納米顆粒對淡水藻類生長的影響：毒性機制與復(fù)合毒性

周小君，徐仰輝，何強，吳正松，黃瑞星，宋嘉慧，皇甫小留

重慶大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院，重慶 400044

隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，納米材料在各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。納米材料至少有一維尺寸處于0.1～100 nm[1]，因此，與相應(yīng)的非納米材料相比，納米材料具有相對較大的表面積和較高的表面反應(yīng)活性，并表現(xiàn)出獨特的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)。這些物理化學(xué)特性有助于納米材料在工業(yè)加工、環(huán)境管理、生物醫(yī)學(xué)、商業(yè)產(chǎn)品如食品儲存、污染地下水修復(fù)、生物傳感和生物成像、化妝品和個人護理產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)用[2-3]。根據(jù)納米材料的來源、元素組成和性質(zhì)，可將其分為4類：金屬納米材料(如Ag和Au)、金屬氧化物(CuO、ZnO和TiO2)納米材料、碳基納米材料(GO和CNT)以及其他納米材料如量子點(CdTe和黑磷量子點[4-5])、生物炭納米和納米塑料等[6-7]。

納米顆?？梢酝ㄟ^污水廠或其他暴露途徑不可避免地釋放到水環(huán)境中，繼而發(fā)生一系列復(fù)雜的物理化學(xué)過程，如團聚、沉積、溶解和其他化學(xué)轉(zhuǎn)化以及與水環(huán)境中的礦物質(zhì)、有機物和微生物等復(fù)雜物質(zhì)相互作用，這些過程對于評價納米顆粒在水環(huán)境中的遷移和歸趨具有重要作用[8-10]。另外，納米顆粒的環(huán)境暴露也會對水生生態(tài)系統(tǒng)的安全甚至人類健康帶來一定風險。通常選擇不同營養(yǎng)水平的生物來評估納米顆粒的生態(tài)毒性，包括初級生產(chǎn)者(藻類)、消費者(哺乳動物、甲殼類動物)和分解者(微生物)[11]。例如，Li等[12]評估了3種不同晶型的TiO2NPs對于污泥中細菌群落和結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)3種晶型的TiO2NPs都有明顯的抑菌效果，并且隨濃度和晶型不同，抑菌效果也不同。Zhang等[13]將大型蚤和蛋白核小球藻暴露于納米塑料來探索納米塑料的生物毒性。結(jié)果證明，納米塑料對環(huán)境生物有明顯毒性。藻類在水生生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，是水生食物鏈中的主要生產(chǎn)者，因此廣泛用來評價納米顆粒的生態(tài)毒性。有研究發(fā)現(xiàn)，Ag NPs增加了藻類中的活性氧水平和過氧化脂質(zhì)含量，并激活抗氧化酶如過氧化氫酶；并且發(fā)現(xiàn)老化和包被對培養(yǎng)基中Ag NPs的轉(zhuǎn)化及其對藻類作用有重要影響[14]。同樣的，有研究通過熒光顯微鏡評估聚苯乙烯(PS)納米顆粒與藻類細胞壁之間的相互作用，短期和長期毒性試驗同時進行，發(fā)現(xiàn)PS-COOH納米顆粒對藻類生長有毒性影響[15]除了納米顆粒的物理化學(xué)特性外，其他環(huán)境因素例如環(huán)境膠體和有機物等也影響納米顆粒的毒性。另外，納米顆粒與其他環(huán)境污染物的復(fù)合毒性也是近年來研究的重點。

雖然國內(nèi)外一些學(xué)者對于納米顆粒在水環(huán)境中的遷移歸趨和對水環(huán)境中藻類的毒性機制都有了很多總結(jié)，但是部分內(nèi)容和機理還沒有分析清楚。例如，一些環(huán)境納米或膠體物質(zhì)對納米顆粒的毒性影響以及藻類胞外聚合物的作用需要進一步明晰。另外，近年來關(guān)于納米顆粒的藻類毒性的文章持續(xù)增多，而關(guān)于一些新型納米顆粒的毒性以及納米顆粒與其他污染物間的復(fù)合毒性的相關(guān)綜述有限。本文總結(jié)了近年來國內(nèi)外對納米顆粒毒性的研究，系統(tǒng)地綜述了常見納米顆粒和新型納米顆粒對淡水藻類的毒性效應(yīng)、影響因素以及作用機制，并總結(jié)了納米顆粒與其他污染物共存時對藻類的復(fù)合毒性。

1 納米顆粒對藻類的影響及其作用機制(Effect and mechanism of nanoparticles on algae)

近年來，由于納米技術(shù)的快速發(fā)展，許多新型的納米材料正在被開發(fā)利用，同時這也意味著越來越多的納米顆粒最終會進入水體，并對水體中的生物產(chǎn)生各種影響，其中以對藻類的影響為研究重點，其中，常見納米顆粒包括金屬納米顆粒、氧化物納米顆粒、碳基納米及其他納米顆粒。

金屬納米顆粒(MNPs)是目前最常用的納米顆粒，占納米產(chǎn)品全球市場總量的37%[16]。金屬納米材料應(yīng)用廣泛，常見的有Au NPs和Ag NPs。對于MNPs，它們對藻類的毒性機制表現(xiàn)為氧化應(yīng)激脅迫、破壞細胞完整性、基因損傷和影響光合作用，并且會釋放金屬離子而對藻類產(chǎn)生毒性(表1)[17-18]。Au NPs具有生物相容性好、光學(xué)性質(zhì)獨特、導(dǎo)電性強、分散性好、易于制備與修飾等性質(zhì)，在化學(xué)分析、生物傳感、生物醫(yī)學(xué)與生物成像等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[19]，并且Au NPs具有化學(xué)惰性和抗氧化能力，因此備受關(guān)注[20]。Ag NPs因具有很強的抗菌活性，被廣泛應(yīng)用于如洗滌劑、食品包裝、化妝品、紡織品和傷口敷料等，因此環(huán)境中的銀納米顆粒尤為常見[8]。

常見的金屬氧化物納米材料有ZnO NPs、TiO2NPs和CuO NPs等。ZnO NPs是納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用最廣泛的納米材料之一，當它們進入水環(huán)境后，經(jīng)一系列物理化學(xué)轉(zhuǎn)化可能會產(chǎn)生未知的最終產(chǎn)物，引發(fā)額外的潛在毒性。ZnO NPs光催化產(chǎn)生過氧化氫被認為是活性氧過量產(chǎn)生的主要機制，溶解的ZnO NPs釋放離子(Zn2+)，可改變細胞膜的滲透性，這也被認為是ZnO NPs引起藻細胞生長抑制的原因[21]。TiO2NPs是產(chǎn)量最高的納米材料之一。因此，與ZnO NPs、Ag NPs、碳納米管和富勒烯等其他納米粒子相比，預(yù)計TiO2NPs在地表水的環(huán)境濃度最高[22]。CuO NPs與ZnO NPs、TiO2NPs一樣具有光催化性，并且也會溶解產(chǎn)生Cu2+從而產(chǎn)生毒性。

目前應(yīng)用最為廣泛的碳基納米材料主要有氧化石墨烯(GO)、碳納米管等。由于在表面和邊緣有密集的含氧官能團，GO在水中表現(xiàn)出高的膠體穩(wěn)定性。而GO的高分散性導(dǎo)致GO與水生生物(如藻類)充分直接接觸，從而破壞細胞膜結(jié)構(gòu)并因為遮光效應(yīng)而影響藻類光合作用[23]。之前的研究已經(jīng)證實，碳納米管對許多生物體存在毒性[24]。

納米塑料是塑料碎片在自然界中的老化遷移過程中形成的更小的顆粒，其微尺寸特性和塑料的性質(zhì)，會影響藻細胞的基因表達和生長代謝[25-26]。生物炭由于近年來被應(yīng)用于水體和土壤修復(fù)或作為磷肥施用于土壤中，對環(huán)境微生物造成一定影響[27]。量子點的光學(xué)、電子和催化性質(zhì)使它們成為應(yīng)用前景廣泛的納米材料，可用于生物醫(yī)學(xué)以及太陽能電池、光子和電信行業(yè)[4]。

簡要總結(jié)了各種常見納米顆粒的理化特性(粒徑、Zeta電位、環(huán)境濃度和表面涂覆等)及它們對于不同種類藻類的毒理機制(表1)。

表1 納米顆粒特性及其對藻類的影響Table 1 Characteristics and effect of nanoparticles on algae

納米顆粒在水環(huán)境中具有很高的反應(yīng)活性，會與藻類發(fā)生相互作用，從而產(chǎn)生細胞毒性。并且聚集在細胞表面的納米顆粒對細胞骨架結(jié)構(gòu)(主要指細胞膜)的毒性是顯著的。納米顆粒對藻類的毒性機理有很多，常見的作用機理如圖1所示，例如金屬氧化物納米顆?？梢酝ㄟ^產(chǎn)生活性氧來提高氧化應(yīng)激水平，這些高能物質(zhì)可以攻擊脂類、核酸、蛋白質(zhì)和其他重要的生物分子，從而導(dǎo)致細胞膜受損和乳酸脫氫酶釋放，這可能是導(dǎo)致細胞死亡的毒性機制之一[41-42]。納米顆?？赡艿闹露緳C制主要包括破壞細胞完整性、氧化應(yīng)激損傷、破壞光合機制、基因毒性和毒性物質(zhì)的釋放等，這些致毒機制主要由納米顆粒的自身性質(zhì)決定[43]。而對于納米顆粒來說，對藻類的毒性機制并不是單一的，通常是多種機制聯(lián)合作用[44]。

圖1 納米顆粒對藻細胞的作用機制注：(a)表示破壞細胞完整性；(b)表示氧化應(yīng)激脅迫；(c)表示影響藻類光合作用；(d)表示基因水平的異常。Fig. 1 Mechanism of nanoparticles on algaeNote: (a) Destruction of cell integrity; (b) Oxidative stress; (c) Influence on photosynthesis; (d) Abnormal gene expression.

1.1 破壞細胞完整性

除了細胞壁，細胞膜通過充當?shù)诙€自我保護屏障來保護藻類細胞。破壞細胞完整性是納米顆粒對藻細胞很重要且常見的一個毒性機制，細胞膜被破壞，納米顆粒進入細胞，或者誘導(dǎo)細胞產(chǎn)生對自身不利的物質(zhì)從而引起細胞死亡[34]，如圖1(a)所示。當與藻類細胞膜接觸時，納米顆粒會導(dǎo)致藻細胞非特異性物理損傷和膜完整性的喪失，這可能是細胞死亡的原因之一[45]。此外，細胞表面附著的納米顆?？赡芨蓴_細胞膜的電子或離子傳輸[46]。此外，納米顆粒還可以在細胞膜中積累，并導(dǎo)致細胞壁凹陷，這可能導(dǎo)致細胞膜通透性的改變，引起細胞凋亡[47]。而且納米顆粒可通過產(chǎn)生過量的活性氧，導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化進而誘導(dǎo)膜中孔隙的形成，使其滲透性更高且選擇性更低[1,36]。而當納米顆粒進入細胞后，會對細胞的各種細胞器(如線粒體、細胞核和葉綠體等)造成損傷以破壞細胞結(jié)構(gòu)。

在一項關(guān)于TiO2NPs對變異魚腥藻毒性的研究中，暴露于納米顆粒的藻類，在培養(yǎng)一段時間后，細胞膜中活性氧含量增加，且膜蛋白發(fā)生改變，同時，細胞膜出現(xiàn)異常甚至損壞，在透射電鏡圖中發(fā)現(xiàn)細胞形態(tài)發(fā)生了顯著變化，藻細胞的細胞完整性明顯被破壞[22]。另一項研究表明，納米顆?？赡芤鸺毎け砻骐姾伞⑿螒B(tài)的變化，進一步促進納米顆粒進入細胞，從而產(chǎn)生更大的細胞毒性[31]。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)納米顆粒的存在使得藻類細胞釋放過量活性氧，從而增加細胞膜中的脂質(zhì)過氧化，導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)變形[42]。小球藻暴露于多壁碳納米管會導(dǎo)致藻類細胞完整性顯著被破壞，并導(dǎo)致細胞死亡，納米顆粒劑量和暴露時間的不同，對細胞的毒性也不同[48]。在鐵基納米顆粒對小球藻毒性的實驗中，對照組中藻細胞分布均勻，結(jié)構(gòu)保持完整，然而，在所有鐵基納米顆粒處理組中，細胞嚴重聚集并嵌入納米顆粒聚集體中，并且?guī)缀鯖]有觀察到游離的單個細胞，這表明鐵基納米顆粒和藻類細胞之間存在強的界面相互作用。在透射電鏡圖像中可觀察到暴露于鐵基納米顆粒的細胞形態(tài)的變化。對照組藻類細胞具有緊密附著于細胞壁的完整質(zhì)膜，然而，暴露于鐵基納米顆粒后，尤其是零價鐵納米時，藻類細胞或多或少地變形，并觀察到胞質(zhì)分離[46]。同樣地，在TiO2NPs對斜生柵藻的細胞毒性研究中，觀察到胞質(zhì)分離和齒狀的細胞膜。此外，細胞膜因TiO2NPs的存在而增厚，這可歸因于細胞的保護性質(zhì)，以阻止納米顆粒的內(nèi)化[22]。綜上，納米顆粒通過吸附在細胞表面并與細胞相互作用、胞吞進入細胞和產(chǎn)生氧化應(yīng)激來破壞細胞完整性。

1.2 氧化應(yīng)激脅迫

納米顆?？烧T導(dǎo)細胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生，如超氧自由基、單線態(tài)氧、羥基自由基和過氧化氫，它們誘導(dǎo)細胞內(nèi)氧化應(yīng)激，導(dǎo)致機體內(nèi)氧化還原失衡[49]。氧化應(yīng)激是指機體在各種有害刺激下，體內(nèi)自由基的高活性以及氧化系統(tǒng)和抗氧化系統(tǒng)的失衡，最終導(dǎo)致細胞組織損傷[31]，如圖1(b)所示。已經(jīng)證明，活性氧的產(chǎn)生可以破壞細胞內(nèi)的脂質(zhì)、碳水化合物、蛋白質(zhì)、脫氧核糖核酸和其他生物大分子，導(dǎo)致細胞炎癥和氧化應(yīng)激[50]?；钚匝蹩梢耘c多不飽和脂肪酸、核酸和其他大分子的側(cè)鏈相互作用，導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化[34]。脂質(zhì)過氧化被認為是氧化應(yīng)激導(dǎo)致的最嚴重的損傷形式，因為它會導(dǎo)致細胞膜系統(tǒng)的變化，進而破壞生物體的細胞功能[36]?；钚匝鯇怂岬难趸矔?dǎo)致基因突變[48]?；钚匝蹩蓪?dǎo)致許多脂質(zhì)分解產(chǎn)物的形成，這些分解產(chǎn)物中的一些是無害的，而另一些可能導(dǎo)致細胞代謝紊亂和功能障礙。為了控制細胞中的活性氧水平，細胞已經(jīng)進化出酶和非酶抗氧化的活性氧清除系統(tǒng)，例如抗壞血酸(ASA)、谷胱甘肽、類胡蘿卜素、過氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和抗壞血酸過氧化物酶(APX)[48]。有研究者認為，活性氧的產(chǎn)生導(dǎo)致抗氧化劑的產(chǎn)生增加，抗氧化酶活性的增加，從而激活復(fù)雜的細胞防御機制[36]。

對于CuO NPs，有研究發(fā)現(xiàn)，它通過降低藻類相對生長速率和增加活性氧來對綠藻小球藻產(chǎn)生毒性[37]。藻細胞死亡率隨著GO濃度的增加而增加，而且GO的抗菌活性隨著GO橫向尺寸的增加而增加[51]。GO會損傷細胞膜，并對細胞產(chǎn)生氧化應(yīng)激，膜損傷和氧化應(yīng)激協(xié)同增強GO抗菌活性水平[52]。有研究表明，與對照組相比，鐵基納米顆粒均呈劑量依賴性地增加藻細胞的活性氧含量，由此可知，納米顆粒誘導(dǎo)氧化應(yīng)激并導(dǎo)致細胞膜脂質(zhì)過氧化[46]。以上研究表明，納米顆粒的暴露對藻細胞內(nèi)蛋白質(zhì)和酶活性有影響[36]?？寡趸傅暮铣桑窃孱惣毎目寡趸Ｗo機制之一。當細胞中抗氧化酶的數(shù)量不足以平衡活性氧含量時，便會使細胞處于氧化脅迫的狀態(tài)中。

1.3 影響藻類光合作用

藻類是一種浮游植物，光合作用是藻類的一個重要生理過程。納米顆粒在藻細胞表面的吸附導(dǎo)致遮光效應(yīng)而影響光合作用所需的光、葉綠素和其他條件，從而抑制光合作用過程[53-54]。然而，由遮光效應(yīng)引起的納米毒性很難單獨定量測定，因為表面附著也可能導(dǎo)致其他形式的毒性(如物理膜損傷)。并且富含不飽和脂肪酸的葉綠體膜是脂質(zhì)過氧化的潛在目標，這可能會對小球藻的光合作用位點造成損害[55]，如圖1(c)所示。

有研究發(fā)現(xiàn)，小球藻顯示出對TiO2NPs的敏感性，并且在細胞核和細胞膜以及葉綠體中均觀察到結(jié)構(gòu)損傷[38]。而在Al2O3NPs對小球藻的毒性試驗中發(fā)現(xiàn)，Al2O3NPs能降低藻細胞中葉綠素的含量[56]。Zhang等[29]通過研究暴露于0.1、1和10 μmolL-1Ag NPs和0.1 μmolL-1硝酸銀(Ag+離子源)21 d后小球藻的生長狀態(tài)，可知Ag NPs是通過破壞類囊體和中斷膜脂合成機制而干擾藻類細胞的光合作用和膜穩(wěn)定性的。也有研究證明了納米顆粒改變了藻類的光合速率和呼吸速率，從而導(dǎo)致藻類代謝紊亂[49]。SiO2NPs還影響柵藻光合色素的含量。其中，葉綠素a和b含量降低，而類胡蘿卜素含量不受影響[57]。類似地，柵藻的葉綠素a含量和光合效率隨著TiO2NPs濃度的升高而降低[58]。眾所周知，光合色素含量的變化會直接影響藻細胞的光合作用，而光合作用對于藻類的生長代謝來說不可或缺。

1.4 基因水平的異常

研究暴露于納米顆粒后藻細胞的基因表達可以進一步加深我們對納米顆粒誘導(dǎo)細胞周期停滯的生物學(xué)途徑的理解。細胞周期的進程受多種生長因子的調(diào)節(jié)，這些生長因子通過不同的階段促進細胞的周期進程，同時也有抑制或減緩細胞周期的抑制劑。暴露于納米顆?？梢詫?dǎo)致一系列與細胞周期相關(guān)的基因表達失調(diào)[59]，如圖1(c)所示。

Ouyang等[60]研究發(fā)現(xiàn)，赤鐵礦納米顆粒顯著抑制與生物膜形成相關(guān)的抗生素抗性基因(KT2440)的表達，這與以前的研究結(jié)果一致，赤鐵礦納米顆粒對KT2440基因的下調(diào)表明了假單胞菌抗生素耐受性和細菌活性被納米顆粒弱化。這些結(jié)果證實了赤鐵礦納米顆粒能夠抑制假單胞菌細胞生長和生物膜發(fā)育。類似的，Ag NPs、TiO2NPs和ZnO NPs等納米顆粒能誘導(dǎo)DNA甲基化，從而導(dǎo)致各種細胞過程的紊亂[61]?？傊{米顆?？赡軐?dǎo)致與細胞生長發(fā)育相關(guān)的某些基因表達的上調(diào)或者下調(diào)，或者影響基因表達的過程，從而影響基因組蛋白的表達，進而影響藻細胞的生長代謝及繁殖[62]。

1.5 有毒物質(zhì)的釋放

當藻類暴露于納米顆粒時，可能會由于納米顆粒釋放有毒物質(zhì)或者誘導(dǎo)藻類自身產(chǎn)生有毒物質(zhì)。金屬基納米顆粒可分為2組，一組是不釋放金屬離子(或速率釋放可忽略)的納米顆粒，主要由于納米顆粒特有的(例如粒徑)以及材料固有的(例如涂層)性質(zhì)而對生物產(chǎn)生不利影響。另一組在水中溶解釋放潛在的金屬離子的納米顆粒[42]。Ag NPs對生物的毒性是由于Ag NPs與細胞膜之間的相互作用和溶解性銀(Ag+)的釋放[63-64]。同樣的，Maurer-Jones等[63]用熒光相離子選擇電極表征Ag NPs中的銀離子溶解，從而證明銀離子在Ag NPs的毒理性效應(yīng)中起著至關(guān)重要的作用。有研究發(fā)現(xiàn)，ThO2NPs的毒理性效應(yīng)明顯強于Th(NO3)2，且在暴露于ThO2NPs的藻類培養(yǎng)液中發(fā)現(xiàn)了Th4+的存在，以此證明了ThO2NP中釋放的Th4+具有很強的毒性，這是ThO2NP對藻類的納米毒性的重要機制[65]。同樣的，Wan等[66]的研究表明，與CuO NPs相比，硫酸銅對小球藻毒性較大。CuO NPs的毒性可能是由于溶解的銅離子，盡管在高濃度下，存在一定的遮光效應(yīng)，但與硫酸銅相比，CuO NPs在小球藻中的毒性貢獻要小得多。這些研究均證明了從CuO NPs中溶出的銅離子比CuO NPs本身有更大毒性，即溶出的離子是其毒性的主要機制[66]。而還有些藻類在污染物的刺激下會自身釋放有害物質(zhì)，如納米塑料通過上調(diào)轉(zhuǎn)運蛋白和損傷細胞膜完整性來促進銅綠微囊藻毒素的胞外釋放，從而引起水華[67]。因此對于絕大部分納米顆粒來說，有毒物質(zhì)的釋放都或多或少的存在并影響著納米顆粒的生物毒性行為。

2 影響納米顆粒毒性的因素(Factors affecting the toxicity of nanoparticles)

納米顆粒在水環(huán)境中對藻類產(chǎn)生影響，由于納米顆粒本身的物理化學(xué)特性不同，在水環(huán)境中的作用及歸趨也不同。而水環(huán)境本身成分復(fù)雜，所以會對納米顆粒毒性產(chǎn)生一定程度的影響?？傊?，納米顆粒對藻類的毒性受各種自身和外界因素的影響，包括自身表面特性、水環(huán)境因素和藻細胞胞外聚合物等。

2.1 納米顆粒表面特性的影響

納米顆粒的固有性質(zhì)，如形態(tài)、粒徑、表面電荷、親/疏水性、光敏性、表面涂覆和老化等，都可能影響納米顆粒對藻類的毒性[65,68-69]。不同類型的納米顆粒對藻類的生長表現(xiàn)出不同程度的毒性[70]。例如，ZnO NPs和TiO2NPs由于具有良好的光敏性，毒性相對較強，其中ZnO NPs的毒性比TiO2NPs強[69]。這就是由于不同納米顆粒擁有不同的表面特性，這些表面特性會共同影響納米顆粒對藻類的毒性作用。

2.1.1 粒徑和晶型

納米顆粒的粒徑和晶型，會影響納米顆粒的物理穩(wěn)定性和化學(xué)性能[71]。納米顆粒粒徑減小導(dǎo)致納米材料比表面積增加。比表面積增大使得納米材料的表面能量變大，因而納米顆粒的催化活性也更高。同時由于具有大的比表面積，納米顆粒與對應(yīng)的大顆粒相比具有較大的吸附能力，促進其在藻細胞內(nèi)的積累，增加了納米材料與生物分子之間的相互作用，從而增加其對藻類細胞的毒性作用。在Lei等[46]的實驗中，零價鐵納米顆粒對藻類的毒性隨著納米顆粒粒徑的減小而增加，說明粒徑在納米毒性中起著重要作用。Qu等[72]的研究表明，赤鐵礦納米顆粒比微尺寸赤鐵礦顆粒對細菌更具毒性，這很有可能是因為納米顆粒與細胞之間有更強的界面物理化學(xué)相互作用。同樣的，Sendra等[39]在實驗中檢測到與聚苯乙烯納米顆粒大小相關(guān)的效應(yīng)，最小的納米顆粒(50 nm)在24 h產(chǎn)生更大的毒理效應(yīng)。當與實驗中其余顆粒相比時，較大的納米顆粒在所檢測的不同培養(yǎng)基中顯示出更高的穩(wěn)定性[39]。

此外，納米顆粒的晶型在納米毒性中也起重要作用，納米顆粒的晶型可能會影響葉綠素含量、生成的游離活性氧種類和細胞膜的完整性。有研究表明，α-Fe2O3NPs對小球藻細胞的毒性明顯高于γ-Fe2O3NPs，這是因為α-Fe2O3NPs對藻類細胞表面的親和力更強，并且α-Fe2O3NPs比γ-Fe2O3NPs在中性(～7)條件下可產(chǎn)生更高水平的·OH，造成更嚴重的氧化損傷[73]。

2.1.2 表面電荷、親/疏水性和光敏性

表面電荷影響納米材料對離子和生物分子的吸附，進而影響納米顆粒對藻類的毒性，同時，表面電荷是納米顆粒膠體行為的主要決定因素，通過影響納米顆粒的聚集和團聚行為影響納米材料的生物效應(yīng)。有研究證明，中性和帶正電的塑料納米顆粒在綠藻細胞壁上的吸附比帶負電的塑料顆粒強，故帶正電的納米顆粒在綠藻細胞的表面覆蓋被證明直接導(dǎo)致光合作用抑制和細胞壁破裂[74]。Zhang等[30]通過研究聚乙烯包被的Ag NPs(帶正電)和檸檬酸鹽包被的Ag NPs(帶負電)對綠藻小球藻的毒性影響，發(fā)現(xiàn)Ag NPs表面電荷主要影響藻類細胞中Ag NPs的積累動力學(xué)，從而影響Ag NPs對藻類細胞的毒性[30]，其他研究也得出了同樣的結(jié)論[64]。納米顆粒所帶電荷不同，則與藻類細胞之間的吸附作用不同，并且與水中無機/有機顆粒之間的相互作用也不同。納米顆粒的表面親疏水性主要是由納米顆粒表面官能團決定的。這會影響納米顆粒進入藻細胞的能力以及納米顆粒之間的聚集。一般來說，親水性顆粒會在納米顆粒表面形成一層水膜而更容易使納米顆粒聚集沉降。有的納米顆粒具有光活性，即在暴露于紫外線時，會產(chǎn)生活性氧，從而對周圍的生物產(chǎn)生氧化脅迫。已知TiO2NPs、γ-Fe2O3NPs、ZnO NPs和CeO2NPs等具有光活性。有研究稱TiO2NPs和藻類之間的其他潛在相互作用可能包括TiO2NPs介導(dǎo)的活性氧擴散到藻類細胞壁或周圍介質(zhì)中，從而攻擊細胞或細胞內(nèi)有機化合物而引起細胞毒性[75]。

2.1.3 表面涂覆

為了防止納米顆粒團聚并獲得具有良好分散性的納米顆粒，通常在制備過程中通過表面涂覆的方式進行納米顆粒的表面改性和官能團化[68]。對3種不同材料包覆的Ag NPs的生物累積動力學(xué)研究表明，與無涂覆的Ag NPs相比，表面涂覆的Ag NPs可導(dǎo)致藻類細胞膜通透性增加，其中不同包覆Ag NPs對藻類的毒性作用也不同[76-77]。已證明聚合物包覆的CuO NPs對萊茵衣藻的毒性大于未包覆的CuO NPs對萊茵衣藻的毒性[78]。然而，也有在涂覆后，納米顆粒的毒性降低的情況。比如，腐殖酸包被的TiO2NPs對藻類的毒性降低[79]。同樣的，鋁包覆的SiO2NPs有與藻類細胞聚集的趨勢，因此比未包覆的SiO2NPs毒性更小[42]?？梢酝茢?，表面改性納米顆粒的生態(tài)毒性效應(yīng)取決于包覆的化合物或聚合物的類型及性質(zhì)。

2.1.4 老化

當納米顆粒長期處于水環(huán)境中，會與水中的化學(xué)物質(zhì)或生物體發(fā)生相互的物理作用，也就是老化。老化會改變納米顆粒的遷移、流動和聚集，從而影響其在水環(huán)境中的歸趨[80]。

有研究稱ZnO NPs的毒性主要來源于溶解的Zn2+，但在加了磷酸鹽的系統(tǒng)中，由于生成了毒性較低的無定形磷酸鋅(AZP)和磷鋅礦(Zn3(PO4)2·4H2O)，減少了Zn2+的流出，導(dǎo)致毒性總體降低[21]。Lekamge等[14]的研究表明，老化的Ag NPs與新鮮的Ag NPs相比誘導(dǎo)了過量的活性氧的產(chǎn)生；并且隨著老化時間的延長，Ag NPs的特性(如流體動力學(xué)直徑、Zeta電位和溶解度)發(fā)生變化，這可能會影響Ag NPs的生物利用度，從而改變納米顆粒對藻類的生物毒性[81-82]。研究發(fā)現(xiàn)老化的聚苯乙烯納米顆粒的更大遷移率主要是表面氧化的結(jié)果，這不僅增加了表面電荷的電負性，更重要的是增加了材料的親水性。此外，納米塑料的老化增強了它們與非極性和極性污染物的結(jié)合，進一步提高了納米塑料與污染物的結(jié)合能力[83]。同樣的，老化的生物炭膠體在多孔介質(zhì)中顯示出比原始生物炭膠體更高的遷移率。研究表明，原始和老化的生物炭膠體在具有環(huán)境相關(guān)離子強度的溶液中是穩(wěn)定的，老化過程可能大大增加它們在介質(zhì)中的流動性[84]。

此外，實驗中所采用的藻類和培養(yǎng)基類型也會影響納米顆粒對藻類的毒理性效應(yīng)。眾所周知，納米顆粒對藻類的毒性與納米顆粒的濃度密切相關(guān)，并且一般而言，納米粒子濃度越大，對藻類的毒性越大[85]?？傊捎谒h(huán)境的復(fù)雜性以及納米材料的多樣性，納米顆粒對淡水藻類的毒性復(fù)雜多變，還需要更加細致準確的研究。

2.2 水環(huán)境因素的影響

眾所周知，納米顆粒在水環(huán)境中對藻類的影響與藻類周圍水生環(huán)境的特征和特性密切相關(guān)，例如，水中的自然有機物質(zhì)(NOM)和環(huán)境膠體、pH、離子強度、光照、溫度、硬度和溶解氧等。

2.2.1 自然有機物(NOM)和環(huán)境膠體

自然有機物(NOM)在環(huán)境中普遍存在，并且具有高反應(yīng)活性[86]。一旦納米顆粒被釋放到自然系統(tǒng)中，NOM與納米顆粒的相互作用可能會顯著影響納米顆粒的歸趨和轉(zhuǎn)移，以及納米顆粒的生物利用度和對生物體的毒性。(1)物理作用。NOM可以吸附在納米顆粒上，改變納米顆粒的表面官能團或形成薄膜，增強納米顆粒的吸附、遷移和擴散能力[1]。Ouyang等[60]發(fā)現(xiàn)與赤鐵礦納米顆粒相比，表面結(jié)合透明質(zhì)酸的赤鐵礦系統(tǒng)中細胞內(nèi)活性氧的生成和氧化應(yīng)激基因的表達受到更顯著的抑制。這表明表面吸附天然有機物會顯著影響了納米顆粒對藻類的毒性[60]。由于納米顆粒的大比表面積和高表面能特性，納米顆粒傾向于在環(huán)境中聚結(jié)形成更大的顆粒。但一般來說，NOM可以通過施加靜電和空間障礙來增強NPs的穩(wěn)定性，可以通過減少其聚集來抑制納米顆粒的沉降[87]。(2)化學(xué)反應(yīng)。據(jù)報道，NOM能阻礙Ag NPs的氧化，但加速CuO NPs和量子點的氧化溶解。這可能涉及Ag NPs的氧化位點被表面吸附的NOM所阻斷，還原溶解的Ag+為Ag0，或生成的H2O2被NOM所消除[88]。然而，檸檬酸和草酸都可以增強新制備的CuO NPs的氧化溶解，這可能是由于溶解的O2加速了表面復(fù)合物的氧化[89]。并且離子型Au(Ⅲ)、Ag(Ⅰ)和Cu(Ⅱ)被NOM還原成它們的零價態(tài)，進而導(dǎo)致相應(yīng)元素的納米顆粒的形成[90]。對于金屬氧化物納米顆粒，相應(yīng)的金屬離子一旦分散在水中就不可避免地會溶解。一方面，NOM能吸附在NPs表面，阻斷活性位點，抑制離子溶解。另一方面，NOM與金屬離子的絡(luò)合，促進了離子的溶解。因此，NOM的實際作用應(yīng)取決于NOM的性質(zhì)、納米顆粒的性質(zhì)和環(huán)境條件[91-92]。(3)改變納米顆粒對其他化合物、離子的吸附能力。無機和有機污染物可通過疏水作用、π-π鍵、氫鍵以及靜電或共價作用吸附在納米顆粒表面。與此同時，污染物在NOM上的吸附也可能發(fā)生。由于污染物對NOM和納米顆粒的不同吸附特性以及NOM與納米顆粒之間的相互作用，與NOM共存時，納米顆粒吸附性能的改變是不可避免的，這將對這些污染物的遷移、生物有效性和毒性產(chǎn)生重要影響?？傊?，不同種類的NOM會通過不同機制不同程度地影響納米顆粒在水環(huán)境中的特性和對水生生物的毒性。

在自然水體中，有大量的自然膠體存在(如納米膠體(Ncs)、Al2O3和Fe2O3)。而這些自然膠體對于納米顆粒在水環(huán)境中的影響及歸趨也有著不可忽視的作用。例如，無毒的赤鐵礦納米顆粒通過吸附降低銀離子的生物利用度，從而減輕了Ag NPs對萊茵衣藻的毒性。在另一種藻的毒性實驗中，盡管具有銀離子載體的作用，但赤鐵礦納米顆粒仍能通過競爭性抑制Ag NPs的細胞攝取來減輕Ag NPs的毒性[93]。研究發(fā)現(xiàn)，GO和GO-Ncs對小球藻細胞具有包裹效應(yīng)，兩者都可以進入小球藻細胞。但GO-Ncs比GO可誘導(dǎo)更多的活性氧生成，導(dǎo)致DNA損傷和質(zhì)壁分離更強，對光合作用的抑制更明顯[94]。同樣的，另一研究表明，Al2O3通過形成GO-Al2O3雜聚體抑制了GO誘導(dǎo)的蛋白核小球藻的膜損傷，減少了細胞內(nèi)活性氧的生成和納米顆粒與藻細胞的物理接觸[23]。

2.2.2 水的離子強度、pH和硬度

天然水體的離子強度和酸堿度可以改變納米顆粒在水中的懸浮狀態(tài)[95]，這也影響納米顆粒對藻細胞的吸附。金屬氧化物納米顆粒在水溶液中的穩(wěn)定性在很大程度上取決于水體的離子強度。為了研究離子強度對ZnO NPs在環(huán)境中性(pH 7.0)水體中的穩(wěn)定性和聚集的影響，發(fā)現(xiàn)離子強度對于納米顆粒在水中的溶解和聚集也有明顯的影響[96]。一般來說，離子強度增加，Zeta電位降低，納米顆粒之間的靜電排斥力下降，從而加強了納米顆粒的聚集、沉降，從而減輕了納米顆粒的毒性。pH同樣會影響納米顆粒的溶解和聚集，如ZnO NPs在pH<6時會因為ZnO表面受到質(zhì)子攻擊而致使納米顆粒溶解，而在pH>9時，又會與氫氧化物產(chǎn)生羥基絡(luò)合物形式的可溶性物質(zhì)，如Zn(OH)2(aq)、Zn(OH)3(aq)等，因此在pH值為6～9范圍內(nèi)觀察到的溶解度最低的ZnO NPs[96]。水硬度是另一個重要的納米顆粒毒性影響因素，水硬度大小主要是指Mg2+和Ca2+的濃度大小，當水硬度大時，會促進納米顆粒聚集和減少溶解[97]。Nolte等[74]的研究表明，隨著Ca2+濃度的增加，納米顆粒之間的靜電斥力下降，并且Ca2+會與納米塑料絡(luò)合，從而引起NPs聚集增加。

2.2.3 水溫、光照

眾所周知，溫度對水生生態(tài)系統(tǒng)群落有著直接的影響，因為它被認為是影響藻類等初級生產(chǎn)者生長和生產(chǎn)的重要非生物因素，因為溫度會影響水中的溶解氧、生物的呼吸作用、藻類的光合作用及各項生理代謝。并且溫度與納米顆粒的溶解、聚集等特性密切相關(guān)，例如，隨著溫度的升高，Ag NPs的溶解速率提高，促進了Ag+的釋放[63]。因此，由于引起藻細胞生理狀態(tài)的變化和納米顆粒的狀態(tài)變化，溫度會影響納米顆粒對藻類的毒性。而光照對藻類的生長至關(guān)重要，而不同的光對于納米顆粒也有著不同的影響。因為一些納米顆粒是具有光催化性能的半導(dǎo)體，所以暴露在紫外光下的納米顆?？赡芡ㄟ^形成高活性的活性氧物種對藻類產(chǎn)生毒性作用[42]，并且在不同的光照條件下，納米顆粒的溶解會在一定程度上發(fā)生變化。一項研究報告了紫外輻射對有銅包被的TiO2NPs毒性有緩解作用，這可能是由于TiO2NPs對紫外光進行散射和吸附，保護了表面附著納米顆粒的藻類細胞免受紫外光輻射脅迫[98]。有研究發(fā)現(xiàn)與在黑暗和可見光條件下相比，ZnO NPs在紫外光輻射下的毒性顯著提高，這是因為紫外光照射下，納米顆粒溶解性增強，水中活性氧物種的釋放明顯增多，并引起了更嚴重的細胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化等[31]。

2.3 胞外聚合物(EPS)對納米顆粒毒性的影響

胞外聚合物(EPS)是一種非均質(zhì)的有機混合物，主要來源于藻類細胞的排泄和溶解[99]。EPS根據(jù)在水中的溶解度大小又分為溶解性EPS(SEPS)和聚集型EPS(BEPS)[100-101]。溶于水或與細胞壁結(jié)合的微生物EPS已被證明會影響納米顆粒以及藻類的物理化學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性，并且極有可能影響納米顆粒與藻類細胞之間的異質(zhì)團聚過程。由于含多官能團和大分子量，EPS可以與納米顆粒結(jié)合形成穩(wěn)定懸浮液，或誘導(dǎo)其形成某種程度的聚集，從而影響納米顆粒的溶解度[102]。納米顆粒的生態(tài)毒性受到其穩(wěn)定性和溶解性的高度影響，Xu和Jiang[103]研究發(fā)現(xiàn)，由于藍藻EPS的存在，ZnO NPs在富營養(yǎng)化的水中比在貧營養(yǎng)化水生環(huán)境中顯示出更高的潛在毒性，這是因為富營養(yǎng)化水體中含有更多的EPS[103]。研究發(fā)現(xiàn)在藻類細胞產(chǎn)生的EPS中含有大量的糖類和蛋白質(zhì)，有些蛋白質(zhì)會吸附在TiO2NPs表面，形成一層蛋白質(zhì)殼，從而影響TiO2NPs的環(huán)境歸趨和穩(wěn)定性，進而影響TiO2NPs對藻類的毒性[104]。在EPS對CeO2NPs的影響研究中發(fā)現(xiàn)SEPS的存在通過與細胞形成EPS-CeO2NPs雜聚體，SEPS-CeO2NPs聚集體可與細胞共沉淀，但大多數(shù)聚集體不直接損傷藍藻細胞。而BEPS可以作為屏障保護藍藻細胞免受環(huán)境中CeO2NPs的毒性[105]。

總之，除了納米顆粒本身獨特的物理化學(xué)特性會影響納米顆粒對藻類的毒性之外，水環(huán)境中復(fù)雜的物質(zhì)組成和物理化學(xué)特性以及生物EPS，也會使得納米材料的性質(zhì)發(fā)生改變，從而影響納米材料對淡水藻類的毒性。

3 納米顆粒和其他污染物的復(fù)合毒性(Combined toxicity of nanoparticles and other pollutants)

近年來大量的研究表明，不同的納米顆粒處于同一個水環(huán)境時，或者納米顆粒與其他污染物質(zhì)處在同一水環(huán)境時，納米顆粒和其他污染物質(zhì)之間或不同納米顆粒之間會相互作用或相互影響，這些污染物的毒性會因此而發(fā)生改變，有可能是協(xié)同作用，也可能是拮抗作用[15,106]。TiO2NPs和Cu2+對細胞壁的損傷為拮抗作用，潛在機制部分歸因于Cu2+在TiO2NPs上的吸附，Cu2+的減少保護了藻類細胞免受游離Cu2+的攻擊[107]。有研究表明，Cu能刺激綠藻胞外聚合物的產(chǎn)生，并且暴露于Cu和聚苯乙烯組合物時測得的體系中蛋白質(zhì)含量降低至30%，這可以解釋為蛋白質(zhì)吸附在聚苯乙烯表面，使得納米塑料對藻類的毒性降低[15]。同理，Dalai等[108]發(fā)現(xiàn)在含有六價鉻的水體中加入TiO2NPs后，六價鉻的毒性顯著減小，經(jīng)驗證，這也是因為六價鉻吸附在TiO2NPs表面，減少了溶解量。而Zn2+中加入Au NPs，會因為Zn2+誘導(dǎo)Au NPs的聚集而使得Au NPs對藻類的毒性減小，即Zn2+和Au NPs對藻類的毒性也具有拮抗效應(yīng)[109]。GO-廢水混合物在較低的濃度下對萊茵衣藻仍表現(xiàn)出相當大的拮抗作用，即2種污染物對萊茵衣藻的復(fù)合毒性顯著小于各自的單獨毒性[38]。也有不少研究發(fā)現(xiàn)2種污染物對藻類的復(fù)合毒性大于單獨的毒性。如單獨使用Au NPs和單獨使用納米塑料都不會導(dǎo)致實驗中藻類平均比生長速率顯著降低。而同等濃度的Au NPs和納米塑料混合物處理會顯著降低微藻的平均比生長率[106]。總之，2種以上的污染物在水體共存時，會因污染物的性質(zhì)和水體條件不同而產(chǎn)生不一樣的生物效應(yīng)。

4 結(jié)論及展望(Conclusion and prospect)

4.1 結(jié)論

(1)迄今，已有研究表明，在大多數(shù)情況下，納米顆粒顯然對藻類的生長和代謝產(chǎn)生了不利影響，因為藻類是水環(huán)境中的主要生產(chǎn)者，這可能會影響水生生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈，從而擾亂整個生態(tài)平衡并導(dǎo)致生物多樣性喪失。

(2)納米顆粒對藻類的毒性作用主要通過破壞細胞結(jié)構(gòu)、產(chǎn)生過量ROS、破壞光合作用過程、基因差異性表達和釋放有毒物質(zhì)5個機制聯(lián)合作用來實現(xiàn)。這是由納米顆粒獨特的理化性質(zhì)和藻細胞的結(jié)構(gòu)特性共同決定的。

(3)在自然水體中，納米顆粒的毒理學(xué)效應(yīng)受到從納米顆粒的形狀和大小到環(huán)境介質(zhì)參數(shù)的影響。如納米顆粒的尺寸、晶型、表面電荷、親疏水性、光敏性、表面涂覆和老化等特性，以及水體中的自然有機物質(zhì)、環(huán)境膠體、離子強度、pH、硬度、光照和溫度等，包括藻類胞外聚合物都對納米顆粒的藻類毒性有影響。

(4)由于水環(huán)境的復(fù)雜成分，使得納米顆粒與其他污染物長期共存，共同影響著水生生物的生長代謝。不同的2種以上污染物的復(fù)合毒性通常與一種污染物的單獨毒性不同，可互為拮抗，也可互為協(xié)同，這取決于復(fù)合系統(tǒng)中的各物質(zhì)之間復(fù)雜的相互作用效果。

4.2 展望

(1)目前為止沒有一個結(jié)果能夠以一種普遍的方式來解釋納米顆粒的毒性機制或水平。為了量化影響，確實需要進行廣泛的研究。為了納米技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展，我們需要關(guān)注這一長期存在的問題，盡快地解決越來越嚴重的納米生態(tài)毒性問題。

(2)學(xué)者們進行的大多數(shù)納米生態(tài)毒理學(xué)實驗都是在模擬自然水體的實驗室條件下對單個、純種測試生物進行的。實際上自然條件要復(fù)雜得多，隨著自然界中多種群體的相互作用，納米顆粒的物理化學(xué)性質(zhì)會因為各種自然因素而發(fā)生劇烈變化。因此，未來的研究應(yīng)考慮實驗室模擬條件與真實水環(huán)境的差異，更真實地模擬復(fù)雜的自然環(huán)境條件。

(3)許多因素如納米顆粒的類型、大小、晶型和酸堿度等，在納米顆粒的毒性中起著重要的作用，自然環(huán)境中各種復(fù)雜的因素對納米顆粒毒性的影響也不可忽視。但是這些影響因素之間是否存在聯(lián)系和相互作用尚不清楚。未來的實驗研究應(yīng)該側(cè)重于探索影響納米顆粒毒性的多種因素的相互作用，制定研究納米顆粒在自然水體中毒性的標準方案。

(4)因為納米材料對細菌等微生物有生理性毒害作用，所以納米材料通常被用作抗菌劑使用。同樣的，納米顆粒對藻類的毒害作用，對于富含有害藻類(如藍藻)水體的修復(fù)具有潛在的應(yīng)用前景。而納米材料作為除藻劑應(yīng)用是我們可以探索的方向。