[67]也得出類似的結(jié)果。可見(jiàn)，不同納米粒子對(duì)不同藻類作用所得出的致毒機(jī)理大不相同，因此仍需對(duì)金屬及金屬氧化物納米粒子溶出的金屬離子毒性開(kāi)展更深入的研究。

3.2 氧化損傷

3.3 納米粒子的遮光效應(yīng)

納米粒子的遮光效應(yīng)將減少光系統(tǒng)II的功能光學(xué)截面[19]。Fabienne等[72]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，抑制小球藻和月牙藻的生長(zhǎng)是由于納米碳管的遮光效應(yīng)，并且生成了藻-納米碳管聚合物。Lin等[73]的研究發(fā)現(xiàn)，在萊茵衣藻細(xì)胞表面吸附有許多QD，這可能是由于羧基與藻細(xì)胞壁上含胺基團(tuán)的親和能力較強(qiáng)。由于QD吸附于細(xì)胞表面，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)攝取及細(xì)胞內(nèi)外氣體交換受到一定影響，從而抑制了藻細(xì)胞光合作用活性，但是在實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的死亡。但也有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米粒子對(duì)藻細(xì)胞沒(méi)有遮蔽效應(yīng)。如Wang等[17]通過(guò)高濃度納米CuO遮擋銅綠微囊藻細(xì)胞懸浮液發(fā)現(xiàn)藻類的生長(zhǎng)沒(méi)有受到抑制，由此認(rèn)為低濃度納米CuO對(duì)銅綠微囊藻沒(méi)有遮光效應(yīng)。Hund-Rinke和Simon[51]利用遮光裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)TiO2對(duì)斜柵藻的毒性效應(yīng)也不存在遮光效應(yīng)。

圖4 納米粒子對(duì)藻類的致毒機(jī)理[63]Fig. 4 Toxic mechanism of nanoparticles on algae[63]

由此可以看出不同納米材料對(duì)不同藻種的毒性作用是否具有遮光效應(yīng)均不同，因此有必要對(duì)不同種類的納米粒子進(jìn)行試驗(yàn)，探討不同種類納米粒子對(duì)不同藻種的毒性效應(yīng)的致毒機(jī)理是否具有遮光效應(yīng)。

4 結(jié)論與展望(Conclusion and prospect)

納米材料的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但其對(duì)環(huán)境的影響也備受人們的關(guān)注。了解納米材料的性質(zhì)、毒性及致毒機(jī)理等尤為重要。目前，對(duì)納米材料對(duì)藻類的毒性效應(yīng)已有一定的研究基礎(chǔ)，同時(shí)也就納米材料對(duì)藻類的毒性效應(yīng)達(dá)成一定的共識(shí)，例如納米粒子的粒徑、晶面結(jié)構(gòu)等因素均能夠影響其對(duì)藻類的毒性作用；納米材料對(duì)藻類的致毒機(jī)制是氧化損傷，同時(shí)，金屬納米粒子由于能夠溶出金屬離子在一定程度上對(duì)某些藻類也造成了一定損傷。

雖然已有許多關(guān)于納米材料對(duì)藻類的毒性研究，但仍需進(jìn)一步深入的研究問(wèn)題有：(1)納米材料種類、尺度、維度、形貌、金屬離子和配位體含量等對(duì)藻細(xì)胞毒性的影響規(guī)律目前尚未有深入研究。(2)由于納米材料與水體中的藻種種類繁多，因此仍有很大一部分的納米材料對(duì)水體中不同藻類的作用效果尚未探明。(3)目前大多數(shù)研究均選取藻類作為靶標(biāo)評(píng)價(jià)納米材料的毒性效應(yīng)，但隨著食物鏈的傳遞，其他生物體內(nèi)積累的納米材料毒性不容忽視，因此還應(yīng)選取各地區(qū)具有代表性的高等生物進(jìn)行納米毒性安全評(píng)估。(4)水體環(huán)境復(fù)雜，在溶解性有機(jī)質(zhì)和多種污染物存在的實(shí)際水體中，納米材料進(jìn)入水體后與水中的溶解性有機(jī)質(zhì)是否會(huì)發(fā)生協(xié)同或拮抗作用，同時(shí)進(jìn)入水體中的納米材料的物化性質(zhì)的改變對(duì)納米材料藻細(xì)胞毒性的影響及作用機(jī)理是否發(fā)生一系列改變?nèi)孕枰鲞M(jìn)一步研究。

通訊作者簡(jiǎn)介：范功端(1984-)，男，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樗幚砝碚撆c技術(shù)，發(fā)表論文50余篇。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] Lin D, Xing B. Phytotoxicity of nanoparticles: Inhibition of seed germination and root growth[J]. Environmental Pollution, 2007, 150(2): 243-250

[2] Nagarajan R. Nanoparticles: Building Blocks for Nanotechnology[M]. Kluwer Academic/Plenum Publishers, 2008: 2-14

[3] Rocha T L, Gomes T, Sousa V S, et al. Ecotoxicological impact of engineered nanomaterials in bivalve molluscs: An overview[J]. Marine Environmental Research, 2015, 111: 74-88

[4] Biswas P, Wu C Y. Nanoparticles and the environment [J]. Journal of the Air and Waste Management Association, 2005, 55(6): 708-746

[5] Nowack B, Bucheli T D. Occurrence, behavior and effects of nanoparticles in the environment [J]. Environmental Pollution, 2007, 150(1): 5-22

[6] Farré M, Gajda-Schrantz K, Kantiani L, et al. Ecotoxicity and analysis of nanomaterials in the aquatic environment[J]. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2009, 393(1): 81-95

[7] Service R F. Nanotechnology grows up [J]. Science, 2004, 332(6034): 1140-1143

[8] Service R F. Nanomaterials show signs of toxicity [J]. Science, 2003, 300(5617): 243

[9] 章軍，楊軍，朱心強(qiáng). 納米材料的環(huán)境和生態(tài)毒理學(xué)研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào), 2006, 1(4): 350-356

Zhang J, Yang J, Zhu X Q. The advancement of environmental and ecotoxicological research of nanomaterials [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2006, 1(4): 350-356 (in Chinese)

[10] Wang Z, Li N, Zhao J, et al. CuO nanoparticle interaction with human epithelial cells: Cellular uptake, location, export, and genotoxicity [J]. Chemical Research in Toxicology, 2012, 25(7): 1512-1521

[11] Nel A, Xia T, M?dler L, et al. Toxic potential of materials at the nanolevel [J]. Science, 2006, 311(5761): 622-627

[12] Lam C W, James J T, Mccluskey R, et al. A review of carbon nanotube toxicity and assessment of potential occupational and environmental health risks [J]. Critical Reviews in Toxicology, 2006, 36(3): 189-217

[13] Monterio-Riviere N A, Nemanich R J, Inman A O, et al. Multi-walled carbon nanotube interactions with human epidermal keratinocytes [J]. Toxicology Letters, 2005, 155(3): 377-384

[14] Ji J, Long Z, Lin D. Toxicity of oxide nanoparticles to the green algaeChlorellasp. [J]. Chemical Engineering Journal, 2011, 170(s2-3): 525-530

[16] Hazani A A, Ibrahim M M, Shehata A I, et al. Ecotoxicity of Ag-nanoparticles on two microalgae,ChlorellavulgarisandDunaliellatertiolecta[J]. Archives of Biological Sciences, 2013, 65(4): 1447-1457

[17] Wang Z, Li J, Zhao J, et al. Toxicity and internalization of CuO nanoparticles to prokaryotic algaMicrocystisaeruginosaas affected by dissolved organic matter [J]. Environmental Science and Technology, 2011, 45(14): 6032-6040

[18] Nogueira P F M, Nakabayashi D, Zucolotto V. The effects of graphene oxide on green algaeRaphidocelissubcapitata[J]. Aquatic Toxicology, 2015, 166: 29-35

[19] Wei L, Thakkar M, Chen Y, et al. Cytotoxicity effects of water dispersible oxidized multiwalled carbon nanotubes on marine alga,Dunaliellatertiolecta[J]. Aquatic Toxicology, 2010, 100(2): 194-201

[20] Dash A, Singh A P, Chaudhary B R, et al. Effect of silver nanoparticles on growth of eukaryotic green algae[J]. Nano-Micro Letters, 2012, 4(3): 158-165

[21] Chae Y, An Y J. Toxicity and transfer of polyvinylpyrrolidone-coated silver nanowires in an aquatic food chain consisting of algae, water fleas, and zebrafish [J]. Aquatic Toxicology, 2016, 173: 94

[22] Ivask A, Kurvet I, Kasemets K, et al. Size-dependent toxicity of silver nanoparticles to bacteria, yeast, algae, crustaceans and mammalian cellsinvitro[J]. PloS One, 2014, 9(7): e102108

[23] Pillai S, Behra R, Nestler H, et al. Linking toxicity and adaptive responses across the transcriptome, proteome, and phenotype ofChlamydomonasreinhardtiiexposed to silver [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2014, 111(9): 3490-3495

[24] Oukarroum A, Bras S, Perreault F, et al. Inhibitory effects of silver nanoparticles in two green algae,ChlorellavulgarisandDunaliellatertiolecta[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2012, 78(2): 80-85

[25] Burchardt A D, Carvalho R N, Valente A, et al. Effects of silver nanoparticles in diatomThalassiosirapseudonanaand cyanobacteriumSynechococcussp. [J]. Environmental Science and Technology, 2012, 46(20): 11336-11344

[26] Tuominen M, Schultz E, Sillanp?? M. Toxicity and stability of silver nanoparticles to the green algaPseudokirchneriellasubcapitatain boreal freshwater samples and growth media [J]. Nanomaterials and the Environment, 2013, 1: 48-57

[27] Iswarya V, Manivannan J, De A, et al. Surface capping and size-dependent toxicity of gold nanoparticles on different trophic levels [J]. Environmental Science and Pollution Research, 2015, 1: 1-15

[28] Bozich J, Lohse S, Torelli M, et al. Surface chemistry, charge and ligand type impact the toxicity of gold nanoparticles toDaphniamagna[J]. Environment Science Nano, 2014, 1(3): 260-270

[29] 傅鳳，劉振乾，陳傳紅. 納米銅粉對(duì)浮游植物生長(zhǎng)的影響[J]. 生態(tài)科學(xué), 2007, 26(2): 126-130

Fu F, Liu Z Q, Chen C H. Pilot study about effects of copper nanoparticle on phytoplankton growth [J]. Ecologic Science, 2007, 26(2): 126-130 (in Chinese)

[30] 李芳芳，潘容，張偲，等. 納米銅粉對(duì)中肋骨條藻的毒性效應(yīng)[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2015, 35(9): 2874-2880

Li F F, Pan R, Zhang C, et al. Inhibition effects of copper nanoparticles on the growth ofSkeletonemacostatum[J]. China Environmental Science, 2015, 35(9): 2874-2880 (in Chinese)

[31] Aruoja V, Dubourguier H C, Kasemets K, et al. Toxicity of nanoparticles of CuO, ZnO and TiO2to microalgaePseudokirchneriellasubcapitata[J]. Science of the Total Environment, 2009, 407(4): 1461-1468

[32] Franklin N M, Rogers N J, Apte S C, et al. Comparative toxicity of nanoparticulate ZnO, bulk ZnO, and ZnCl2to a freshwater microalga (Pseudokirchneriellasubcapitata): The importance of particle solubility[J]. Environmental Science and Technology, 2007, 41(24): 8484-8490

[33] 劉建新，杜青平，陳展明，等. 納米氧化鋅對(duì)羊角月牙藻毒性效應(yīng)及其在藻細(xì)胞內(nèi)外的分布[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào), 2016, 11(5): 103-110

Liu J X, Du Q P, Chen Z M, et al. Toxicities of ZnO nanoparticles onSelenastrumcapricornutumand its distributions in intra- and extra-cells [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2016, 11(5): 103-110 (in Chinese)

[34] Hall S, Bradley T, Moore J T, et al. Acute and chronic toxicity of nano-scale TiO2particles to freshwater fish, cladocerans, and green algae, and effects of organic and inorganic substrate on TiO2toxicity [J]. Nanotoxicology, 2009, 3(2): 91-97

[35] Hoecke K V, Quik J T K, Mankiewiczboczek J, et al. Fate and effects of CeO2nanoparticles in aquatic ecotoxicity tests [J]. Environmental Science and Technology, 2009, 43(12): 4537-4546

[36] Pakrashi S, Dalai S, Prathna T C, et al. Cytotoxicity of aluminium oxide nanoparticles towards fresh water algal isolate at low exposure concentrations [J]. Aquatic Toxicology, 2013, 132-133(10): 34-45

[37] Roy R, Parashar A, Bhuvaneshwari M, et al. Differential effects of P25 TiO2nanoparticles on freshwater green microalgae:ChlorellaandScenedesmusspecies [J]. Aquatic Toxicology, 2016, 176: 161-171

[38] 鄧祥元，胡小麗，成婕，等. 納米二氧化鈰對(duì)蛋白核小球藻的生物學(xué)效應(yīng)研究[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào), 2016, 11(5): 111-116

Deng X Y, Hu X L, Cheng J, et al. Effects of nanoparticle CeO2on the physiology ofChlorellapyrenoidosa[J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2016, 11(5): 111-116 (in Chinese)

[39] Kwok K W, Leung K M, Flahaut E, et al. Chronic toxicity of double-walled carbon nanotubes to three marine organisms: Influence of different dispersion methods [J]. Nanomedicine, 2010, 5(6): 951-961

[40] Blaise C, Gagné F, Férard J F, et al. Ecotoxicity of selected nano-materials to aquatic organisms [J]. Environmental Toxicology, 2008, 23(5): 591-598

[41] 楊曉靜，陳灝，閆海，等. 納米二氧化鈦和單壁碳納米管對(duì)普通小球藻生長(zhǎng)的抑制效應(yīng)[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào), 2010, 5(1): 38-43

Yang X J, Chen H, Yan H, et al. Effects of nano-TiO2and single-walled carbon nanotubes on the growth ofChlorellavulgaris[J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2010, 5(1): 38-43 (in Chinese)

[42] Wahid M H, Eroglu E, Chen X, et al. Entrapment ofChlorellavulgariscells within graphene oxide layers [J]. RSC Advances, 2013, 3(22): 8180-8183

[43] Nogueira P F, Nakabayashi D, Zucolotto V. The effects of graphene oxide on green algaeRaphidocelissubcapitata[J]. Aquatic Toxicology (Amsterdam, Netherlands), 2015, 166(8): 29

[44] Jian Z, Cao X, Wang Z, et al. Mechanistic understanding toward the toxicity of graphene-family materials to freshwater algae [J]. Water Research, 2016, 111: 18-27

[45] Hana H, Kubatova K, Zemanova Z, et al. Evaluation of effects of C60fullerene and its derivatives on selected microorganisms [J]. 材料科學(xué)與工程: 中英文B版, 2013, 13(7): 409-417

[46] 鐘秋. 納米二氧化鈰和硫化鎘量子點(diǎn)對(duì)水生生物的毒性研究[D]. 武漢: 華中師范大學(xué), 2013: 22-23

Zhong Q. The toxicity of nano cerium dioxicide and cadmium sulfide quantum dots to tow aquatic organisms [D]. Wuhan: Central China Normal University, 2013: 22-23 (in Chinese)

[47] Rodea-Palomares I, Boltes K, Fernandez-Pinas F, et al. Physicochemical characterization and ecotoxicological assessment of CeO2nanoparticles using two aquatic microorganisms [J]. Toxicological Sciences, 2011, 199(1): 135-145

[48] Tedescoa S, Doyle H, Blasco J, et al. Oxidative stress and toxicity of gold nanoparticles inMytilusedulis[J]. Aquatic Toxicology, 2010, 100: 178-186

[49] 白偉，張程程，姜文君，等. 納米材料的環(huán)境行為及其毒理學(xué)研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào), 2009, 4(2): 174-182

Bai W, Zhang C C, Jiang W J, et al. Progress in studies on environmental behaviors and toxicological effects of nanomaterials [J].Asian Journal of Ecotoxicology, 2009, 4(2): 174-182 (in Chinese)

[50] Tedesco S, Doyle H, Blasco J, et al. Exposure of the blue mussel,Mytilusedulis, to gold nanoparticles and the pro-oxidant menadione[J]. Comparative Biochemistry and Physiology Part C Toxicology and Pharmacology, 2010, 151(2): 167-174

[51] Hund-Rinke K, Simon M. Ecotoxic effect of photocatalytic active nanoparticles (TiO2) on algae and Daphnids [J]. Environmental Science and Pollution Research, 2006, 13(4): 225-232

[52] Matzke M, Jurkschat K, Backhaus T. Toxicity of differently sized and coated silver nanoparticles to the bacteriumPseudomonasputida: Risks for the aquatic environment?[J]. Ecotoxicology, 2014, 23: 818-829

[53] Coleman J G, Kennedy A J, Bednar A J, et al. Comparing the effects of nanosilver size and coating variations on bioavailability, internalization, and elimination, usingLumbriculusvariegatus[J]. Environmental Toxicology and Chemistry, 2013, 32(9): 2069-2077

[54] 張寧. 人工納米材料對(duì)藻類的生物效應(yīng)研究[D]. 天津: 天津理工大學(xué), 2011: 16-19

Zhang N. Biological effects of artificial nanomaterials on alga [D]. Tianjin: Tianjin University of Technology, 2011: 16-19 (in Chinese)

[55] 牟鳳偉. 不同類型的碳納米管對(duì)斜生柵藻的毒性效應(yīng)研究[D]. 長(zhǎng)沙: 中南林業(yè)科技大學(xué), 2013 : 43-44

Mou F W. The toxicity effects of different types of CNTs onScenedesmusobliquus[D]. Changsha: Central South University of Forestry and Technology, 2013: 43-44 (in Chinese)

[56] Manier N, Bado-Nilles A, Delalain P, et al. Ecotoxicity of non-aged and aged CeO2nanomaterials towards freshwater microalgae [J]. Environmental Pollution, 2013, 180(3): 63-70

[57] 汪靜, 劉婭琛, 曲冰, 等. 金屬納米顆粒對(duì)蛋白核小球藻生長(zhǎng)活性的影響[J]. 大連海洋大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 26(5): 386-390

Wang J, Liu Y C, Qu B, et al. The effect of the metal nanoparticles (Fe/Ni) on growth in algaChlorellapyrenoidosa[J]. Journal of Dalian Ocean University, 2011, 26(5): 386-390 (in Chinese)

[58] Xie B, Xu Z, Guo W, et al. Impact of natural organic matter on the physicochemical properties of aqueous C60 nanoparticles [J]. Environmental Science and Technology, 2008, 42(8): 2853-2859

[59] Lamelas C, Slaveykova V I. Comparison of Cd(II), Cu(II), and Pb(II) biouptake by green algae in the presence of humic acid [J]. Environmental Science and Technology, 2007, 41(11): 4172-4178

[60] Sun P, Shijirbaatar A, Jing F, et al. Distinguishable transport behavior of zinc oxide nanoparticles in silica sand and soil columns[J]. Science of the Total Environment, 2015, 505: 189-198

[61] 雷靜靜，馮佳，謝樹(shù)蓮. 納米氧化鎳對(duì)3種綠藻的毒性效應(yīng)[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2013, 33(10): 1842-1849

Lei J J, Feng J, Xie S L. Toxic effects of nNiO on three species of green algae [J]. China Environmental Science, 2013, 33(10): 1842-1849 (in Chinese)

[62] 胡冰，王華，張冬冬，等. 納米TiO2和Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)對(duì)小球藻和新月菱形藻的毒性研究[J]. 大連海洋大學(xué)學(xué)報(bào), 2015(5): 489-493

Hu B, Wang H, Zhang D D, et al. Toxicity of TiO2nanoparticles, Cu(Ⅱ) and Zn(Ⅱ) toChlorellasp. andNitzschiaclosterium[J]. Journal of Dalian Ocean University, 2015(5): 489-493 (in Chinese)

[63] Klaine S J, Alvarez P J J, Batley G E, et al. Nanomaterials in the environment: Behavior, fate, bioavailbility and effects[J]. Environmental Toxicology and Chemistry, 2008, 27(9): 1825-1851

[64] Vogelsberger W, Schmidt J, Roelofs F. Dissolution kinetics of oxidic nanoparticles: The observation of an unusual behaviour [J]. Colloids and Surfaces A Physicochemical and Engineering Aspects, 2008, 324(1-3): 51-57

[65] Miao A J, Schwehr K A, Xu C, et al. The algal toxicity of silver engineered nanoparticles and detoxification by exopolymeric substances [J]. Environmental Pollution, 2009, 157(11): 3034-3041

[66] Saison C, Perreault F, Daigle J C, et al. Effect of core-shell copper oxide nanoparticles on cell culture morphology and photosynthesis (photosystem II energy distribution) in the green alga,Chlamydomonasreinhardtii[J]. Aquatic Toxicology, 2010, 96(2): 109-114

[67] Navarro E, Piccapietra F, Wagner B, et al. Toxicity of silver nanoparticles toChlamydomonasreinhardtii[J]. Environmental Science and Technology, 2008, 42(23): 8959-8964

[68] 王震宇，趙建，李娜，等. 人工納米顆粒對(duì)水生生物的毒性效應(yīng)及其機(jī)制研究進(jìn)展[J]. 環(huán)境科學(xué), 2010, 31(6): 1409-1418

Wang Z Y, Zhao J, Li N, et al. Review of ecotoxicity and mechanism of engineered nanoparticles to aquatic organisms [J]. Environmental Science, 2010, 31(6): 1049-1418 (in Chinese)

[69] Xia T, Kovochich M, Liong M, et al. Cationic polystyrene nanosphere toxicity depends on cell-specific endocytic and mitochondrial injury pathways [J]. ACS Nano, 2008, 2(1): 85-96

[70] 馬菲菲，孫雪梅，韓倩，等. 不同粒徑TiO2顆粒對(duì)海洋微藻的毒性效應(yīng)[J]. 海洋學(xué)報(bào), 2015, 37(10): 100-105

Ma F F, Sun X M, Han Q, et al. Toxic effects of TiO2particles with different size on the marine microalga [J]. Haiyang Xuebao, 2015, 37(10): 100-105 (in Chinese)

[71] Wang J, Zhang X, Chen Y, et al. Toxicity assessment of manufactured nanomaterials using the unicellular green algaChlamydomonasreinhardtii[J]. Chemosphere, 2008, 73(7): 1121-1128

[72] Fabienne S, Bucheli T D, Lukhele L P, et al. Are carbon nanotube effects on green algae caused by shading and agglomeration?[J]. Environmental Science and Technology, 2011, 45(14): 6136-6144

[73] Lin S, Bhattacharya P, Rajapakse N C, et al. Effects of quantum dots adsorption on algal photosynthesis [J]. Journal of Physical Chemistry C, 2009, 113(25): 10962-10966