納米材料對底棲動物的毒性效應研究進展

張盼紅，龐成芳，趙斌

1. 陜西省水利電力勘測設計研究院，西安 710001 2. 丹麥科技大學環境科學與工程學院，丹麥 靈比 2800 3. 中國科學院生態環境研究中心，北京 100085 4. 中國科學院大學，北京 100864

納米技術是20世紀末發展起來的具有交叉性、前沿性特征的新興技術。根據歐盟委員會2014年對納米材料定義的修訂，納米材料(nanomaterials, NM)是一種由一個或多個三維尺寸在1～100 nm之間的基本顆粒組成的粉狀或團狀天然或人工材料，并且這一基本顆粒的總數量在整個材料的所有顆?？倲抵姓?0%以上[1]。人工納米材料(engineered nanomaterials, ENM)是指至少在一個幾何面上的關鍵尺寸<100 nm，并具有高度均勻性的材料，特別是指以應用為目的的人工制造出來的產品，包括納米顆粒、納米管、納米線和富勒烯與其衍生物等納米尺度材料[2-3]。人工納米材料作為納米材料的主要部分，它的小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應，使其具有超高的機械、催化、光學和導電性能[4]。而這些特殊的性能使得ENM被廣泛地應用于各種領域，比如生物醫學、能源、化妝品、信息技術、有機反應和環境修復等[2,5-7]。根據Nano Database統計數據可知，當前全球約有4 426種納米產品[8]。ENM的大量生產和廣泛應用，導致ENM將不可避免地通過工業廢水排放、消費以及運輸等途徑釋放到大氣、土壤和水體環境中。而其中，水環境是最易受污染的系統之一，一旦ENM進入到水體，它們會經過一系列的轉化，比如溶解和聚集，最終沉降在底泥中，并對底棲動物產生毒性效應[9-10]，納米材料在環境中的轉化具體如圖1所示。ENM根據其化學組成可以分為碳基納米材料(包括富勒烯、碳納米管和石墨烯)、納米顆粒(包括各種金屬納米顆粒、金屬氧化物納米顆粒)、半導體晶體納米材料(CdSe、CdTe和ZnSe等)、納米粒子零價金屬(Fe0等)和樹突狀聚合物[11]。目前，關于ENM對底棲動物的毒性效應研究集中于碳基納米材料和納米顆粒這2類。本文通過對以上2種類型的ENM對底棲動物的毒性效應研究成果進行總結與歸納，展望了ENM對底棲動物生態毒理效應研究領域的發展方向。

1 碳基納米材料對底棲動物的毒性和累積效應(The toxicity and bioaccumulation of carbon-based nanomaterials on benthic invertebrates)

碳基納米材料主要包括富勒烯(C60)、碳納米管(carbon nanotube)和石墨烯(graphene)。其基本組成結構都是sp2雜化碳原子組成的六元環或五元環。由于其具有質量輕、強度高、導電性強和吸附性強等特點，目前已被廣泛應用在電子、光電、生物醫學、制藥、化妝品、涂料和環境修復等領域，其潛在的毒性效應也逐漸引起了人們的關注，尤其對底棲生物的影響被認為是其中最重要的影響之一。

1.1 富勒烯單體

富勒烯單體是一個由多個碳原子構成的石墨球，最常見的是由60個碳原子構成的，因此，富勒烯也稱為C60。已有研究表明，暴露于底泥中的C60可對底棲動物產生一定的毒性效應。Pakarinen等[12]研究發現，夾雜帶絲蚓(Lumbriculusvariegatus)暴露于底泥中劑量為10 mg·kg-1(底泥干重)和50 mg·kg-1(底泥干重)的納米C60后28 d，其攝食減緩率；高濃度的C60還可以減緩其排泄速率，導致C60在腸道內殘留，并引起16%的角質層外皮纖維脫落，但是并未對其筑穴行為、繁殖和生存率產生影響。Cabral[13]研究發現，在含劑量為25、30、100和150 mg·kg-1(底泥干重)的納米C60的人工底泥中暴露28 d，L.variegatus的種群生長速率以及種群數顯著減小，這與Wang等[14]的研究結論一致。Cabral[13]進一步研究發現，在同樣的暴露劑量和時間下，經[6,6]苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)修飾的C60-PCBM并未影響L.variegatus的生長速率及種群數，這說明，化學修飾可以降低C60生物毒性。此外，Waissi-Leinonen等[15]比較了納米C60在不同處理劑量下對搖蚊蟲(Chironomusriparius)的毒性差異，發現底泥中低劑量鐘狀的納米C60(0.0025～20 mg·kg-1(底泥干重))暴露10 d后，能顯著影響C.riparius幼蟲的生長速率，并且呈現劑量依賴的方式；然而高濃度(20～ 80 mg·kg-1(底泥干重))納米C60的暴露并未影響其生長速率和生存率；值得注意的是，0.5 mg·kg-1(底泥干重)的C60暴露42 d后，可以顯著減少C.riparius的生物量，原因可能是納米C60與底泥顆粒相互作用發生聚集，改變了其原始尺寸。Waissi等[16]研究了劑量分別為0.5、10和40 mg·kg-1(底泥干重)的納米C60對L.variegatu的毒性效應。結果表明，于底泥中的C60暴露10 d，L.variegatus幼蟲的繁殖率受到影響，雌性L.variegatus的出生率被延緩，導致L.variegatus繁殖能力受損。進一步研究發現，C60不會減緩L.variegatus下一代的生長率。

圖1 底棲無脊椎動物對納米材料的敏感性Fig. 1 The sensitivity of benthic invertebrates to nanomaterials

以上研究結果說明，納米C60對底棲動物的毒性大小不僅與納米顆粒的數量、濃度和暴露時間有關，還有可能和其在底泥中的聚集程度等因素有關。其總體趨勢是納米材料聚合物尺寸越小，毒性越大；反之毒性越小。

1.2 碳納米管

碳納米管是由碳原子形成的石墨烯片層卷成的無縫、中空的管體。由于其水溶性較差，在水環境中碳納米管通常會吸附一些有機物、懸浮物及其他納米顆粒，最終以團聚物的形式存在于底泥中，在范德華力等作用力下呈現出無規則的布朗運動，從而對生物造成損傷。Petersen等[17]的研究表明，單壁碳納米管(SWCNT)(0.03 mg·g-1)和多壁碳納米管(MWCNT)(0.3 mg·g-1)均僅在L.variegatus腸道內殘留，說明碳納米管并未穿透腸道進入生物體內其他組織中。對于SWCNT，Galloway等[18]使用經濟合作與發展組織/美國材料實驗協會發布的OECD/ASTM 1990方法研究了其對沙蠋(Arenicolamarina)的急性毒性，發現A.marina暴露于底泥中低劑量的SWCNT(0.003～0.03 g·kg-1)10 d，SWCNT并未在體內累積，很有可能依舊存在于底泥中；作者進一步研究了其對A.marina筑穴行為的影響，指出即使是在濃度0.03 g·kg-1下，SWCNT也并未影響A.marina筑穴行為。這說明，底棲動物對SWCNT有較高的生物耐受性。Velzeboer等[19]發現，將底棲動物暴露在底泥中的MWCNT(0.002～2 g·kg-1)15個月后，其群落結構發生了改變，說明MWCNT在長期暴露的條件下，可對生物群落結構產生影響。Marta等[20]比較了幾種納米材料對線蟲(Caenorhabditiselegans)的毒性效應，結果表明，在相同的暴露條件下，MWCNT比納米銀(Ag-NP)毒性更小，具體表現為MWCNT不會對C.elegans的種群數量產生影響，但Ag-NP會對C.elegans的種群數量產生影響。

1.3 氧化石墨烯

氧化石墨烯(GO)是一種具有極高抗菌活性的新型二維碳納米材料，由氧化石墨經超聲或熱剝離得到，其片層上分布有羥基、環氧官能團、羰基和羧基等含氧官能團。毒理學研究證明，GO可以對底棲生物造成明顯的不利影響。Zhang等[21]將底棲無脊椎動物顫蚓(T.tubifex)暴露在底泥中的GO(20 μg·g-1(底泥干重)和180 μg·g-1(底泥干重))5 d后，發現GO可以損害底棲無脊椎動物T.tubifex的筑穴行為，對其生存率只有輕微的影響。這說明，行為影響，尤其是對筑穴行為的影響是這一模式生物較為敏感的毒性指標。Castro等[22]研究了GO的納米生態毒性，發現GO會對一些無脊椎動物產生慢性毒性；而且，腐殖酸可以增大GO的毒性，具體表現在可以影響甲殼類動物的生長速率、C.elegans的繁殖速率。

綜上所述，碳基納米材料對底棲動物的毒性研究還相對較少，再加上研究過程中選擇的評價指標、暴露濃度、環境因素和納米顆粒的聚集程度等因素不同，很難將已有的研究結果做比較歸納。但是上述研究也證明了碳基納米材料對底棲動物存在潛在的毒性，具體表現為可影響底棲動物的生長發育、筑穴行為、生存率及群落結構和數量。

2 金屬納米顆粒對底棲動物的毒性和累積效應(The toxicity and bioaccumulation of metal nanoparticles on benthic invertebrates)

相比于碳基納米材料，納米金屬顆粒和納米金屬氧化物對底棲動物的生態毒性研究較多。常見的納米金屬顆粒有納米銀、納米金、納米鋅和納米銅等；納米金屬氧化物有納米氧化銅、納米氧化鋅、納米三氧化二鋁、納米二氧化鈦和納米二氧化硅等。

2.1 金屬納米顆粒的毒性效應

2.1.1 納米金屬顆粒

Buffet等[23]研究了Ag-NP的生物累積和毒性作用，結果表明，沙蠶(Nereishediste)和淺溝蛤(Scrobiculariaplana)暴露于底泥中劑量為1～50 μg·g-1(底泥干重)的Ag-NP 10 d后，Ag-NP在體內累積，并損傷其筑穴行為，破壞溶酶體膜的穩定性，引起DNA損傷，這與Cong等[24]和Wang等[25]的研究結果一致。同樣，Carrazco-Quevedo等[26]研究了Ag-NP在悉尼巖牡蠣(Saccostreaglomerata)體內的生物累積和毒性作用，發現Ag-NP能夠引起S.glomerata的DNA損傷；高濃度Ag-NP易聚集在S.glomerata生物體的鰓部位，而低濃度的Ag-NP易聚集在其消化腺中；原因是S.glomerata的鰓可以過濾人工海水(ASW)中較大的Ag-NP團聚體，阻礙納米顆粒進入消化腺。Tangaa等[27]同樣揭示了Ag-NP的生物累積和毒性效應，發現在底泥中的Ag-NP(0.4～482 nmol·g-1(底泥干重))暴露5～8 h后，Ag-NP均可在T.tubifex體內累積，暴露濃度越高，累積量越多，但均未損害其筑穴行為。對于C.elegans，Kleiven等[28]研究發現，Ag-NP可影響C.elegans的生長速率、新陳代謝以及繁殖率，其中，繁殖率是這一模式生物最敏感的毒性指標之一；同時發現在暴露濃度范圍內Ag-NP均可在C.elegans體內累積，并呈現劑量依賴的方式。An等[29]研究了Ag-NP顆粒和Ag-NWs納米線對鹵蟲無節幼體(Artemiasalina)的急性毒性和細胞毒性，結果表明，Ag-NP和Ag-NWs對A.salina的72 h-EC50和72 h-EC10值分別為(1.48±0.6) mg·L-1和(10.70±1.3) mg·L-1、(0.03±0.02) mg·L-1和(0.43±0.04) mg·L-1；同時引發活性氧(ROS)的形成，降低超氧化物歧化酶的活性。Luo等[30]研究了暴露于底泥中的Ag-NP的生態毒性，研究發現，Ag-NP尺寸越小，越易在生物體內累積，毒性越大；同時發現100 μg·g-1(底泥干重)的Ag-NP可以通過食物鏈從低營養級轉移到高營養級生物體內，并且引起C.elegans的基因損傷。Lüderwald等[31]研究了TiO2-NP和Ag-NP對底棲模式生物鉤蝦(Gammarusfossarum)的影響，實驗數據表明，于劑量為4 mg·L-1的TiO2-NP和0.125 mg·L-1的Ag-NP中暴露30 d后，均可影響G.fossarum的食物消耗速率、糞便生產量、能量吸收速率以及生理適應度。

在分子水平上，Bao等[32]研究發現，于Ag-NP(1、10和100 μg·g-1)暴露14 d，銅銹環棱螺(Bellamyaaeruginosa)體內不同組織包括肝胰腺、生殖腺和消化道中累積了Ag-NP，其中，Ag-NP最易在肝胰腺中累積，同時，還可對B.aeruginosa產生氧化脅迫。近期，Echavarri-Bravo等[33]發現，暴露劑量<6 mg·kg-1(底泥干重)的Ag-NP會對底棲微生物群落功能產生短暫性影響，但長期暴露不會對其功能產生影響，說明長期暴露下，細菌群落對Ag-NP產生了抗性。需要指出的是，Pamela等[34]研究發現，Ag-NP可以減少底棲微生物的生物量，但這與Jiang等[35]的研究結論不一致，Jiang等[35]研究發現，底泥中10～20 μg·kg-1(底泥干重)的Ag-NP暴露并未降低微生物的生物量和生物多樣性，究其原因主要是納米顆粒本身性質和環境因素的不同導致研究結果的差異性。針對修飾過的Ag-NP顆粒，Liu等[36]研究發現，聚乙烯呲咯烷酮修飾的納米銀(PVP-Ag-NP)可以沉降在底泥中，并對淡水雙殼類動物河蜆(Corbiculafluminea)產生生物累積和毒性效應，其研究結果表明， 100～2 000 μg·L-1劑量的PVP-Ag-NP可以在C.fluminea體內組織和外殼上累積，并呈現濃度依賴方式，同時引發C.fluminea體內氧化脅迫作用以及生理損傷效應，但對其生存率沒有產生影響，說明納米顆粒容易損傷生物體細胞，引發細胞毒性。Park等[37]發現Ag-NP可以影響C.riparius的發育和繁殖，但經過聚乙烯呲咯烷酮(PVP)和檸檬酸(citrate)等化學修飾的Ag-NP可以減緩其對C.riparius的毒性效應。Ag-NP還可以減少C.riparius的生物量，并且更改了其后代雌雄比率[38]；同樣，經過PVP化學修飾的Ag-NP可以減弱其對C.elegans的毒性[39]。Ale等[40]研究了nanArgenTM(一種能產生AgNP的消費品)對紫貽貝(Mytilusgalloprovincialis)的生物累積和毒性效應。結果表明，暴露劑量為1 μg·L-1和10 μg·L-1的nanArgenTM可以在M.galloprovincialis體內的軟組織中累積，并且呈現濃度依賴的方式；同時會損傷溶酶體膜的穩定性、金屬硫蛋白(MT)蛋白含量和基因表達(mt10和mt20)、谷胱甘肽-S-轉移酶(GST)活性，增加丙二醛(MDA)在消化腺中的積累，降低三磷酸腺苷結合盒轉運蛋白(ABC)的外排活性。

相比于Ag-NP，近幾年對納米金(Au-NP)、納米銅唑(MCA)的生態效應研究還相對較少。Zhang等[21]將T.tubifex暴露在Au-NP(10 μg·g-1(底泥干重)和60 μg·g-1(底泥干重))5 d后發現，10 μg·g-1(底泥干重)和60 μg·g-1(底泥干重)的Au-NP會在T.tubifex體內累積，并且呈劑量依賴的方式，同時損害T.tubifex的筑穴行為，但未對其生存率產生影響。在分子水平上，Pan等[41]評估了S.plana在Au-NP暴露下的氧化應激反應，結果發現，Au-NP對S.plana產生了氧化脅迫，可誘導金屬硫蛋白，且增加了過氧化氫酶、超氧化物歧化酶和谷胱甘肽S-轉移酶的活性。對于端足類動物和靜水螺類，Hudson等[42]研究發現，0、100和500 μg·L-1劑量的Au-NP極易在水溶液中沉降，并在端足類動物和靜水螺類生物體內累積，同時還發現Au-NP在食物鏈中具有生物放大作用，推測Au-NP最終對高營養級生物的健康造成一定程度的威脅。對于新型的納米材料MCA，Kay等[43]研究了MCA對單一底棲動物和底棲動物群落的影響，研究發現，MCA對底棲動物糖蝦(mysid,Americamysisbahia)和端足類(amphipod,Ampeliscaabdita)的半致死劑量分別為>2 400 mg·kg-1(底泥干重)和526 mg·kg-1(底泥干重)，對大型底棲動物群落(多毛類Polychates、雙殼類bivalves、介型亞綱動物Ostracods)和中型底棲動物群落(主要為C.elegans)半致死劑量<526 mg·kg-1(底泥干重)。

以上研究結果表明，納米金屬顆粒可以在底棲生物體內累積，同時在機體宏觀和微觀方面都會產生不同程度毒性效應。目前，被廣泛認可的毒性機理主要是金屬離子釋放以及納米材料的小尺寸效應。

2.1.2 納米金屬氧化物

近幾年納米氧化銅(CuO-NP)對底棲動物的生態毒性已得到廣泛研究。Thit等[44]研究發現，于底泥中CuO-NP(7、10和70 μg·g-1)暴露10 d后，可以在沙蠶(Nereis(Hediste)diversicolor)體內累積，并且呈現濃度依賴的方式。Pang等[45-46]研究了CuO-NP暴露8周后對淡水螺(Potamopyrgusantipodarum)的毒性效應，結果表明，30～240 μg·g-1(底泥干重)的CuO-NP可以在P.antipodarum生物體內累積，還可以顯著地影響其攝食率、生長率和發育繁殖率，并呈現出濃度依賴的方式，但未對其生存率產生影響，該作者還將另一種底棲動物海蛤(Macomabalthica)暴露于含150～200 μg·g-1(底泥干重)CuO-NP的底泥中35 d后，發現CuO-NP可以在其體內累積，但對M.balthica的筑穴行為和生存率沒有產生影響[16]。近期，Ma等[47]研究了劑量為180 μg·g-1(底泥干重)的CuO-NP暴露7、14和28 d對B.aeruginosa的生物累積和毒性效應，發現CuO-NP易在生物的肝胰腺、性腺中累積，引發氧化應激反應，并且其毒性隨著暴露時間增加而變大。此外，王萌等[48]研究了腐殖酸作用下沉積物中的CuO-NP對B.aeruginosa的生態毒性，結果表明，在低濃度CuO-NPs處理組(60 μg·g-1Cu)，沉積物中腐殖酸水平對Cu的生物累積以及對能量生物標志物Na+K+-ATPase、超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活性均沒有顯著影響。在中、高濃度CuO-NPs處理組(180 μg·g-1)的生物積累均隨腐殖酸水平的增加而顯著升高；肝胰臟ATP酶活性隨腐殖酸水平的增加而顯著下降；當腐殖酸水平為0.05 μg·g-1時，超氧化物歧化酶活性顯著高于未添加腐殖酸組，表現為顯著誘導；當腐殖酸水平為0.1 μg·g-1時，超氧化物歧化酶活性開始下降，并具有濃度依賴性；隨腐殖酸水平的增加，肝胰臟過氧化氫酶活性總體上表現為濃度依賴性顯著下降。由于沉積物中腐殖酸的存在，CuO-NPs在沉積物中的分散穩定性顯著增加，更容易被B.aeruginosa攝取，進一步增強對B.aeruginosa的生態毒性。以上研究結果說明，納米金屬氧化物易在底棲動物體內累積，并產生潛在的毒性效應。Lammel等[49]研究了底泥中的CuO-NP在食物鏈中的轉移規律，研究發現，100 μg·g-1CuO-NP可以顯著提高T.tubifex體內金屬硫蛋白的水平，三刺魚(Gasterosteusaculeatus)通過攝食T.tubifex可以顯著增加其體內Cu離子的含量以及金屬硫蛋白mRNA在腸道內的表達，說明CuO-NP可以通過食物鏈向高營養級生物體內轉移；研究還發現，大量的CuO-NP被G.aculeatus通過糞便排出，表明CuO-NP通過飲食暴露途徑所產生的影響可能是最小的。

對于TiO2-NP，Galloway等[18]研究了TiO2-NP對M.balthica的急性毒性，發現1 g·kg-1的TiO2-NP破壞了溶酶體的穩定性，誘導DNA損傷；TiO2-NP并未進入到其他組織中，但可以進入到腸腔中，累積量達到0.156 g·kg-1。Marisa等[50]研究了暴露7 d后低濃度TiO2-NP(1 μg·L-1和10 μg·L-1)對菲律賓蛤蜊(Ruditapesphilippinarum)的生物累積和毒性效應，結果表明，劑量為10 μg·L-1的TiO2-NP可在R.philippinarum組織(如鰓和消化腺)中累積，并且可以顯著增加鰓和消化腺2種組織中抗氧化酶活性，影響血細胞總數、血細胞增殖以及血細胞直徑和體積，并誘發DNA損傷。這項研究表明，TiO2-NP改變了R.philippinarum體內大多數生物標記物，并可以通過雙殼類動物積累，這暗示了對濾食性動物的潛在風險。Auguste等[51]研究了TiO2-NP對海洋雙殼類動物Mytilusgalloprovincialis血淋巴和免疫細胞的影響，發現TiO2-NP可以影響血淋巴中微生物的組成、免疫血淋巴的參數等。Guan等[52]研究TiO2-NP對無脊椎甲殼綱動物(Tegillarcagranosa)的免疫毒性作用，96 h的急性毒性研究表明，TiO2-NP會抑制T.granosa的細胞吞噬功能和細胞活力，增加細胞體內的ROS水平，同時使細胞凋亡蛋白酶(Caspase-3和Caspase-6)下調；外源Ca2+可有效減緩TiO2-NP的細胞毒性，說明Ca2+可能起到阻止TiO2-NP抑制細胞吞噬功能的作用。Saidani等[53]比較了TiO2-NP和經過修飾的Au-TiO2-NPs對蛤蜊(R.decusstatus)的生物累積和毒性作用，發現TiO2-NP和Au-TiO2-NP均通過減少R.decussatus的過濾和呼吸作用改變了其行為響應；此外，劑量為100 μg·g-1的TiO2-NPs會誘導R.decussatus體內鰓和消化腺中產生過量的H2O2，同時誘導超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、谷胱甘肽S-轉移酶和乙酰膽堿酯酶的表達，并發現脂質過氧化物在Au-TiO2-NPs處理組中的含量高于TiO2-NP處理組的含量，這提示Au-TiO2-NP的毒性機制可能通過氧化應激介導。

已有研究表明，TiO2-NP進入水環境后，會與其他污染物比如砷(As)、鎘(Cd)、鉛(Pb)和鎳(Ni)等重金屬相互作用，進而對生物體產生毒性效應。Nunes等[54]研究1 mg·L-1TiO2-NP和50 μg·g-1As同時暴露48 d對多毛類環蟲的影響，發現二者共同暴露下導致ROS的形成、酶活性的降低和DNA的損傷，同時影響As在多毛類環蟲體內的新陳代謝。研究還發現，在48 h的暴露時間下，As不會在多毛類環蟲體內累積，這與Camilla等[55]的研究結果一致。Matouke和Mustapha[56]評估了TiO2-NP和Pb共同作用和單獨作用下對橈足類動物(Eucyclopsp.)攝食行為的影響，研究發現，Pb和TiO2-NP共同作用或單獨作用下，均可通過食物鏈向Eucyclopsp.遷移。暴露48 h后，Pb和TiO2-NP共同作用處理組中(Pb 15 μg·L-1+Ti 16.5 μg·L-1)Pb的生物富集系數(BCF)最高達到748.5；TiO2-NP單獨處理組中BCF最高為5.57；研究還發現，Pb和TiO2-NP的共同暴露抑制了Eucyclopsp.的攝食和過濾行為，并誘導了應激反應，導致糖類、脂質、谷胱甘肽過氧化物酶、過氧化氫酶和氧化氫酶的增加。同樣，Wang等[57]研究了TiO2-NP與重金屬協同作用對C.elegans的毒性效應，研究表明，TiO2-NP可以有效增加重金屬(Cd、As和Ni)在C.elegans生物體內的累積和生殖毒性，并且呈現濃度依賴的方式，但對于As的影響明顯低于Cd和Ni。

對于納米氧化鋅(ZnO-NP)，Huang等[58]研究了ZnO-NP對C.elegans慢性毒性效應，研究表明，劑量為600 mg·kg-1(底泥干重)和2 000 mg·kg-1(底泥干重)的ZnO-NP暴露96 h影響其運動行為(包括身體彎曲和頭部搖晃程度)，造成細胞損傷，產生氧化應激，同時顯著減少C.elegans體內ATP水平，并呈現濃度依賴方式，但并未影響C.elegans生長速率和繁殖速率。研究還發現，在分子水平上，ZnO-NP和CuO-NP對S.plana和N.diversicolor會產生氧化脅迫[49]，導致機體中一些氧化應激標志酶類水平增加，對生物體產生損傷，并且抑制了底棲動物的筑穴行為、攝食行為，誘導DNA損傷。Poynton等[59]研究了ZnO-NP在不同的暴露媒介下(淡水、鹽水和底泥)對端足類動物(Hyalellaazteca)的毒性差異，結果表明，在這3種暴露媒介下，ZnO-NP均可以累積在H.azteca體內，并可能通過食物鏈向高營養級傳輸；同時，相比于淡水暴露媒介，鹽水和底泥媒介均可以減弱ZnO-NP的毒性。Izabela等[60]研究發現，ZnO-NP和Ni-NP均可導致介型亞綱動物(Heterocyprisincongruens)13.3%～53.3%的死亡率；Ni-NP還可以抑制H.incongruens的生長，相反ZnO-NP可以刺激H.incongruens的生長。

對于氧化鈰納米顆粒(CeO-NP)，Cross等[61]將L.variegatus暴露在底泥中5 d后，發現10 nm和28 nm的CeO-NP均可在L.variegatus的腸腔內殘留，不會進一步轉移。然而經過檸檬酸鹽修飾的氧化鈰(citrate-CeO)和聚乙二醇修飾的氧化鈰(PEG-CeO)(4～8 nm)可穿透腸壁，進一步轉移到體內，被生物吸收累積。Niemuth等[62]研究了新型納米金屬氧化物(氧化鋰(LCO)和鋰鎳鈷錳氧化物(NMC))對C.elegans的納米毒性效應，結果表明，劑量為10 mg·kg-1(底泥干重)和100 mg·kg-1(底泥干重)的LCO和NMC可減緩幼蟲的發育以及延緩幼蟲的出生時間，相比于NMC，LCO對C.elegans的毒性更大；同時，發現暴露于底泥中的納米材料相比于水體媒介表現出更高的毒性。

以上研究證實了金屬納米顆?？梢栽诘讞珓游矬w內生物累積，并在個體水平和分子水平上均對底棲動物產生了毒性效應，主要表現在筑穴行為、生存率、種群生長速率、發育繁殖、攝食率、DNA損傷、溶酶體的穩定性和氧化應激標志酶類水平等方面的改變。但是由于現有的研究報道有限且評價指標較多、不統一，不便于進一步總結歸納。下面從納米顆粒和底棲動物的種類、理化性質及環境因素影響方面來逐一分析比較納米顆粒的毒性效應。

2.2 理化性質差異影響的毒性效應

納米材料的理化性質包括：表面電荷、表面修飾、尺寸大小、聚集、離子釋放以及形貌等。目前對于底棲動物理化性質的研究主要集中在尺寸大小、形貌、離子釋放和表面修飾等方面。

2.2.1 尺寸差異影響毒性效應

納米顆粒的尺寸大小是影響其毒性的一個重要因素。一般來說，<1 μm的顆粒物，由于其小尺寸效應，會穿透細胞壁引發一些毒性效應。>1 μm的顆粒首先會吸附到蛋白的表面，然后和細胞以特定的方式結合，進而對機體產生損傷[63]。Cong等[24]研究了不同尺寸的Ag-NP對N.diversicolor的毒性差異，發現Ag-NP(1～50 μg·g-1)暴露10 d后可以在N.diversicolor體內累積，可以損傷其筑穴行為，破壞溶酶體膜的穩定性和引起DNA損傷，需要指出的是，直徑20 nm的Ag-NP比直徑80 nm的Ag-NP更易于在生物體內累積。Bao等[32]研究了尺寸為20、40和80 nm的Ag-NP對B.aeruginosa的毒性差異，結果顯示，暴露于底泥14 d 后，相比于40 nm和80 nm尺寸的Ag-NP，20 nm尺寸的Ag-NP對B.aeruginosa顯示出更高的毒性。這與Ahn等[39]的研究結果一致，Ag-NP的尺寸越小，毒性越大。對于Au-NP，Hull等[64]發現15 nm和46 nm的Au-NP相比于7.8 nm更易于被C.fluminea吸收并且累積，Pan等[41]的研究也證實了這一結論。總的來說，納米顆粒尺寸大小對底棲動物產生的毒性效應的影響并沒有統一的結論，毒性大小還與其聚集程度等其他因素有關。在真實生物環境暴露中，納米材料會和不同介質中的大分子相互作用引發聚集效應，從而改變其毒性大小，有關這方面的研究值得進一步關注。

2.2.2 形貌差異影響毒性效應

納米顆粒的形貌是影響其毒性的一個重要因素。常見的形貌包括球形、橄欖狀、立方體、棱柱形、螺旋形和柱狀形。形貌差異會直接導致納米材料的生物毒性不同。Ramskov等[65]比較了3種不同形貌的CuO-NP(桿狀、球形和板狀)對P.antipodarum的毒性差異，發現暴露3周后，不同形貌的CuO-NP(240 μg·g-1(底泥干重))對P.antipodarum生長速率的影響有顯著性差異(生長速率由大到小：桿狀>板狀>球形)。暴露5～9周后，不同形貌的CuO-NP均對P.antipodarum的發育繁殖產生影響，其中球狀的CuO-NP毒性最大，造成P.antipodarum產卵率下降81%。該研究說明，不同形貌的CuO-NP對P.antipodarum的毒性效應存在差異。

2.2.3 離子釋放影響毒性效應

一些金屬納米顆粒在水溶液介質中會釋放金屬離子，引發毒性效應。比較常見的釋放金屬離子的納米顆粒主要包括ZnO-NP、Cu-NP、CuO-NP、MCA和Ag-NP等。

已有研究表明，ZnO-NP在海水介質中易釋放金屬離子[66-69]。Buffet等[66]發現，ZnO-NP在海水介質中暴露7 d，溶解度高達60%，ZnO-NP釋放了大量的金屬離子。對于CuO-NP，Pang等[45]測定了CuO-NP暴露于淡水后Cu2+的濃度，結果表明，與對照組相比較，CuO-NP實驗組水溶液中Cu2+濃度顯著增多，說明CuO-NP在淡水介質中可以釋放Cu2+。近期，Kay等[43]通過比較硫酸銅(CuSO4)和納米銅唑(含Cu-NP)暴露對底棲動物的毒性差異，發現二者表現出來的毒性效應并無統計學差異，并由此推斷，納米銅唑對底棲動物的毒性效應可能是通過釋放銅離子實現的。

對于Ag-NP，Buffet等[23]研究發現，Ag-NP釋放銀離子，在海水介質中溶解度達到35%，。對于citrate-Ag-NP，該作者發現經過24 d的暴露，Ag-NP在河口暴露介質中溶解度可以達到23%[70]。然而，PVP-Ag-NP在海水介質中溶解度僅為0.1%[24]。這說明，經過化學修飾的Ag-NP，尤其是PVP修飾的Ag-NP在介質中更加穩定，不易釋放銀離子，并且水溶液的含鹽量越高，溶解度越小。

2.3 種類差異影響毒性效應

2.3.1 不同種類納米顆粒對同一物種的影響

對于同一種底棲動物，不同種類的納米顆粒對其毒性有所差異。同時將M.balthica暴露于150～200 μg·g-1(底泥干重)的CuO-NP和Ag-NP中35 d后，發現CuO-NP和Ag-NP均可以在其體內累積，但對其筑穴行為和生存率沒有產生影響[71]。進一步對比了CuO-NP和Ag-NP對N.diversicolor的毒性差異，結果表明，相比于CuO-NP，Ag-NP對N.diversicolor的毒性更大。Buffet等[66]評估了ZnO-NP對S.plana的毒性效應，發現3 mg·kg-1ZnO-NP暴露16 d后，ZnO-NP可以在生物體內累積，顯著地損傷其筑穴行為。同樣，將S.plana暴露在CuO-NP下，S.plana的筑穴行為也受到了損傷[72]。

然而，Buffet等[73]研究發現，Ag-NP對S.plana的筑穴行為沒有影響，但是在10 d的飲食暴露下，它的攝食行為受到了抑制。對于另一種底棲動物淡水螺(Potamopyrgusantipodarum)，Ramskov等[74]研究發現，暴露2周后，Ag-NP并未影響P.antipodarum的生長速率。然而，Pang等[46]研究發現了30～240 μg·g-1(底泥干重)的CuO-NP暴露8周后可以顯著地影響P.antipodarum的生長速率。T.tubifex是一種淡水生態系統中廣泛存在的寡毛綱類底棲動物，通常被作為生態毒理學的模式生物和環境污染的指示生物。Lammel等[49]研究發現，T.tubifex暴露7 d后，CuO-NP并未在顫蚓體內累積，但是可以顯著影響金屬硫蛋白水平。Zhang等[21]將T.tubifex暴露在Au-NP((4.9±0.14) nm)和GO-NP((116±0.05) nm)中7 d后發現，暴露劑量在10 μg·g-1(底泥干重)和60 μg·g-1(底泥干重)時，Au-NP對T.tubifex的規避行為和生存率僅有輕微影響，Au-NP也可以在T.tubifex體內累積，并且隨著暴露濃度的升高而增加。對于GO-NP，在暴露濃度為20 μg·g-1(底泥干重)和180 μg·g-1(底泥干重)時，對T.tubifex的生存率沒有影響，對其規避行為可產生輕微的影響，然而可以顯著地影響其筑穴行為。而Au-NP對其筑穴行為影響的環境相關性需要進一步探討。

2.3.2 同一納米顆粒對不同物種的影響

同一種納米顆粒對不同類型的底棲動物毒性有所差異。Ramskov等[74]比較了Ag-NP對不同種類的底棲動物P.antipodarum和海蠕蟲(Capitellateleta和Capitellasp.)的生物累積和毒性差異，發現暴露2周后，相比于P.antipodarum，C.teleta體內富集了大量的Ag。Ag-NP并未影響P.antipodarum的生存率和生長速率，卻顯著地影響C.teleta的生存率，并且極大地降低了C.teleta的生長速率。這些研究結果說明，C.teleta較P.antipodarum對Ag-NP更敏感。究其原因可能是納米材料誘導了不同底棲動物的機體防御系統，不同的底棲動物對納米材料的耐受力不同。

2.4 環境因素影響毒性效應

環境因素可以影響納米顆粒在環境中的遷移轉化，進而影響納米材料的毒性，比如光照、天然有機質、溶液離子強度以及溫度等。

2.4.1 光照

納米顆粒與紫外光的相互作用可能會導致ROS的形成，ROS的形成會對生物體產生氧化應激反應，進而對生物體產生毒性[75]。研究證明，納米材料，特別是TiO2-NP和ZnO-NP在太陽光照下可以對生物體產生光毒性。Li等[76]研究了紫外光照下TiO2-NP對底棲動物H.azteca、L.variegatus和C.dilutus的毒性差異，96 h的急性毒性研究結果表明，當紫外光照的強度為2.2 w·m-2時，TiO2-NP對H.azteca的LC50為29.9 mg·L-1，是實驗室內正常光照下毒性的21倍，說明TiO2-NP具有光毒性；進一步研究發現，TiO2-NP對H.azteca的光毒性隨著紫外光照強度的增加而增加，而且其他因素比如有機物含量、藻類、樹蔭、暴露時間和TiO2-NP的光活性都會影響TiO2-NP毒性大?。蝗欢谙嗤谋┞董h境下，TiO2-NP對其他2種底棲動物的生存率并未產生影響，表明納米顆粒的光毒性存在物種差異性。Ma等[77]研究發現，在太陽光照下暴露2 h后，25 mg·L-1的ZnO-NP(60～100 nm)可以引發C.elegans的死亡，然而在相同的暴露劑量和時間下，并未對在實驗室光照下和黑暗條件下暴露的綱蠕蟲產生不利影響，說明ZnO-NP的光毒性與光催化產生的ROS的生成密切相關。

2.4.2 水中有機質

水中的有機物質對納米材料的性質有很大影響，主要表現為會在納米材料表面形成一層蛋白冠，影響納米材料的毒性[78]。研究表明，有機物質比如水中高分子腐殖酸更易吸附在納米材料表面，增加了納米材料在水溶液中的穩定性；另外，溶液離子強度越強、pH越低，越有利于有機物質在納米材料上的吸附[79-80]。目前，已有試驗證明，水中的有機物質可以改變納米材料比如富勒烯對細菌的毒性，產生蛋白冠的納米材料可能會通過細胞內吞方式進入生物受體中，對生物體產生毒性效應[81]。對于TiO2-NP，研究表明，水中的天然有機質可以猝滅ROS，進而消減了銳鈦礦型TiO2-NP對水生生物的毒性[82]。

對于其他因素比如pH，研究發現，酸性底泥可以增強Ag-NP對L.variegatus蚓的毒性，原因是酸性條件下，有利于銀離子的釋放，導致毒性增強。研究還表明，Ag-NP的毒性機制主要是銀離子的釋放[83]。

綜上所述，納米顆粒對底棲動物的毒性效應受到納米顆粒的種類、尺寸、形貌和環境因素的影響。其致毒機制目前主要表現為離子釋放以及納米顆粒小尺寸效應。此外，還與測試生物本身的生理特性有關，這是因為不同的底棲動物對納米材料的耐受力不同，誘導了不同的機體防御系統，生物對納米材料的敏感性排序如圖1所示。對于不同的評價指標，相比于筑穴行為、生存率、發育繁殖和攝食率，生物累積是底棲動物對納米材料反應最為靈敏的評價指標。底棲動物對納米材料的生物累積絕不只是簡單地依賴于納米顆粒的大小和聚集程度，納米顆粒在生物體內的消化環境和過程(pH、消化速率、同化效率和腸道的停留時間)也會導致其在生物體內的累積量差異。

3 展望(Prospect)

納米材料對底棲動物的生態毒性效應的研究雖已有報道，但是由于納米材料的特殊物理化學性質使得納米材料在底棲生物生存環境中必然發生復雜的遷移和轉化，進而影響其毒理學效應，這一特性必然決定納米材料對底棲生物影響的研究方法不同于傳統毒理學研究方法。因此，基于已有的研究基礎，針對現有研究存在的不足，在未來研究中，建議從以下幾個方面完善納米材料對水生底棲生物的毒性效應研究。

(1)納米材料對底棲動物的生態毒性研究剛起步，目前，沒有一個統一的實驗方法或者經過認證的參考標準。因此，亟需一套完整的納米生態毒性測定的標準步驟來研究納米材料毒性效應，這對比較不同研究結果從而歸納出納米材料物理化學屬性與其毒性效應的關系尤其重要。

(2)納米顆粒在底泥中的環境行為及其表征。在納米毒理學實驗中，為了保證結果的可靠性和可比性，實驗前對納米材料的理化性質進行尺寸、形貌、結構、成分、表面積和穩定性等方面的表征，已成為納米毒理學研究中必不可少的工作。然而，由于技術缺陷，目前，還做不到在底泥中對納米材料理化性質進行表征。因此，未來應該開發更先進的技術和分析方法，進一步真正了解納米材料在底泥中真實的環境行為和歸趨，更加準確地評價納米材料對底棲動物的生態風險。

(3)目前納米材料對底棲動物的研究主要集中在Ag-NP、CuO-NP、TiO2-NP、ZnO-NP、CeO2和TiO2，但是其他的納米材料比如SiO2和Al2O3等在底泥中的含量也相對較高(SiO2：0.43 mg·kg-1·a-1，Al2O3：1 000 mg·kg-1·a-1)，然而，它們對底棲動物的毒性研究還相對較少，在未來研究中建議對納米材料使用和納米材料生態毒理學數據進行文獻分析歸納，重點對應用廣泛而毒理學數據缺乏的納米材料進行研究。

(4)納米生態毒理學研究中如何選擇目標生物也是合理評估納米材料生態風險的重要因素。在底棲動物中，除了目前研究較多的如H.Azteca、L.variegatus、C.dilutus、C.fluminea、N.diversicolor、H.diversicolor、P.antipodarum、C.teleta、Capitellasp.和S.plana等外，對于寡毛綱類底棲無脊椎動物如T.tubifex的研究相對較少。T.tubifex在全球淡水水域內廣泛分布，經常是大多數水體中底棲動物的優勢種屬，并且其耐污能力較強，因此，通常被作為生態毒理學研究中的模式生物。建議在納米材料生態毒性檢測中，T.tubifex應該被選定為模式生物之一。

致謝：感謝中國科學院生態環境研究中心分子環境毒理學課題組和陜西省水利電力勘測設計研究院同事在文章寫作及修改中給予的幫助。

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