納米材料對浮游生物的毒性效應(yīng)研究進展

金揚湖，周 超

(國家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心，浙江舟山 316022)

納米材料（nanoparticles，簡稱NPs）指天然或者人工制造的、三維尺寸上至少有一維大小為納米尺寸的材料，NPs 具備量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)以及宏觀量子隧道效應(yīng)等特異效應(yīng)[1]。NPs 在相關(guān)的產(chǎn)品合成的方法愈加完善，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、光電器件、環(huán)境保護、生物催化、化妝品、生物能源、化工材料等領(lǐng)域[2,3]。

NPs 在消費品中使用量逐年攀升，導(dǎo)致工業(yè)化合成的NPs 無可避免地被排入環(huán)境，并通過大氣、土壤、水體中進行遷移、轉(zhuǎn)化[4]。由于尺寸小，NPs 進入水體極易發(fā)生團聚、沉降，易被水體底棲生物吞食，隨著食物鏈向高營養(yǎng)級生物富集，可能威脅人體健康。因此其水環(huán)境安全效應(yīng)評估日益引起人們重視[5]。

浮游生物位水體中無或弱自主移動能力的漂流生物，僅可浮于水面或近水面并隨水流移動，廣布于湖泊、河流及海域等水域，主要通過濾食來獲得供給生命活動的能量。浮游生物因繁殖速率快、食源單一及水體食物網(wǎng)中承上啟下的地位，常作生態(tài)毒理學(xué)實驗指示生物[6]。目前，相關(guān)NPs 對水體浮游生物的毒性效應(yīng)已成為研究熱點。本文通過歸納國內(nèi)外研究，重點闡述NPs 于水環(huán)境單獨作用的毒性效應(yīng)，并綜合論述NPs 與水體其他污染物的聯(lián)合毒性，分析了NPs 對水體產(chǎn)生毒性效應(yīng)的影響機制，為合理治理水環(huán)境NPs污染提供科學(xué)依據(jù)，以期為NPs 污染治理提供技術(shù)支撐。

1 納米材料在水環(huán)境中的行為

NPs 進入水體的量隨著應(yīng)用面增廣而增大，例如相關(guān)的產(chǎn)品經(jīng)洗滌、廢棄及相關(guān)納米物質(zhì)傳遞等方式進入水環(huán)境。含NPs 的滲濾液經(jīng)過廢水廠處理后，仍然會進入自然水體并隨著遷移及雨水徑流[7]。NPs 于環(huán)境中穩(wěn)定存在，長期作用會抑制水體中水藻、水蚤、經(jīng)濟魚類等的生長[8]。

納米顆粒在水中的團聚、沉降行為是影響其生態(tài)環(huán)境風(fēng)險的重要因素[9]。NPs 受自身性質(zhì)限制，因形態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易降解，通過范德華力、靜電力等與水體內(nèi)離子、有機體、無機體及等發(fā)生相互作用，引起分散或團聚，進而影響自身形態(tài)與性質(zhì)的變化[10]。且其自身尺寸越大，越有利于沉降；尺寸越小，濃度越大，越有利于團聚[11]。

NPs 由于比表面積較大、表面化學(xué)能高，顆粒會自發(fā)地團聚到一起，使自身的表面積和自由能降低，趨于穩(wěn)定，發(fā)生自團聚。KHAN,et al[12]通過增大碳納米管粒徑，發(fā)現(xiàn)其在水體中范德華力明顯增強，團聚現(xiàn)象越明顯。AAL,et al[13]發(fā)現(xiàn)團聚將增加納米二氧化鈦在水生系統(tǒng)中的運輸和停留時間，停留時間增長使NPs更易于被水環(huán)境生物吸收，且表明NPs 的團聚行為對水體底棲生物造成較大危害。

沉降通常發(fā)生在NPs 團聚后，此時顆粒半徑和密度增加，在重力作用下富集于底部淤泥。而水體中pH 及離子濃度、具體組分能夠影響NPs 沉降。水體的電解質(zhì)濃度較高情況下，NPs 在臨近零點電荷點時狀態(tài)不穩(wěn)定，然而水環(huán)境中自然有機質(zhì)的吸附、腐植酸、水楊酸及檸檬酸逆轉(zhuǎn)NPs 表面電荷，會增強其穩(wěn)定性[14]。因此，為了更好地研究水環(huán)境中NPs 毒性效應(yīng)，還需要進一步了解NPs 所在的水環(huán)境影響因素（pH、金屬離子濃度以及海水具體組分等）。

2 納米材料在食物鏈中的傳遞

目前研究表明，NPs 形態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，進入水環(huán)境之后難以被生物消化利用，可以和生物細胞內(nèi)蛋白結(jié)合或通過食物鏈在生物體內(nèi)累積，富集的機制主要有：（1）特殊的食物鏈，部分生物接觸NPs 幾率較大，它所處的食物鏈富集程度也就更高；（2）部分金屬NPs 會通過釋放離子的方式在水體生物體內(nèi)富集。（3）水體理化性質(zhì)一定程度上影響生物對NPs 的攝入及富集[15]。

低營養(yǎng)級生物攝入NPs，隨著食物鏈向高營養(yǎng)級生物富集，部分NPs 繼續(xù)向更高營養(yǎng)級生物富集，另一部分隨排泄行為重新被低營養(yǎng)級生物攝入。CHOWDHURY,et al[16]通過對氧化石墨烯進行光照處理，其比表面積增大，更容易進入生物體內(nèi)，產(chǎn)生毒理作用。水體pH 改變，會使NPs 附帶上電荷，更容易吸附在生物體表[17]。QUIGG,et al[18]發(fā)現(xiàn)暴露于富含NPs 的水體的生物體內(nèi)NPs 含量明顯高于攝食[19]，攝入的納米材料可穿過高營養(yǎng)級生物各個組織膜，于生物各個器官內(nèi)不斷富集，進而影響高營養(yǎng)級生物的生理行為及生長繁殖。

同時多數(shù)研究證明NPs 通過水體食物鏈遷移、轉(zhuǎn)化的過程顯著影響到各營養(yǎng)級生物，并且這種效應(yīng)隨著NPs 粒徑不斷減小而不斷增大。NPs 在不同食物鏈中積累與傳遞，最終可能進入人體，影響人體健康。因此，關(guān)于納米材料通過食物鏈的遷移、轉(zhuǎn)化已逐步成為國內(nèi)外的研究熱點。

3 納米材料對浮游生物毒性研究

NPs 對浮游生物生態(tài)毒性相關(guān)研究還不全面，目前NPs 可能的作用機制：（1）吸附在有機體表面，干擾其生命活動，減弱其攝食能力；（2）進入水體各種生物體內(nèi)正常健康細胞中，引起各種生物細胞功能的自我調(diào)節(jié)，如發(fā)生氧化應(yīng)激、細胞本身或細胞器膜的損傷以及活細胞長期暴露在NPs 下而產(chǎn)生的基因毒性，產(chǎn)生更大的毒性效應(yīng)[2]。

研究表明，NPs 形態(tài)結(jié)構(gòu)不同，浮游生物產(chǎn)生的毒性效應(yīng)亦存在一定的差異[20]。因此NPs 毒性效應(yīng)評估需考慮NPs 類別、形體結(jié)構(gòu)以及浮游生物自身耐受性。本文從藻類、蚤類、輪蟲、鹵蟲、細菌等浮游生物類別角度對NPs 的毒性效應(yīng)進行歸類闡述：

3.1 藻類

藻類是原生真核生物，大量存在于海水環(huán)境和內(nèi)陸淡水水域，是水體中的初級生產(chǎn)者。藻細胞由于具有堅硬細胞壁，可阻止一般毒性物質(zhì)進入細胞，而NPs 顆粒直徑小于細胞壁孔徑，可穿透藻細胞，納米銀、納米二氧化鈦、納米鎳、納米氧化銅等NPs 已應(yīng)用于藻類毒理學(xué)研究，目前研究發(fā)現(xiàn)NPs 對藻類可能存在的毒性影響機制有兩種：(1)NPs 于藻類表面富集，抑制葉綠體光合作用，主要表現(xiàn)在細小裸藻Euglena gracilis、銅綠微囊藻Microcystis aeruginosa、小球藻Chlorella vulgaris、少根浮萍Lemna gibba等微藻中[21-24]。YUE Yang,et al[21]研究發(fā)現(xiàn)納米銀聚集并附著在細小裸藻表面，不進入藻細胞，與細胞外蛋白結(jié)合，抑制酶活性，從而影響光合作用；GONG Ning,et al[22]研究發(fā)現(xiàn)納米氧化銅會降低小球藻細胞葉綠素含量。(2)NPs進入藻類細胞，穿透細胞壁進入藻細胞后，通常以損傷藻類細胞器官或破壞DNA、促進活性氧生成、等方式抑制藻類的生長，主要體現(xiàn)在膨脹浮萍Lemna gibba、萊茵衣藻Chiamydomonas reinhardti、綠藻、亞心形扁藻Platymonas subcordiformin等中[25-28]。有研究表明納米鈷等[27,29]金屬NPs 通過釋放金屬離子來破壞細胞膜、細胞骨架等細胞器功能影響藻類光合作用。如表1 為近年來納米材料對藻類毒性效應(yīng)的研究成果。

表1 納米材料對藻類的毒性效應(yīng)研究Tab.1 Research on toxicity effects of nanomaterials on algae in recent years

3.2 水蚤類

水蚤屬于甲殼綱，廣泛存在于湖泊、河流及海洋中，大規(guī)模培養(yǎng)簡便，可高效吸收浮游動植物及原核生物等的養(yǎng)分，營養(yǎng)豐富、適口性強、體形合適，常作為某些經(jīng)濟魚類魚苗飼養(yǎng)的開口餌料[32-33]，也作海洋生態(tài)毒理試驗的模式生物[34-35]。

已有研究發(fā)現(xiàn)，NPs 可在水蚤體內(nèi)積累，影響到水蚤的生理行為，干擾其生殖循環(huán)，且研究評估暴露于納米二氧化鈦中的水蚤半數(shù)致死濃度，發(fā)現(xiàn)納米顆粒粒徑越大,毒性越小[36]。CHOI,et al[37]發(fā)現(xiàn)納米塑料微球等通過攝入或者通過細胞膜進入水蚤體內(nèi)，因此可能存在的毒理機制：NPs 誘導(dǎo)水蚤產(chǎn)生自由基、抑制相關(guān)酶的活性，致使水蚤受氧化損傷[38-39]；部分NPs 如碳納米管、納米二氧化鈦等進入水體后附著在水蚤體表，隨附著的納米材料量增加，會影響到呼吸、運動及產(chǎn)卵等生理活動[40-42]。

如表2 為近年來納米材料對水蚤類毒性效應(yīng)的研究成果。

表2 納米材料對水蚤類的毒性效應(yīng)研究Tab.2 Research ontoxicity effects of nanomaterials on Daphnia in recent years

3.3 輪蟲

輪蟲的結(jié)構(gòu)簡單、繁殖速率快，常作為經(jīng)濟魚蝦重要的開口餌料，在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中有著舉足輕重的地位。作為浮游生物的重要組成部分，對環(huán)境污染物敏感程度高，已作為一種水體生態(tài)毒理試驗?zāi)Ｊ轿锓N[43]。目前毒理學(xué)研究主要用的輪蟲物種為褶皺臂尾輪蟲Brachionus plicatilis及圓形臂尾輪蟲B.rotundiformis。

納米材料對輪蟲毒性主要作用機理：輪蟲可以主動快速攝入NPs，但無法分解納米聚苯乙烯、納米二氧化鈦等納米材料。納米于輪蟲體內(nèi)（消化道等）聚集后，阻止對必須營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。MANFRA,et al[44]發(fā)現(xiàn)納米聚苯乙烯會對輪蟲幼體產(chǎn)生毒害作用。目前NPs 對輪蟲主要的毒性作用機理可能是引導(dǎo)致生長速率降低、繁殖力降低、壽命縮短和生殖時間延長[45]，引起輪蟲生理活性降低、細胞器損傷，喪失某些正常機能。

如表3 為近年來納米材料對輪蟲類毒性效應(yīng)的研究成果。

表3 納米材料對輪蟲的毒性效應(yīng)研究Tab.3 Research on the toxicity effect of nanomaterials on rotifers in recent years

3.4 鹵蟲

鹵蟲Artemia salina 是廣鹽性水生生物，雜食，廣布于海洋、內(nèi)陸鹽湖等高鹽度水域，因含豐富蛋白質(zhì)、氨基酸等，鹵蟲無節(jié)幼蟲和卵是養(yǎng)殖業(yè)中重要的動物性餌料[48-49]。鹵蟲繁殖周期短暫、對生活環(huán)境條件改變適應(yīng)能力強，在實驗室內(nèi)可對鹵蟲大量培養(yǎng)，常作生態(tài)毒理學(xué)的參考生物模型[50]。

研究發(fā)現(xiàn)，鹵蟲在長期暴露在納米二氧化鈦、納米銀等NPs 下，腸道等消化器官負載[51]，導(dǎo)致氧化應(yīng)激效應(yīng)累積，超氧化物歧化酶、過氧化氫酶等氧化應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)的酶活性顯著降低，部分NPs 如納米塑料會吸附幼蟲體表，影響鹵蟲生長發(fā)育[52-53]。GAMBARDELLA,et al[54]研究發(fā)現(xiàn)鹵蟲受納米二氧化錫及納米二氧化鈰脅迫后，攝食活動及移動能力受到抑制。如表4 為近年來納米材料對鹵蟲類毒性效應(yīng)的研究成果，研究發(fā)現(xiàn)鹵蟲納米毒性作用機理與水蚤類似。

表4 納米材料對鹵蟲的毒性效應(yīng)研究Tab.4 Research on the toxicity of nanomaterials to Artemia in recent years

3.5 細菌

自然界中存在大量的細菌，能分解某些無法被動植物利用的物質(zhì)，于自然界物質(zhì)和能量循環(huán)中扮演極重要的分解者角色。其繁殖周期短，對溫度、濕度及毒物等環(huán)境因素敏感，常作納米材料毒理試驗的試驗材料[55]。

目前對細菌納米毒性研究較少，納米材料對細菌可能的毒性作用機制為：納米顆粒于水環(huán)境釋放離子通過細胞壁間隙以及胞膜的離子通道進入細胞，破壞細胞膜通透性[56]，產(chǎn)生氧自由基[57]，引起功能蛋白損傷[58]，抑制細菌生長[12,59]，細菌遺傳物質(zhì)也會隨納米三氧化二鐵進入細菌細胞而被破壞[60]。如表5 為近年來納米材料對細菌類毒性效應(yīng)的研究成果。

表5 納米材料對細菌的毒性效應(yīng)研究Tab.5 Research on toxicity effects of nanomaterials on bacteria in recent years

由于浮游生物種類繁多，對NPs 檢測分析手段比較匱乏，因此目前NPs 對浮游生物的研究比較有限，其具體的作用機制亟需通過實驗進一步驗證。

4 納米材料與水體其他污染物聯(lián)合毒理作用研究

目前對于環(huán)境單一毒性物質(zhì)的毒理研究已經(jīng)無法滿足如今多種污染物毒性效應(yīng)評估，因此毒性物質(zhì)聯(lián)合毒理研究應(yīng)運而生，這是環(huán)境毒理研究研究不斷完善的結(jié)果，也是環(huán)境保護問題日漸嚴峻的迫切需求。

當(dāng)下關(guān)于納米材料毒理學(xué)研究大多側(cè)重于單一NPs 的毒性效應(yīng)，無法真實反應(yīng)NPs 真實環(huán)境中的毒性作用。通常NPs 顆粒被釋放到自然水體中，與水體中其他化學(xué)污染物物質(zhì)是共存的[57,61]。HUANG Bin,et al[27]發(fā)現(xiàn)納米銀結(jié)合納米三氧化二鐵或聚苯乙烯脅迫萊茵衣藻，納米三氧化二鐵通過吸附降低了銀離子的生物利用度，降低了納米銀對萊茵衣藻的毒性；ZHANG Cai,et al[28]發(fā)現(xiàn)納米銅與碳納米管對中肋骨條藻的聯(lián)合毒性，發(fā)現(xiàn)碳納米管可以減少納米銅在生長和光合作用過程中對微藻的毒性，但這種共存是否會帶來更大的毒害或者會相互遏制的研究還比較匱乏。

NPs 還受有機物的官能團、疏水性以及靜電引力影響，影響NPs 吸附的外部環(huán)境因素還包括水動力學(xué)、水體溫度及pH 等。并且共存的污染物可能會使NPs 性質(zhì)發(fā)生復(fù)雜而重大的變化，從而影響其毒性[62]。聯(lián)合效應(yīng)的可預(yù)測性對環(huán)境風(fēng)險評價具有重要意義，但NPs 與水體內(nèi)其他污染物的聯(lián)合效應(yīng)，以顆粒或者溶解的形式的聯(lián)合效應(yīng)的機理，由于目前相關(guān)研究較少，其毒理機制還待進一步研究。

5 展望

納米技術(shù)不斷發(fā)展，相應(yīng)的NPs 使用面愈加廣泛，其工業(yè)合成量日益提高，致使內(nèi)陸河湖、近海水體納米材料含量有明顯提高。綜合而言，學(xué)術(shù)界已經(jīng)意識到NPs 可能對土壤環(huán)境帶來影響，部分研究發(fā)現(xiàn)NPs 通過物理、化學(xué)、生物等途徑可能對水體浮游生物甚至對人體健康造成危害，而NPs 特性決定了對不同生物個體及細胞所產(chǎn)生的毒性效應(yīng)的作用機制都將有所不同，也提高了抑制NPs 對生態(tài)毒理的相關(guān)研究的難度。而NPs 具備的獨特性質(zhì)為其在水體生物食物網(wǎng)中富集提供了便利，而海洋生物作為人類日常蛋白質(zhì)來源，NPs 的富集難免對人體產(chǎn)生不利影響。而水體中NPs 難以降解，對人類健康、環(huán)境是一個亟待解決的問題。本文總結(jié)以往NPs 單獨作用及與其他污染物聯(lián)合毒理的研究結(jié)果，以期概括典型NPs 毒性作用機制，對如何治理湖河江及海洋污染提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。由于NPs 相關(guān)的研究起步較晚，仍處于探索積累階段，尚未形成完整的理論方法體系，未來可從以下幾方面開展深入研究：

（1）NPs 各類別之間形態(tài)結(jié)構(gòu)等有較大差異，因為種類眾多，所需研究時間較長，且NPs 水環(huán)境行為易受水體影響因子（pH、有機物等）影響。

（2）水體生物種類繁多，對多數(shù)生物還缺乏準(zhǔn)確的毒理試驗數(shù)據(jù)，因此對NPs 毒性作用機理研究還不夠完善。

（3）有關(guān)NPs 與其他污染物對浮游生物聯(lián)合毒理相關(guān)研究較少，因此無法對水體NPs 聯(lián)合毒理進行準(zhǔn)確評估。