納米材料的非毒性環境效應研究進展

馬曉琳，何恩靜，肖翔,,*

1. 江蘇大學環境與安全工程學院，鎮江 212013

2. 安徽大學物質科學與信息技術研究院，合肥 230601

納米材料作為材料科學研究的熱點，被認為是當前最具前途的科研領域之一[1]。但在快速擴大的生產及使用過程中，納米材料會不可避免地被釋放到環境中并對動物、植物及微生物造成毒性脅迫，從而引發人們對其生態環境風險的擔憂[2]。但是相較于實驗室細胞毒性研究所用的測試濃度，目前納米材料的實際環境濃度一般較低。通過動態概率材料流動模型預測，納米材料在地表水中濃度約為10-6～10-4mg·L-1，沉積物中濃度約為6.7～40 000 μg·kg-1[3]。其環境暴露尚難以引起嚴重的急性生物毒性效應[4]。納米材料對生物體無明顯生長抑制或毒性脅迫表型情況下的非毒性環境效應逐漸成為當前環境領域的研究熱點。本文針對近年來納米材料非毒性環境效應的研究進展進行了綜述，以期對納米材料環境效應有一個新的認識，并為納米材料的實際應用擴展新的思路。

1 納米材料的潛在危害及毒性作用機制(Potential hazards and toxic mechanisms of nanomaterials)

隨著納米產業的飛速發展，納米產品的種類和數量急劇增加。根據2019年“納米技術產品數據庫”記錄，納米產品高達8 902種[5]。伴隨著生產的增長和應用的擴大，納米材料越來越多地被釋放到大氣、土壤及水體中，并在環境中不斷遷移和累積[2]。納米材料的尺寸較小，其環境釋放后易于通過表面滲透、生物吸食以及食物鏈富集等方式從環境進入生物體內[6]。因此，納米材料已被視為一種新型污染物并引起了人們對其生態安全性的廣泛擔憂。

目前，納米材料的環境效應研究主要針對高劑量急性暴露條件下的細胞毒性脅迫而開展。現有研究證明，納米材料對生物體產生的毒性效應主要通過以下幾種機制：(1)納米材料可通過靜電或吸附作用結合于細胞表面，產生遮蔽效應，甚至改變細胞膜的結構與功能，從而影響細胞對外界營養物質的攝取[7]；(2)納米材料可以進入生物體，破壞細胞膜的完整性，并通過不同的機制誘導細胞產生活性氧自由基(ROS)，從而引起脂質過氧化、蛋白質變性以及DNA損傷，甚至導致細胞死亡[4]；(3)金屬單質/金屬氧化物納米材料還可以釋放金屬離子，導致細胞氧化脅迫，進而對生物體產生毒性效應[8]。但是，目前環境中納米材料的實際濃度較低，研究調查發現自然地表水和廢水處理廠廢水中納米材料的濃度低至0.01 mg·L-1，尚未達到對環境生物造成嚴重毒性脅迫的程度[9]。因此，納米材料的非毒性環境效應研究已逐漸引起人們的關注，并已成為當前環境領域的研究熱點之一。

2 納米材料對植物的非毒性影響(Non-toxic effects of nanomaterials on plants)

環境中的納米材料通過不同的方式作用于植株。大氣中的納米材料可直接作用于植物地上部分，而土壤中的納米材料則可直接影響根系發育，甚至進入植物內部從而影響植株生長[10]。環境釋放的納米材料種類的多樣性也導致其對植物的非毒性影響的作用機制較為復雜。通常，納米材料對植物的非毒性生態效應可從種子萌發和植物生長2個階段來探究(圖1)。

圖1 納米材料對種子萌發和植物生長的影響

2.1 種子萌發

種子萌發是植物生命周期的起點，也是植物對外界環境因子最敏感的時期之一。種子的萌發狀況將直接影響植物的生長量以及生物生產量，進而影響農作物的產量和營養品質[11]。

穩定性較低的金屬氧化物納米材料可釋放金屬離子[12-13]。低濃度的金屬離子可以刺激種子代謝，從而促進種子萌發。研究證實土壤中添加750 mg·kg-1的ZnO納米顆粒能夠提高紫花苜蓿種子的萌發率[12]。考慮到鋅(Zn)是植物生長所必需的營養元素，納米ZnO對種子萌發的促進效應可歸因于其所釋放的鋅離子具有較高的生物利用度，易于吸收，從而促進種子的代謝。Acharya等[13]發現銀(Ag)納米顆粒(31.3 mg·L-1)釋放的Ag+能夠穿透種皮進入種子組織，促進種子內的多糖水解以提供能量，進而刺激了西瓜種子的萌發。

穩定性納米材料雖不能釋放金屬離子，但是其低劑量暴露依然對植物種子的萌發呈現刺激效應[14-16]。Zhang等[14]發現40 μg·mL-1的納米石墨烯(GO)可以促進番茄種子萌發。和對照組相比，GO處理能夠將種子萌發率提高43%。Pandey等[17]也發現施加50 μg·mL-1的GO和多壁碳納米管(multi-walled carbon nanotubes, MWCNTs)能顯著提高柳枝稷種子的發芽率，并促進了高粱種子的早期萌發。納米金(Au)在10 μg·mL-1的濃度下可以通過提高種子的吸水率顯著促進擬南芥種子的萌發[15]。這些納米材料對種子萌發的促進作用可歸因于其能滲透種皮，并對種皮造成物理損傷，從而促進水分的吸收，提高種子的發芽率[14]。Khodakovskaya等[18]證實培養基中含有的碳納米管(10～40 μg·mL-1)可以滲透番茄種皮并促進種子的萌發。另外，通過水培實驗發現納米TiO2(20 mg·L-1)也可滲透蘆葦種皮，并對蘆葦種子發芽有一定的促進作用[16]。

2.2 植物生長

納米材料對植物的低劑量刺激效應主要體現在其能促進植物生長發育以及提高植物對不良環境脅迫的耐受性(表1)。

表1 納米材料對植物的影響

所有植物都需要微量金屬元素作為營養物質，以促進其代謝和其他生命活動。低濃度的納米顆粒可以作為營養載體，為植物持續提供營養以促進其生長。與常規速溶礦物質相比，納米顆粒在向目標物輸送營養方面具有高效、緩釋的優勢。已發現施加50 mg·kg-1的金屬氧化物ZnO和硫化物ZnS能夠促進英菜在污水污泥改良土壤中的根系生長[19]。Liu等[20]研究發現，低濃度的納米錳(Mn)(50 mg·L-1)作為納米肥料所釋放的有益金屬離子雖然對生菜種子的萌發沒有明顯作用，但是卻對根的生長有明顯的刺激效應，從而促進植株發育。不溶性納米材料也能影響植物的生長。Seddighinia等[21]發現50 mg·L-1的MWCNTs能通過根系吸收，促進苦瓜根系和莖的伸長。納米材料還能緩解營養元素失衡對植物產生的不利影響。500 mg·L-1的納米CeO2可以在0.72 mmol·L-1的低氮環境中增強參與氮同化作用的谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酰胺草谷氨酸轉氨酶(GOGAT)以及谷氨酸脫氫酶(GDH)的活性，促使植物中的氮含量增加；并在7.15 mmol·L-1的高氮環境下調節抗氧化酶系統、脯氨酸以及植物激素的含量，減少DNA的損傷，增強植物對氮脅迫的耐受性[22]。

納米材料對植物生長的刺激效應還體現于提高植物對鹽堿[23]、干旱[24]、重金屬脅迫[25]以及病原菌[26]等不利環境因素的耐受性。

納米材料可以提高植物對鹽脅迫的耐受性。Ye等[23]發現納米Mn(0.1、0.5和1 mg·L-1)可以滲透種皮并形成了納米粒子-電暈復合物，促使辣椒根部伸長率提高約33%，緩解了鹽脅迫。Wan等[27]發現在鹽脅迫條件下，通過在葉面噴施50 mg·L-1的納米ZnO能顯著提高苦豆子植株高度、根系鮮重、葉片總蛋白含量、葉片/根系可溶性糖含量、葉片鋅含量以及根內銅離子的含量，從而提高幼苗的耐鹽性。碳基納米材料也能對植物的耐鹽性產生積極影響。Pandey等[17]發現GO和MWCNTs(50 μg·mL-1)可作為植物生長調節劑，不但能夠促進能源作物高粱和柳枝稷的種子萌發，還能通過吸附去除Na+來顯著緩解鹽脅迫對植物生長的抑制。50 mg·L-1的單壁碳納米角(single-walled carbon nanohorns, SWCNHs)可以提升光合效率及糖代謝，維持鹽脅迫下膜的完整性[27]。

納米材料能增強植物的耐旱性。Kim等[24]發現，0.1 g·L-1的納米零價鐵(nZVI)能刺激擬南芥中氫離子-三磷酸腺苷酶(H+-ATP)的活性，降低質外體的pH值，以及增加葉片面積和氣孔孔徑寬度，從而提高植物的耐旱性。100 μg·mL-1的GO通過增強植物抗氧化酶活性和光合作用，減少活性氧積累，維持細胞膜的穩定性、氣孔的開放、葉肉細胞和細胞器的完整性來減輕干旱脅迫的損傷[28]。

納米材料還可減輕有毒重金屬對植物生長的脅迫。Rizwan等[25]發現使用納米ZnO(25、50、75和100 mg·L-1)和納米Fe(5、10、15和20 mg·L-1)浸種，可以降低鎘在小麥中的累積，增加植物抗氧化酶活性，并減輕鎘脅迫所導致的小麥葉片的電解質滲漏。納米ZnO(50、75和100 mg·L-1)的葉面噴施，也能顯著降低玉米對鎘的吸收，從而緩解了鎘誘導的氧化應激反應[29]。

植物的生長依賴于與土壤微生物的相互作用。納米材料對植物生長的促進效應除了對植物自身的直接影響外，還體現于其調控植物-微生物的互作。土壤微生物能夠調節有機質分解、養分循環和能量轉換。納米材料可以通過影響土壤微生物活性和群落組成，從而間接促進植物代謝[30]。Guan等[31]研究發現，向土壤中添加50 mg·kg-1的CuO納米顆粒所釋放的銅離子能夠增加小麥根際微生物的固氮效能，同時抑制其反硝化作用，促進土壤硝酸鹽的累積，從而間接刺激小麥光合作用。另有研究發現，暴露于300 mg·L-1的納米CeO2可通過增加黃桿菌屬(Flavobacterium)和假單胞菌屬(Pseudomonas)等植物根系促生菌的相對豐富度，抑制致病性根瘤菌的生長來提高草莓的生長和抗病能力[26]。水稻葉面噴施的納米CuS(50 mg·L-1)可緩慢釋放出銅離子。銅離子一方面直接抑制赤霉菌的生長，另一方面可被植物所吸收，調節植物激素水楊酸和茉莉酸的產量，增強植物對赤霉菌侵染的防御能力，從而抑制農作物病害[32]。

3 納米材料對微生物的非毒性影響(Non-toxic effects of nanomaterials on microorganisms)

3.1 納米材料對抗性基因水平轉移的影響及作用機制

近年來，抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes, ARGs)的環境擴散已造成嚴重的公共衛生安全威脅。納米材料不但能在高強度光激發條件下顯著抑制耐藥細菌及ARGs的水平轉移，還能在低毒性脅迫下通過接合、轉化和轉導等途徑來影響ARGs的環境傳播(表2)，從而對環境產生非毒性效應。Qiu等[43]首次發現納米Al2O3(0～50 mmol·L-1)能夠促進抗性質粒RP4從大腸桿菌(Escherichiacoli)到沙門氏菌(Salmonella)的接合轉移效率。Liu等[44]的研究證明，添加10 mg·L-1的納米Al2O3顯著誘發細菌胞內ROS含量的增加，提高細胞膜通透性，刺激了外膜蛋白基因ompC和接合相關基因intA的表達，從而促進ARGs從E.coli到天藍色鏈霉菌(Streptomycescoelicolor)的跨屬水平轉移。Lu等[45]也證實0.1 μg·L-1的銀納米顆粒能夠誘導胞內ROS產生，造成細胞膜損傷并誘發應激反應，從而提高ARGs的跨屬轉移效率。Han等[46]首次證實0.5 mmol·L-1的納米TiO2可促進絲狀噬菌體gM13對E.coliTG1的轉導效率，從而有助于ARGs的水平轉移。除了人工合成的納米材料，一些天然納米材料也能促進ARGs的水平轉移。Li等[47]證實天然閃鋅礦納米顆粒(0.5～50 mg·L-1)能夠顯著提高ARGs在E.coli種間的水平轉移效率。

表2 納米材料對抗生素抗性基因(ARGs)水平轉移的影響

納米材料的低劑量暴露不僅能促進純菌體系中ARGs的水平轉移，也能影響ARGs在天然混合菌群中的分布。Zhang等[48]發現鐵納米顆粒(0.5 g·L-1磁性Fe3O4和1 g·L-1nZVI)的添加，能夠降低β-內酰胺酶抗性編碼基因(blaOXA)的潛在宿主(變形桿菌、厚壁菌以及放線菌)在厭氧消化污泥中的菌群豐度，從而降低ARGs的絕對豐度。Xiang等[49]也發現0.5 g·L-1的磁性Fe3O4和1.0 g·L-1的nZVI可以增強厭氧序批式反應器的效能并顯著降低紅霉素耐藥基因ermA和ermT等的豐度。Chen等[50]發現0.2～1 mg·L-1的納米ZnO顆粒能夠影響水體中微生物種群結構，促進sulⅠ、tetA、ermB以及qnrS等抗性基因豐度的增加，顯著增加河口水中總ARGs的豐度。

納米材料影響ARGs水平轉移的作用機制，可歸咎于以下因素。首先，納米材料的親水界面和高比表面積使其能夠充當“連接橋”的作用，從而增強ARGs供體(裸露DNA、細菌和噬菌體)和受體菌的直接接觸，促進ARGs水平轉移的進行。有研究證明，納米Al2O3(0.05～50 mmol·L-1)能吸附于菌體表面，促進供體菌與受體菌之間形成“接合橋”，從而將抗性質粒RP4跨屬的轉移效率提高200倍以上，并將屬內的轉移效率提高至250倍以上[43]。具有較好親水性的納米TiO2(0.5 mmol·L-1)有利于噬菌體在菌體周圍聚集，從而有效促進ARGs以轉導方式進行水平轉移[46]。但是納米材料的物理吸附特性有時也能抑制ARGs通過轉化方式進行水平傳播。Hu等[51]發現納米ZnO、Al2O3以及TiO2的濃度<50 mg·L-1時，都能夠吸附抗性質粒pUC19，顯著阻礙E.coli對青霉素抗性基因的攝取。其次，外源ARGs無論以何種方式進入受體細菌，都需要經歷穿膜過程。因而細胞膜的穩定性對于ARGs擴散效率至關重要。納米材料可以通過自身的理化特性直接損傷細菌的生物膜，也可以通過誘發ROS來降低細胞膜的穩定性，從而降低細胞膜對ARGs進入細胞的阻礙作用，便于ARGs跨膜進入受體細菌[52]。但是對生物膜過度的損傷也可能會導致受體細菌死亡，從而降低ARGs的水平轉移效率[53]。另外，無論接合、轉化還是絲狀噬菌體介導的轉導，都需要受體細菌菌毛的參與。因此，納米材料通過刺激菌毛相關基因的表達，增加細菌表面菌毛的合成，能夠有助于ARGs進入細胞，提高水平轉移效率[54]。

3.2 納米材料調控生物膜形成及作用機制

生物膜是自然界中微生物存在的一種重要形式，其形成過程依賴于信號分子調控的細菌間信息交流或直接接觸[61]。近年來，納米材料被證實可以對微生物生物膜的形成發揮非毒性調控作用。

Ouyang等[62]發現低濃度納米ZnO(0.5～30 mg·L-1)顯著促進細菌生長和生物膜形成。一方面低濃度納米ZnO可促使小部分死亡細菌釋放的胞內DNA、RNA、脂質、蛋白質和糖等作為活細胞的營養物質，刺激活細胞數量增加；另一方面，納米ZnO可促進細菌群體感應基因的表達，誘導細胞產生更多的信號分子(c-di-GMP)，從而增強細胞間的通訊并提高細胞對環境壓力的適應性，從而有利于生物膜的形成。與此同時，低濃度納米Ag(21.6 μg·L-1)也被證實可以通過上調群體感應和脂多糖生物合成基因，將生物膜基質中糖和蛋白含量增加55%和114%，便于生物膜的附著和結構維護并促進生物膜的發育[63]。但是Xiao等[64]發現100 mg·L-1的納米TiO2在低強度光催化條件下所產生的光生ROS雖不會對E.coliK12造成明顯的細胞毒性，但卻能通過降解群體感應Ⅱ型自誘導信號分子呋喃酰硼酸二酯(autoinducer-2, AI-2)，延遲群體調控系統的觸發，從而抑制鞭毛運動和胞外多糖的合成，并最終導致E.coliK12生物膜發育的遲滯。

3.3 納米材料促進廢水生物處理效能及作用機制

環境中釋放的納米材料可通過水循環匯集進入污廢水處理系統。納米材料雖然已被證實廣泛分布于實際的廢水處理過程中，但是由于活性污泥的不停更新，納米材料的實際濃度難以抑制污廢水處理過程[65]。因此，低濃度納米材料對環境水處理的非毒性效應受到關注。現有的研究表明，納米材料能夠影響混合菌群的結構和功能，從而對廢水有機物去除、脫氮和除磷效能產生影響[65-67]。

還原性納米材料可以通過化學反應，降低水體溶解氧含量，從而為厭氧微生物提供良好的生存環境。Chen等[65]證實20 mg·L-1的nZVI可以通過化學-生物耦合作用消除廢水處理系統中溶解氧，營造更加嚴格的厭氧條件以利于厭氧消化。同時釋放的Fe2+能促進葉綠素和類胡蘿卜素的合成，增加缺氧條件下光合細菌的生物量，并將廢水的化學需氧量去除率提高164.3%，顯著促進了廢水中有機物的去除。

納米材料能增強廢水處理系統的脫氮效率。Wang等[66]發現雖然高劑量納米Ag(10 mg·L-1)暴露會導致廢水處理系統中過量ROS的積累和總抗氧化能力(T-AOC)的降低，抑制硝化和反硝化酶活性，減少功能基因豐富度，并降低耦合硝化和反硝化(coupled nitrification and denitrification, CND)效能。但是低劑量納米Ag(2 mg·L-1)對厭氧微生物體現出明顯的刺激效應。低劑量納米Ag暴露可以提高反硝化基因narG的豐富度，增強硝化酶(氨單加氧酶(AMO)、羥胺氧化還原酶(HAO)和亞硝酸鹽氧化還原酶(NOX))和反硝化酶(硝酸鹽還原酶(NAR)和亞硝酸鹽還原酶(NIR))的活性，從而顯著增強CND效能。Peng等[68]發現納米Ag(108 mg·L-1)能提高顆粒污泥內部孔徑，促進基質的擴散，提高厭氧氨氧化相關酶(亞硝酸鹽還原酶(NirS)、聯氨脫氫酶(Hdh)和聯氨合成酶(HZS))的活性，從而增強厭氧氨氧化顆粒污泥的生長速度和脫氮性能。

納米材料還能有助于廢水中磷的去除。Li等[67]發現10～60 mg·L-1納米TiO2誘導產生的低水平ROS增強了多聚磷酸鹽激酶(PPK)和多聚磷酸鹽水解酶(PPX)的活性，提升聚磷菌的磷釋放和吸收速率，提高磷的去除率。另外，為克服納米顆粒的團聚并增強其分離性和水力傳導性，在鐵納米顆粒表面鍍銅所合成的雙金屬鐵基納米顆粒nZVI/Cu0(10 mg·L-1)，其表面具有更強的活性位點，對水體總磷的吸附效率更高。同時此雙金屬納米顆粒的腐蝕所產生的氫氣能被細菌作為呼吸的電子供體，增加細菌生長，進而對后續混凝和沉淀過程產生重要影響[69]。

3.4 納米材料增強生物能源生產及作用機制

生物能源是一種綠色無污染、易于生產、具有環保和經濟效益的可再生能源。利用生物能源逐步取代化石能源已成為當前社會發展的共識。而納米材料對生物能源生產的影響也逐漸受到人們的關注。

微生物可通過厭氧發酵將有機質轉化成氫氣。生物制氫是當前生物質能源生產最重要的形式。納米材料較小的尺寸和較大的表面積為酶與底物的相互作用提供了更多的反應場所，從而直接提升酶促產氫效率[70]。另外，納米材料還可通過刺激電子轉移，提高生物制氫相關酶的活性，從而促進生物氫的生產。Zhang和Shen[71]認為5 nm納米金(0.79 μg·L-1)可以通過表面效應和量子尺寸效應刺激氫的產生，并提高產氫細菌的生物活性，從而將底物利用率提高56%，生物氫產率提高46%。Beckers等[72]發現包裹在多孔二氧化硅內的納米FexOy(10-6mol·L-1)能將丁酸梭菌的生物氫產量和生產率提高了38%和58%。這主要依賴于納米材料在黑暗發酵過程中對電子轉移效率和氫化酶活性的提升。氫化酶和固氮酶作為生物制氫途徑最重要的2種酶，它們的活性位點都含有鐵和鎳作為金屬輔基[73]。納米材料，特別是添加到生物反應器中的磁性納米材料，如鐵或鎳，可以與這些酶的活性位點結合，提升電子轉移效率，從而提高生物制氫的產量[72, 74]。

納米材料可以促進生物甲烷的產生。納米TiO2(1 g·L-1)能夠與厭氧污泥中的胞外多聚物緊密結合，促進厭氧消化過程從而增強甲烷的生成[75]。Aguilar-Moreno等[76]發現在厭氧消化雞糞過程中，人為添加20 mg·L-1的Fe3O4納米顆粒能顯著提高甲烷的生產率和累計產量。另外納米Fe3O4(750 mg·L-1)作為一種導電材料，能粘附于細胞表面，促進電子由二次發酵細菌至產甲烷古菌的種間電子轉移，從而增加了甲烷產量，并促進可生物降解有機物的分解[77]。除Fe3O4納米顆粒外，nZVI(1 g·L-1)也能促進污泥厭氧消化的效能，增強有機質的降解率，并將甲烷產量提高20%以上[48]。

納米材料在提高微生物產電方面也卓有成效。納米碳量子點(500 μg·mL-1)已被證實可被希瓦氏菌(ShewanellaoneidensisMR-1)有效吸收，提高細胞代謝率，增加細胞粘附和電負性，促進電子的跨膜傳遞和胞外轉移，從而將S.oneidensisMR-1在微生物燃料電池中的電流峰值和輸出功率分別提高7.34倍和6.46倍[78]。使用納米Ti修飾的碳電極，不僅有助于電子從細菌向電極的轉移過程，還有助于克雷白氏桿菌(KlebsiellapneumoniaeL17)細胞在碳電極上的附著，從而增強微生物的產電能力[79]。

4 總結與展望(Summary and prospect)

本文系統地概述了當前納米材料非毒性環境效應的研究進展，概括了納米材料對植物和微生物的非毒性作用機制，并探討了納米材料在農業生產、環境污染控制和生物質能源等方面的應用，從而加深了對納米材料環境影響的理解，并為納米材料的環境安全性評估及實際應用提供新的思路。但目前關于納米材料非毒性環境效應的研究中仍然存在著一些不足，有待更多的深入研究。

(1)種類繁多的納米材料在生產使用過程中已被釋放到環境中。但是目前關于納米材料非毒性環境效應的研究剛剛起步，尚局限于對單一納米材料的生物效應進行評估。對于2種及多種納米材料的復合非毒性環境效應還未見報道。考慮到不同納米材料的生物效應機理的差異，納米材料的非毒性復合生物效應可能會表現出更加復雜的結果。

(2)目前納米材料的非毒性生物效應的研究尚未涉及低劑量納米材料長期暴露研究。低劑量納米材料的長期處理所導致的生物刺激或者毒理耐受是否會影響生態系統種群演變以及功能改變，值得進一步深入探究。

(3)當前低劑量納米材料已經體現出對生物的刺激效應。下一步的工作需要從納米材料-生物互作機理解析入手，全面開展納米長效緩釋肥、納米短期刺激劑等新型納米產品的開發，并全面研究其在農作物生產和環境污染治理方面的應用。