許伊，楊士紅，尤國祥，侯俊,*

1. 河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210098

2. 河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，南京 210098

納米(nm)是物理學(xué)上的度量單位，當(dāng)物質(zhì)尺寸達(dá)到納米尺度(1～100 nm)時，其物理化學(xué)性質(zhì)會發(fā)生很大的變化，在材料強(qiáng)度、韌度、磁化率和催化能力等方面表現(xiàn)出特殊性能[1-2]。作為現(xiàn)代科技與交叉學(xué)科的發(fā)展基礎(chǔ)，納米技術(shù)在新材料研發(fā)、生態(tài)修復(fù)、生命健康和國家安全等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景[3-6]。鈰(Ce)是元素周期表中第Ⅲ副族鑭系元素，是一種稀土元素。稀土元素因其獨特的金屬特性被大量用于納米材料的生產(chǎn)，而二氧化鈰(CeO2)作為稀土氧化物中的重要組成部分，具有獨特的理化性質(zhì)和廣泛的應(yīng)用前景。2012年歐盟工作報告指出納米CeO2的全球產(chǎn)量約為10 000 t (http://ec.europa.eu/nanotechnology/index_en.html, 2012)[7]。來自美國地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù)顯示，全球市場中有超過80%的納米CeO2來源于中國。

納米CeO2及含有納米CeO2的消費(fèi)品的大規(guī)模生產(chǎn)和使用，必然會導(dǎo)致越來越多的納米CeO2在其生命周期循環(huán)過程中向水、土和空氣等環(huán)境介質(zhì)釋放。近年來，已有學(xué)者結(jié)合2014年市場統(tǒng)計數(shù)據(jù)，通過全生命周期評價模型，評估了自然介質(zhì)中納米CeO2的濃度，得出大氣中的納米CeO2濃度為0.01～0.6 ng·m-3，地表水中的納米CeO2濃度為0.6～100 pg·L-1，沉積物中的納米CeO2濃度為0.2～45 μg·kg-1，土壤中的納米CeO2濃度為24～1 500 ng·kg-1[6]。在納米CeO2的環(huán)境濃度迅速增加的同時，其生物安全與生態(tài)效應(yīng)問題日益突出[8-11]。近年來，納米CeO2的潛在環(huán)境風(fēng)險及生態(tài)效應(yīng)問題引起社會各界學(xué)者越來越多的關(guān)注。作為全球納米CeO2最大的生產(chǎn)國和銷售國，我國更加有必要加強(qiáng)對納米CeO2生態(tài)安全性評價的研究。基于此，本文主要綜述了不同生態(tài)環(huán)境內(nèi)，納米CeO2的生物毒性效應(yīng)以及潛在的毒性作用機(jī)制，以期為納米CeO2的安全評價提供科學(xué)依據(jù)。

1 納米CeO2的潛在生態(tài)風(fēng)險(Potential ecological risks of CeO2 nanoparticles)

隨著大量含有納米CeO2產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸和使用，勢必會有越來越多的納米CeO2通過各種途徑進(jìn)入大氣、土壤及水環(huán)境中，進(jìn)而可能會對人體和生態(tài)環(huán)境中的生物體產(chǎn)生潛在危害。此外，不同環(huán)境介質(zhì)中的納米材料在外部環(huán)境因子、生物及非生物的作用下，會發(fā)生溶解-釋放、團(tuán)聚-沉降、吸附-解吸及生物累積-放大等一系列行為變化，最終對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生毒性脅迫效應(yīng)。納米CeO2在其生命周期內(nèi)可能的釋放途徑、環(huán)境行為及生態(tài)效應(yīng)如圖1所示。近年來，關(guān)于納米CeO2的生物毒性及潛在環(huán)境風(fēng)險受到廣泛關(guān)注，國內(nèi)外已經(jīng)開展大量有關(guān)納米CeO2對微生物細(xì)胞、典型水生生物、植物及模式微生物的生長和代謝的影響研究，發(fā)現(xiàn)不同生態(tài)環(huán)境下納米CeO2的毒性效應(yīng)不盡相同。

圖1 納米顆粒(NPs)在其生命周期內(nèi)的環(huán)境行為及釋放途徑

1.1 納米CeO2對細(xì)胞的毒性作用(Toxicity effects of CeO2 nanoparticles on cells)

細(xì)胞是組成生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，關(guān)于納米CeO2的細(xì)胞毒性研究已成為一大熱點，但在分子水平上探究其毒性作用機(jī)制的研究還比較缺乏。納米CeO2對不同的細(xì)胞系產(chǎn)生的毒性作用機(jī)制有所不同，了解并控制納米CeO2致毒的機(jī)理可以為降低其毒性并制定安全性評價提供可靠的依據(jù)。Lin等[12]將A549細(xì)胞系暴露于納米CeO2懸液中發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞的存活率隨暴露時間及暴露劑量的增加而下降：主要原因是細(xì)胞內(nèi)活性氧(ROS)水平、脂質(zhì)過氧化反應(yīng)和細(xì)胞膜損傷程度增加，同時抗氧化水平下降，表明納米CeO2在細(xì)胞內(nèi)部引起氧化損傷[13]。

此外，納米CeO2還可以導(dǎo)致炎性因子的分泌及DNA損傷，進(jìn)而引起細(xì)胞形態(tài)受損和細(xì)胞的凋亡。Gojova等[14]用不同濃度的納米CeO2懸液培養(yǎng)HAECs細(xì)胞，結(jié)果顯示暴露細(xì)胞內(nèi)部炎癥標(biāo)記物濃度與納米CeO2濃度呈顯著正相關(guān)性，該結(jié)果與納米CeO2引起細(xì)胞DNA及染色體的損傷有關(guān)[15-16]。另有學(xué)者利用電流式細(xì)胞術(shù)結(jié)合電鏡觀察證實，納米CeO2還可以通過損害細(xì)胞形態(tài)降低細(xì)胞活性，最終誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[17-18]。值得關(guān)注的是，納米CeO2對不同細(xì)胞的毒性作用表現(xiàn)出一定的選擇性。例如，Park等[18]的研究表明，相同處理條件下納米CeO2使BEAS-2B細(xì)胞活力下降，但對T98G和H9C2細(xì)胞的活力沒有影響。進(jìn)一步研究表明， 納米CeO2對放射介導(dǎo)下的不同細(xì)胞的凋亡和損傷呈現(xiàn)出不同的作用，即對正常的細(xì)胞具有保護(hù)作用而對相應(yīng)的癌細(xì)胞具有滅活作用[19]，這為納米CeO2在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了思路[20]。

1.2 納米CeO2對組織器官的毒性作用(Toxicity effects of CeO2 nanoparticles on tissues and organs)

納米CeO2可以通過多種環(huán)境介質(zhì)的傳播和食物鏈傳遞等方式進(jìn)入生物體內(nèi)，因而納米CeO2的廣泛使用極大程度地增加了生態(tài)環(huán)境中的生產(chǎn)者、消費(fèi)者等與納米CeO2的接觸機(jī)會。目前，納米CeO2對生物體最直接的暴露途徑是經(jīng)呼吸道吸入。拋光粉、汽車尾氣凈化劑及柴油燃料添加劑中的納米CeO2可以通過呼吸道直接進(jìn)入機(jī)體內(nèi)部。已有報道指出，當(dāng)空氣中納米CeO2顆粒含量或毒性超過肺部防御能力時會引起肺損傷、纖維化等多種炎癥反應(yīng)。例如，Srinivas等[21]通過連續(xù)4 h給雌性和雄性大鼠吸入氣溶膠濃度為641 mg·m-3的納米CeO2并在24 h、48 h和14 d后檢測大鼠肺部活性發(fā)現(xiàn)，急性暴露途徑吸入的納米CeO2顆粒會通過氧化應(yīng)激效應(yīng)誘導(dǎo)細(xì)胞毒性，最終導(dǎo)致慢性毒性的發(fā)生，但是該過程與暴露時間之間沒有顯著的相關(guān)性。向雄性大鼠滴注納米CeO2的方式同樣發(fā)現(xiàn)納米CeO2可以引起肺部炎癥和肺損傷，進(jìn)一步導(dǎo)致肺纖維化[22]，向雄性大鼠氣管滴注納米CeO2的方式可產(chǎn)生氧化應(yīng)激誘導(dǎo)中性粒細(xì)胞及淋巴細(xì)胞等產(chǎn)生氧化損傷[23]。

納米CeO2進(jìn)入機(jī)體后，會隨血液循環(huán)到達(dá)機(jī)體的其他組織器官，包括肝、腎、心和腦等部位并引發(fā)相應(yīng)的毒性效應(yīng)。對小鼠進(jìn)行納米CeO2灌胃實驗證實，經(jīng)口染毒的納米CeO2也會引起肝腎功能的損傷[24]。對小鼠的一次性灌胃染毒實驗進(jìn)一步可以證實進(jìn)入機(jī)體內(nèi)部的納米CeO2對腦、心臟和脾臟器官產(chǎn)生了一定的毒性作用[25]。根據(jù)已有研究可以得出，納米CeO2對生物體的影響是全方位的。因為納米CeO2的粒徑較小，其不僅可以繞過血腦屏障到達(dá)嗅球，還可以隨血液循環(huán)到達(dá)其他組織器官并產(chǎn)生毒性效應(yīng)。但是，目前關(guān)于納米CeO2作用的具體靶器官及損傷機(jī)制還不明確，有待進(jìn)一步研究證實。

1.3 納米CeO2對植物的影響(Toxicity effects of CeO2 nanoparticles on plants)

作為環(huán)境中的重要組成部分，植物在維持生態(tài)系統(tǒng)平衡、為動物和人類提供能量過程中發(fā)揮著不可替代的作用。然而，隨著空氣、水體和土壤中納米顆粒的不斷累積，植物會不可避免地通過根系或葉片暴露于納米CeO2富集的環(huán)境中。一旦植物表面接觸了納米CeO2，其會在植物體內(nèi)通過吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)等方式儲存在不同的部位，進(jìn)而極有可能進(jìn)入食物鏈并在高等生物體內(nèi)累積、放大[26-27]。

Zhang等[28]研究黃瓜對納米CeO2的吸收和運(yùn)輸時發(fā)現(xiàn)，黃瓜根部可以快速吸收納米CeO2并向上遷移、轉(zhuǎn)運(yùn)到其他組織中，且納米顆粒的尺寸越小越容易被吸收，累積量也越多[29]。進(jìn)一步利用掃描透射電子顯微鏡及X射線精細(xì)近邊結(jié)構(gòu)譜技術(shù)發(fā)現(xiàn)，累積在黃瓜根部的納米CeO2大部分被生物轉(zhuǎn)化并主要以磷酸鈰的形式存在，而在莖尖組織部位的納米CeO2則大部分以羧酸鈰的形式存在[28]。在納米CeO2表面生成的磷酸鈰沉淀會降低納米CeO2的生物可利用性，進(jìn)而降低其毒性[30]。另外，植物體內(nèi)或根部在應(yīng)對納米暴露過程中分泌的物質(zhì)可能會改變納米顆粒的團(tuán)聚狀態(tài)和介質(zhì)的pH值，導(dǎo)致納米CeO2發(fā)生還原溶解的現(xiàn)象，這一結(jié)果是引起納米CeO2不同的生物累積狀況及生物毒性效應(yīng)的原因[31]。

除在植物體內(nèi)的吸收、運(yùn)移和轉(zhuǎn)化外，納米CeO2對高等植物的毒性作用也得到了大量的證實。Priester等[32]研究了納米CeO2對大豆的影響，發(fā)現(xiàn)納米CeO2不僅會抑制大豆的生長、降低大豆的產(chǎn)量，高濃度情況下還會抑制大豆根瘤的固氮效果。利用隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)DNA技術(shù)可以直接證實納米CeO2對大豆的基因毒性[33]。Hernandez-Viezcas等[34]和Bandyopadhyay等[35]同樣觀察到納米CeO2暴露條件下，大豆及苜蓿根部共生的固氮菌活性會受到明顯抑制，導(dǎo)致植物生長過程中氮循環(huán)過程受阻。Ma等[36]研究納米CeO2對擬南芥生物量的影響時指出，500～2 000 mg·L-1暴露濃度下，擬南芥的生長與對照組相比減少了85%。而濃度為1 000 mg·L-1和2 000 mg·L-1時擬南芥葉片葉綠素含量分別降低了60%和85%。分析潛在機(jī)制主要是暴露過納米CeO2的植物內(nèi)脂質(zhì)過氧化水平、電解質(zhì)釋放及功能酶活性都發(fā)生了變化，表明納米CeO2對植物細(xì)胞造成氧化脅迫效應(yīng)[37-38]。

1.4 納米CeO2對水生生物的毒性效應(yīng)(Toxicity effects of CeO2 nanoparticles on aquatic organisms)

目前為止，還沒有確切的實驗現(xiàn)象來證實納米CeO2可以進(jìn)入到生物細(xì)胞內(nèi)部，但大量試驗結(jié)果佐證了納米CeO2的確可以進(jìn)入到胞外聚合物(EPS)或吸附在微生物細(xì)胞膜上[39]。近年來關(guān)于納米CeO2對水生生物的毒性效應(yīng)的報道層出不窮，且毒性效應(yīng)與納米尺寸及生物體的種類息息相關(guān)。已有研究中關(guān)于納米CeO2對水生生物毒性效應(yīng)的詳細(xì)內(nèi)容如表1所示。

表1 納米CeO2對水生生物的毒性研究

在納米CeO2對水生生物的影響研究中，水生生物種類、暴露方式及積累的Ce含量的不同均會導(dǎo)致相應(yīng)的半致死濃度(LC50)不同。例如，在暴露于亞致死濃度的納米CeO2的過程中，吸附在小球藻(Chlorellapseudomonas)上的納米CeO2的量是大型溞上面Ce元素總量的3倍。大型溞(Daphniapulex)主要是通過食物鏈的攝食過程吸收納米CeO2，而小球藻自身較大的比表面積使其能夠吸附更多的納米CeO2[49]。van Hoecke等[43]將大型溞暴露于14、20和29 nm的納米CeO2懸液21 d，發(fā)現(xiàn)對于2種較小尺寸的納米CeO2LC50約為40 mg·L-1，而29 nm的LC50為71 mg·L-1。相比較于大型溞，同形溞(D.similis)對納米CeO2的毒性抵抗能力更強(qiáng)，其LC50值大約是大型溞的350倍[50]。納米CeO2對大腸桿菌(E.coli)和枯草芽孢桿菌(B.subtilis)的毒性明顯高于奧奈達(dá)希瓦氏菌(S.oneidensis)[51]。當(dāng)以隱桿線蟲(C.elegans)作為模式生物時，0.172 μg·L-1的納米CeO2即可以引起其體內(nèi)ROS累積、氧化損傷及生命周期的縮短[52]。然而，在斑馬魚(Daniorerio)的暴露實驗中，500 μg·L-1的納米CeO2在斑馬魚的肝臟部位有明顯的積累，5 000 μg·L-1濃度暴露下斑馬魚對納米CeO2卻沒有明顯的吸收，且納米CeO2在72 h的暴露過程中只有超過200 mg·L-1時才對斑馬魚產(chǎn)生明顯的毒性作用[43]。在貝類(Mytilusgalloprovincialis)對納米CeO2的吸收實驗中，不同的暴露方法(即直接暴露或通過攝食浮游植物暴露)對貝類吸收納米CeO2量的影響只表現(xiàn)在前2周，因為隨著貝類體內(nèi)累積的納米CeO2含量的增加，其自身清除速率也會相應(yīng)增加以抵抗組織中不斷增加的納米CeO2含量[53]。

目前已有報道中，由于不同暴露實驗中所用納米CeO2的理化性質(zhì)不同，導(dǎo)致相同水生生物對納米CeO2暴露的毒性響應(yīng)有所不同，因而難以對納米CeO2在水環(huán)境中的生態(tài)效應(yīng)得出一致的結(jié)論。此外，毒理實驗中得到的納米CeO2對水生生物的毒性效應(yīng)濃度往往低于模型預(yù)測的濃度，可能原因是實際水環(huán)境介質(zhì)中的天然有機(jī)物(NOM)、離子強(qiáng)度或pH對納米CeO2的團(tuán)聚分散行為與化學(xué)反應(yīng)活性產(chǎn)生了影響，進(jìn)而間接影響了其毒性效應(yīng)。因此，建立不同水環(huán)境條件下納米CeO2的賦存分布特征及反應(yīng)活性與其毒性效應(yīng)間的關(guān)系對全面認(rèn)識并評估納米CeO2的生態(tài)風(fēng)險具有重要意義。

1.5 納米CeO2對土壤生物的影響(Toxicity effects of CeO2 nanoparticles on soil organism)

由于納米CeO2較小的尺寸，其可以透過土壤的宏觀或微觀孔隙，進(jìn)而對土壤生物產(chǎn)生不利的影響。已有研究多關(guān)注納米CeO2對土壤中無脊椎動物的生理活性的影響，而關(guān)于納米CeO2對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響的內(nèi)容還比較少。因為納米CeO2可以通過多種直接或間接的致毒途徑影響微生物群落的組成結(jié)構(gòu)，因而難以解析納米CeO2實際的毒性效應(yīng)及作用機(jī)制。直接作用主要源于納米CeO2可以通過吸附作用改變有毒物質(zhì)或營養(yǎng)鹽的生物可利用性，而間接作用主要是由于納米CeO2與NOM或毒性有機(jī)物的相互作用可以擴(kuò)大或緩解其毒性效應(yīng)[54]。Vittori Antisari等[55]選取2種土壤，用100 mg Ce·kg-1(土壤干質(zhì)量)的納米CeO2暴露60 d后發(fā)現(xiàn)2種土壤內(nèi)微生物的生物量均未發(fā)生明顯變化。但是，納米CeO2降低了微生物的C與N比值且增加了微生物的代謝商數(shù)(qCO2)，主要原因是微生物棲息的土壤環(huán)境組成成分發(fā)生變化，細(xì)胞內(nèi)部受到脅迫效應(yīng)。

關(guān)于土壤無脊椎動物的研究，目前主要集中在秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditiselegans)和蚯蚓(Eiseniafetidia)2種。對比Ce鹽及3種不同粒徑的納米CeO2對蚯蚓的毒性作用發(fā)現(xiàn)[58]，所有的暴露實驗中，蚯蚓體內(nèi)累積的Ce含量都隨暴露濃度的增加而增加，且暴露于納米CeO2顆粒的蚯蚓相比較暴露于離子態(tài)Ce的蚯蚓累積量更多。組織學(xué)觀察結(jié)果顯示，暴露于納米CeO2的蚯蚓的體壁角質(zhì)層損失明顯，腸上皮細(xì)胞完整性遭到破壞。因而，盡管蚯蚓的生存及繁殖在相對較短的暴露實驗中沒有受到明顯的影響，但是組織學(xué)的變化可以在一定程度上推斷蚯蚓在長期暴露過程中受到的毒性抑制作用[59]。Collin等[57]進(jìn)一步說明了納米CeO2表面的電極電勢對其毒性效應(yīng)具有顯著影響。帶正電的納米CeO2相較于中性及帶負(fù)電的納米CeO2表現(xiàn)出更高的生物累積及生物毒性效應(yīng)，其在24 h暴露實驗中對生長階段的隱桿線蟲LC50為15.5 mg·L-1。作為典型的土壤模式生物，納米CeO2對秀麗隱桿線蟲的毒性脅迫效應(yīng)受到專家學(xué)者的廣泛關(guān)注，納米CeO2不同的理化性質(zhì)導(dǎo)致其對秀麗隱桿線蟲產(chǎn)生的毒性有所不同，具體內(nèi)容如表2所示。

表2 納米CeO2對土壤中秀麗隱桿線蟲的毒性研究

綜上所述，納米CeO2對土壤生物的毒性效應(yīng)會受到土壤中NOM含量、納米CeO2自身電極電勢及粒徑的影響。因此，為緩解土壤中納米CeO2的生態(tài)風(fēng)險，可以對納米CeO2進(jìn)行改性、修飾，如通過吸附NOM以改變納米CeO2顆粒的表面電勢或增加納米CeO2的粒徑，以降低其被蚯蚓或線蟲等吞食的風(fēng)險。

2 納米CeO2的生物致毒機(jī)制(Toxicity mechanisms of CeO2 nanoparticles on organisms)

已有研究中，眾多學(xué)者對納米CeO2的生物毒性作用機(jī)制進(jìn)行了一系列的探索，但是目前還沒有得出一致的、明確的結(jié)論，因為納米CeO2較小的尺寸導(dǎo)致其可以在亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)(包括細(xì)胞膜、蛋白質(zhì)和DNA分子等)上與生物系統(tǒng)發(fā)生相互作用進(jìn)而產(chǎn)生毒性效應(yīng)。根據(jù)已有研究，納米CeO2對生物的毒性作用機(jī)理大致可以分為以下2個部分：直接或物理性抑制(包括與細(xì)胞本身或細(xì)胞膜直接接觸并產(chǎn)生相互作用)和間接或化學(xué)抑制(即納米CeO2與生物體的內(nèi)在、外在環(huán)境作用進(jìn)而產(chǎn)生一系列化學(xué)因素或化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致的毒性效應(yīng))。本文進(jìn)一步將上述兩方面總結(jié)繪制如圖2所示的概要圖。在復(fù)雜的生物體-納米CeO2系統(tǒng)中，這2個方面的作用甚至?xí)瑫r發(fā)生。

圖2 納米CeO2通過物理損傷或化學(xué)抑制產(chǎn)生的生物毒性作用機(jī)制

2.1 物理損傷(Physical damage)

納米CeO2會通過直接吸附在生物細(xì)胞外膜上對生物體產(chǎn)生較強(qiáng)的毒性效應(yīng)，其主要機(jī)理包括以下2個方面。(1)吸附在細(xì)胞表面的納米CeO2會干擾生物體生存環(huán)境中的營養(yǎng)物質(zhì)向細(xì)胞內(nèi)部的遷移擴(kuò)散，進(jìn)而會引起生物體生存環(huán)境pH或氧化還原電勢(EH)的改變并導(dǎo)致細(xì)胞營養(yǎng)缺乏[41,44]；(2)一旦與細(xì)胞接觸，納米CeO2的不規(guī)則形狀和粗糙的外表面會直接破壞細(xì)胞膜完整性，進(jìn)而改變細(xì)胞膜的粘性及流動性、破壞離子泵的功能、使得胞內(nèi)物質(zhì)流出、干擾細(xì)胞與外部環(huán)境的物質(zhì)交換過程，最終抑制生物體的生長[40,43-44,60]。

2.2 化學(xué)抑制過程(Chemical inhibition)

化學(xué)抑制是納米CeO2產(chǎn)生生物毒性過程的重要方面，主要包括納米CeO2在其顆粒表面或細(xì)胞內(nèi)部發(fā)生的一系列氧化還原反應(yīng)。生物體-納米CeO2體系中相關(guān)的氧化還原化學(xué)過程會直接產(chǎn)生過量的ROS，引起細(xì)胞、蛋白質(zhì)及DNA的損傷。下文主要從納米CeO2表面產(chǎn)生的ROS、微生物細(xì)胞內(nèi)部產(chǎn)生的ROS、納米CeO2與生物體亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)間特殊的化學(xué)反應(yīng)3個方面闡明其化學(xué)抑制機(jī)理。

2.2.1 納米CeO2表面產(chǎn)生的ROS

在外部環(huán)境條件作用下，納米CeO2的氧化還原特性會使得其晶格內(nèi)部發(fā)生Ce(Ⅳ)與Ce(Ⅲ)相互轉(zhuǎn)化的還原反應(yīng)，進(jìn)而激發(fā)可產(chǎn)生ROS的類芬頓反應(yīng)或在其晶格內(nèi)部直接產(chǎn)生ROS[61-64]。Preda等[64]證實，外部氧分子(O2)與納米CeO2表面的氧空位(Vo)相互作用會形成過氧(O22-)或超氧自由基，相關(guān)反應(yīng)過程可以描述為：

[2Ce3+,Vo] + O2→ [2Ce4+, O22-]

(1)

(2)

2.2.2 納米CeO2在生物體內(nèi)部產(chǎn)生的ROS

關(guān)于納米CeO2在細(xì)胞內(nèi)部誘導(dǎo)產(chǎn)生ROS的機(jī)理尚不明確，但是在生物體系中，諸多因素會激發(fā)氧化還原類的反應(yīng)并產(chǎn)生ROS，例如納米CeO2與無機(jī)、有機(jī)或液態(tài)的脂質(zhì)發(fā)生的反應(yīng)。根據(jù)已有文獻(xiàn)，納米CeO2在胞內(nèi)產(chǎn)生ROS的主要過程可以歸納為以下幾個反應(yīng)[61,63,70-71]：

Ce(Ⅳ) + Xred-→Ce(Ⅲ) + Xox

(3)

(4)

(5)

H2O2+ Ce(Ⅲ)→Ce(Ⅳ) + OH-+ ·OH

(6)

2LOOH + Ce(Ⅲ)→Ce(Ⅳ) + 2LO·+·OH+ OH-

(7)

式中：Xred-表示胞內(nèi)與生理學(xué)相關(guān)的還原性物質(zhì)，Xox是其氧化狀態(tài)，LOOH表示胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化物，LO·表示過氧化反應(yīng)中產(chǎn)生的烷氧基自由基。然而目前已有關(guān)于納米CeO2在胞內(nèi)產(chǎn)生ROS的化學(xué)反應(yīng)過程的研究還不夠全面，潛在機(jī)理方面的探究還有待深入。今后的研究應(yīng)增加對納米CeO2表面催化活性位點的關(guān)注，同時嘗試分析氧化還原反應(yīng)產(chǎn)物的物質(zhì)的量比及分子組成，這2個方面會對未來揭示胞內(nèi)ROS的產(chǎn)生機(jī)理提供一定的幫助。

2.2.3 納米CeO2與生物大分子間的化學(xué)反應(yīng)

系統(tǒng)闡明納米CeO2與生物體相關(guān)的大分子間的化學(xué)反應(yīng)是揭示納米CeO2致死效應(yīng)的關(guān)鍵。因此，關(guān)于納米CeO2在微生物細(xì)胞內(nèi)與胞體本身結(jié)構(gòu)或組分間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)受到越來越多的關(guān)注。

已有研究得出，當(dāng)納米CeO2進(jìn)入到生物體內(nèi)與生物大分子發(fā)生接觸時，兩者之間主要發(fā)生以下4個方面的相互作用。(1)納米CeO2可以直接從磷脂雙分子層中剝奪有機(jī)磷并與其形成絡(luò)合物，導(dǎo)致細(xì)胞膜裂解和細(xì)胞器損傷[72]；(2)納米CeO2還可以直接使三磷酸腺苷(ATP)和含磷氨基酸中的磷脂鍵斷裂，影響生物體的正常生理功能[73-74]；(3)納米CeO2與生物體系中電活性物質(zhì)間的相互作用同樣會誘導(dǎo)納米CeO2的細(xì)胞毒性。例如，生物體中含有雙硫鍵的大分子(金屬硫蛋白、色氨酸等)是具有代表性的還原物質(zhì)，其很容易被納米CeO2氧化，從而導(dǎo)致大分子結(jié)構(gòu)被分解[73,75]；(4)由于Ce(Ⅲ)與Ca2+具有近乎相同的結(jié)構(gòu)和半徑，生物體內(nèi)包含Ca2+的化合物中，Ca2+很容易被Ce(Ⅲ)取代[76-77]。然而，一旦控制細(xì)胞內(nèi)部信號傳導(dǎo)及起調(diào)節(jié)作用的蛋白分子結(jié)構(gòu)中的Ca2+被Ce(Ⅲ)取代，細(xì)胞功能會發(fā)生紊亂，最終影響細(xì)胞活性[78]。

3 本領(lǐng)域存在的不足及未來發(fā)展方向(Insufficiency and future development direction in this field)

本文系統(tǒng)綜述了納米CeO2對細(xì)胞、組織器官、植物、水生生物及土壤生物的毒性效應(yīng)，進(jìn)一步從物理損傷和化學(xué)抑制2個方面剖析了納米CeO2的毒性作用機(jī)制。但已有研究中在相同的環(huán)境介質(zhì)內(nèi)，不同暴露體系下受試生物的種類及培養(yǎng)模式、納米CeO2的表面性質(zhì)、生物活性的表征手段不同，導(dǎo)致得出的納米CeO2的潛在生態(tài)風(fēng)險存在差異。為進(jìn)一步揭示納米CeO2的環(huán)境生態(tài)效應(yīng)，亟需開展更多相關(guān)方面的研究。

(1)已有的關(guān)于納米CeO2生態(tài)毒性效應(yīng)的研究很少關(guān)注到納米CeO2本身的物理化學(xué)性質(zhì)、在不同暴露介質(zhì)中產(chǎn)生的遷移轉(zhuǎn)化過程對其毒性效應(yīng)的作用，進(jìn)一步導(dǎo)致不同研究中的差異性結(jié)果難以得到合理的解釋。因此，為更加深入的闡述納米CeO2引起的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險，亟需探究納米CeO2不同理化性質(zhì)與其生物效應(yīng)的關(guān)系。

(2)目前已有的關(guān)于納米CeO2生態(tài)風(fēng)險評估的實驗中，所選用的納米CeO2多為商業(yè)生產(chǎn)的納米粉末。然而在實際的環(huán)境介質(zhì)中累積、賦存的納米CeO2多為經(jīng)過老化后從包含納米CeO2的產(chǎn)品中釋放出來的，因此探究老化后納米CeO2的生物毒性效應(yīng)對真實客觀地評價其生態(tài)風(fēng)險是很有必要的。

(3)盡管研究者已經(jīng)普遍認(rèn)識到納米CeO2具有的潛在生態(tài)風(fēng)險，但哪些措施能夠緩解其毒性效應(yīng)、緩解機(jī)理是什么這一問題至今無人給出明確的答案。因此，在接下來的研究中，深入探究納米CeO2生態(tài)毒性的緩解措施對推動納米CeO2安全合理利用和納米技術(shù)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

(4)納米CeO2表面存在的氧空缺及其晶格內(nèi)部存在的Ce(Ⅲ)與Ce(Ⅳ)的相互轉(zhuǎn)化，使其在特定的環(huán)境介質(zhì)或一定的劑量范圍內(nèi)應(yīng)用時生物毒性較低，甚至表現(xiàn)出一定的抗氧化損傷作用。因此，探究不同環(huán)境介質(zhì)、不同環(huán)境濃度下納米CeO2的抗氧化損傷作用及潛在機(jī)制對于納米CeO2的安全合理利用具有重要意義。