范功端，陳薇，鄭小梅，彭慧萍

1. 福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福州 350108 2. 福州大學(xué)新能源材料研究所，福州 350108

納米材料是指某一維度小于100 nm的固體超細(xì)材料[1-2]，可分為碳基納米材料(包括C60、氧化石墨烯、單壁碳納米管和多壁碳納米管等)和無機納米材料(包括金屬、金屬氧化物及量子點等)[3]，詳見圖1。納米材料被廣泛應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域中，如填充劑、遮光劑、催化劑、半導(dǎo)體和化妝品等[4]。納米材料應(yīng)用廣泛，同時產(chǎn)量也在不斷擴增。2004年時納米材料的產(chǎn)量高達2 000噸，在2011—2012年間納米材料的產(chǎn)量增加至58 000噸[5]。表1總結(jié)了納米材料在不同性能中的應(yīng)用[6]。

納米材料的環(huán)境行為與生態(tài)效應(yīng)是當(dāng)前國際環(huán)境科學(xué)研究的熱點和前沿[7]。2003年，Service在Science雜志上發(fā)表了關(guān)于納米材料的毒性研究[8]。2004—2005年，美國環(huán)保局(EPA)斥資362萬美元對納米安全性進行評估[9]。2012年，Wang等[10]發(fā)現(xiàn)納米CuO能夠誘導(dǎo)人體肺上皮細(xì)胞(A539細(xì)胞)產(chǎn)生活性氧類(reactive oxygen species, ROS)，使線粒體的膜電位下降，同時能夠破壞A539細(xì)胞的DNA鏈。目前已有許多研究總結(jié)了納米材料的近期發(fā)展，同時大部分研究對納米材料的毒性進行了重點關(guān)注。例如Nel等[11]在Science上就納米材料的毒性及機理進行了討論；Lam等[12]著重討論了單壁碳納米管與雙壁碳納米管對小鼠肺部、心臟等的毒性作用；Monterio-Riviere等[13]將雙壁碳納米管作用于人類表皮角化細(xì)胞，48 h后發(fā)現(xiàn)濃度為0.4 mg·mL-1的雙壁碳納米管實驗組的人類表皮角化細(xì)胞釋放促炎細(xì)胞因子白細(xì)胞介素-8。

圖1 納米材料的分類及結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Classification and structure of nanomaterials

性能Properties應(yīng)用Application光學(xué)Optics1)防反射涂層Anti-reflective coating2)用于癌癥診斷的基于光的傳感器Light-based sensor for cancer diagnosis磁性Magnetism1)增加存儲介質(zhì)密度Increase storage density2)磁性納米顆?？捎糜贛RI圖像的細(xì)節(jié)和對比度的改進Magnetic nanoparticles can be used to improve the details and contrast of MRI images機械Machinery1)高性能的小組件,例如小型電子設(shè)備的電容High-performance small components, such as the capacitance of small electronic devices2)顯示器Monitors3)高導(dǎo)電性材料Highly conductive materials生物醫(yī)學(xué)Biomedicine1)用于傷口敷料的抗菌銀涂層Antibacterial silver coating for wound dressings2)疾病監(jiān)測傳感器(量子點) Disease Monitoring Sensors (Quantum Dots)3)自動釋藥系統(tǒng)Automatic drug delivery system環(huán)保Environmental protection1)清理污染土壤及污染物,例如石油 Clean up contaminated soils and pollutants, such as oil2)可生物降解聚合物Biodegradable polymer3)工業(yè)廢氣處理Industrial exhaust gas treatment4)有效過濾水體Effective filtration of water個人護理Personal care1)無機防曬霜Inorganic sunscreen2)乳化技術(shù)Emulsification technology

納米材料在生產(chǎn)、運輸、使用和廢棄等過程中必將進入水環(huán)境，并與水環(huán)境中廣泛存在的溶解性有機質(zhì)、水生生物及其他污染物發(fā)生反應(yīng)，將使其物化性質(zhì)發(fā)生一定程度的改變(圖2)。同時，水體中含有藻類，藻類作為水生生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)者，能夠利用光合作用合成有機物，是食物鏈的最基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，在整個水生生態(tài)系統(tǒng)中起著重要的作用[14]，對水環(huán)境變化非常敏感。因此，研究納米材料對水中有機質(zhì)、藻類等的毒性效應(yīng)十分重要。

本文主要介紹了不同種類納米材料對藻類的毒性效應(yīng)，分析了影響納米材料毒性效應(yīng)的因素，探討了納米材料對藻類的致毒機理，旨在為今后運用納米材料提供理論依據(jù)。

1 不同納米材料對藻類的毒性效應(yīng)(Toxic effects of different nanomaterials on algae)

納米材料的相關(guān)毒性研究約有78%基于體內(nèi)實驗，22%基于體外實驗[3]。由于藻類在水生生態(tài)系統(tǒng)中的重要地位，因此，目前大多數(shù)研究均選取藻類作為納米毒理學(xué)的受試生物。表2總結(jié)了不同類型納米材料對不同藻種的毒性研究。

1.1 納米金屬

由于金屬納米粒子具有獨特的光學(xué)和電磁學(xué)性質(zhì)等物化性質(zhì)[20]，因此在催化、分子識別和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。金屬納米粒子種類繁多，進入環(huán)境后不同的金屬納米粒子對不同藻類的作用形式不同。

圖2 納米粒子進入環(huán)境的重要途徑(根據(jù)文獻[6]修改)Fig. 2 Important way for nanoparticles to enter the environment (Modified according to reference [6])

目前雖然已有部分種類的金屬納米粒子被用于研究其對藻類的毒理現(xiàn)象，但仍有許多金屬納米粒子對藻類造成的影響研究尚少。因此仍有必要研究其他種類金屬納米粒子對藻類的影響。

1.2 納米氧化物

相對于金屬納米粒子，利用納米金屬氧化物進行藻類毒性實驗研究所采用的納米金屬氧化物種類較多，如納米CuO、納米ZnO、納米CeO2、納米SiO2、納米TiO2和納米Al2O3等。通過Ji等[14]的實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，納米TiO2和納米ZnO對小球藻具有明顯的毒性效應(yīng)，且納米ZnO對小球藻的毒性效應(yīng)不能單單解釋為納米ZnO在溶液中溶出了Zn2+，其致毒機理還包括產(chǎn)生ROS對藻類造成損傷等。Aruoja等[31]發(fā)現(xiàn)，納米ZnO、納米TiO2和納米CuO對月牙藻的毒性大小為納米ZnO>納米CuO>納米TiO2，納米CuO對月牙藻的毒性效應(yīng)可以認(rèn)為是從金屬氧化粒子中溶出的金屬離子造成的。Franklin等[32]發(fā)現(xiàn)，納米ZnOpower和納米ZnOdispersant從統(tǒng)計學(xué)意義上類似于ZnO和ZnCl2，其生長抑制的IC50(72 h)值范圍從49 μg Zn·L-1～69 μg Zn·L-1。劉建新等[33]發(fā)現(xiàn)，在24 h時濃度為45 mg·L-1的納米ZnO對羊角月牙藻的生長抑制率高達95%。Hall等[34]的毒性實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)羊角月牙藻(IC251 ～ 2 mg·L-1)對納米TiO2比網(wǎng)紋水蚤(IC259.4 ～ 26.4 mg·L-1)和黑頭呆魚(IC25>340 mg·L-1)更敏感。Hoecke等[35]對納米CeO2對藻細(xì)胞的毒性效應(yīng)做了5種猜想并通過實驗加以驗證。Pakrashi等[36]的研究表明，不同粒徑的納米Al2O3以及從納米Al2O3中溶出的Al3+均能夠?qū)υ孱惍a(chǎn)生毒性作用。Roy等[37]發(fā)現(xiàn)P25 TiO2對小球藻與柵藻的毒性效應(yīng)有一定的區(qū)別。鄧祥元等[38]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)納米CeO2的濃度低于80 mg·L-1時可促進蛋白核小球藻的生長，當(dāng)納米CeO2的濃度大于80 mg·L-1時其對蛋白核小球藻表現(xiàn)出抑制作用，同時隨著納米CeO2濃度的不斷增大，蛋白核小球藻體內(nèi)的丙二醛(MDA)含量不斷增大。

在納米金屬氧化物中，不同納米金屬氧化物對藻細(xì)胞的毒性大不相同，同時不同受試藻種對不同納米金屬氧化物的敏感程度也不同，因此，納米金屬氧化物藻細(xì)胞毒性效應(yīng)的研究仍有很大的開發(fā)空間。

1.3 碳納米材料

碳納米管根據(jù)石墨片層數(shù)的不同可分為單壁納米碳管(single-walled carbon nanotubes, SWCNTs)和多壁納米碳管(multi-walled carbon nanotubes, MWCNTs)兩類。已有人采用經(jīng)超聲處理和攪拌的2種雙壁碳納米管對骨藻和假微型海鏈藻進行毒性比較發(fā)現(xiàn)經(jīng)超聲處理的雙壁碳納米管對2種藻類的毒性更大[39]。Blaise等[40]發(fā)現(xiàn)單壁碳納米管對月牙藻的72 h-IC25值是1.04 mg·L-1。還有研究表明多壁碳納米管對杜氏藻的96 h-EC50值為(0.82±0.02) mg·L-1，認(rèn)為這是由于多壁碳納米管的遮光效應(yīng)和團聚作用造成的[19]。楊曉靜等[41]研究了單壁碳納米管對小球藻的生長抑制影響發(fā)現(xiàn)在0.01 ～ 500 mg·L-1濃度內(nèi)，96 h-EC50為261.5 mg·L-1，它能夠抑制小球藻的生長。

碳納米材料還包括C60、氧化石墨烯(GO)等材料。Wahid等[42]發(fā)現(xiàn)GO能夠有效降低藻細(xì)胞的分裂速率。Nougeira等[43]認(rèn)為，GO對月牙藻具有毒性的原因是GO促進細(xì)胞內(nèi)部產(chǎn)生ROS及細(xì)胞膜破裂。Jian等[44]發(fā)現(xiàn)，GO對蛋白核小球藻的EC50約為37.3 mg·L-1，GO對蛋白核小球藻的遮蔽作用貢獻率大約為16.4%。Hana等[45]發(fā)現(xiàn)，濃度為26.7 mg·L-1的C60對小球藻的生長抑制效果優(yōu)于濃度為40 mg·L-1的C60。

目前，碳納米管在醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測中被廣泛應(yīng)用，碳納米管對不同受試藻種的EC50值各不相同，因此仍有必要對不同藻種進行試驗。

1.4 其他納米材料

量子點是由有限數(shù)目的原子組成的一種三維團簇，尺寸大小在納米量級。鐘秋[46]發(fā)現(xiàn)硫化鎘量子點對斜生柵藻的生長具有抑制作用，且當(dāng)濃度為1 mg·L-1時對斜生柵藻具有顯著抑制作用。

金屬有機骨架材料是由金屬離子與芳香多酸有機配體通過配位鍵作用形成的一類新型納米多孔材料。隨著納米材料的廣泛應(yīng)用，包括金屬有機骨架材料在內(nèi)的納米終將不可避免地通過各種途徑進入水體、大氣與土壤等環(huán)境。但以金屬有機骨架材料為代表的致毒機理研究尚未深入。

2 納米材料藻類毒性的影響因素(Factors affecting the toxicity of nanomaterials to algae)

不同種類的納米材料對不同藻類的毒性效應(yīng)不盡相同。一般而言，納米材料的物化性質(zhì)(如粒徑、晶面結(jié)構(gòu)等)、濃度不同，外界條件不同(如pH、溶解性有機質(zhì)等)，藻細(xì)胞自身的種類不同均會影響納米材料對藻類的毒性。

2.1 納米材料的物理化學(xué)性質(zhì)對藻類的毒性影響

納米粒子由于自身粒徑大小的不同導(dǎo)致其對藻類的毒性大小也不同。Rodea-Palomares等[47]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CeO2納米粒子的粒徑小于50 nm時對藻類的毒性最大。Tedescoa等[48]指出較大粒徑的納米粒子產(chǎn)生的毒性較小，這表明了生物對納米粒子的反應(yīng)中，粒徑是一個關(guān)鍵因素。大部分的研究表明，通常納米粒子的粒徑越小，比表面積較大[49]，因此它的毒性越大[50-51]。Hund-Rinke等[51]發(fā)現(xiàn)，粒徑為25 nm的TiO2對藻類的EC50值為44 mg·L-1，而粒徑為100 nm的TiO2對藻類的毒性相比粒徑為25 nm的TiO2卻小很多。Hoecke等[35]研究了粒徑為14 nm、20 nm和29 nm的納米CeO2對月牙藻的毒性效應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)粒徑為29 nm的納米CeO2對月牙藻的抑制效果最明顯。目前，納米粒子的形狀、外表與毒性大小的關(guān)系仍然不明確[52-53]。

張寧[54]研究了同一尺寸不同晶型納米二氧化鈦對小球藻的毒性效應(yīng)，通過實驗發(fā)現(xiàn)2種晶型的nTiO2對小球藻有不同程度的抑制作用，隨著濃度增大，nTiO2(銳鈦礦)的毒性逐漸增大，對小球藻的抑制率可高達83%。牟鳳偉[55]通過檢測斜生柵藻SOD和POD的生成情況，判斷不同類型碳納米管的毒性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)4種碳納米管的毒性大小為：短型雙壁碳納米管(short DWCNTs)>雙壁碳納米管(DWCNTs)>短型單壁碳納米管(short SWCNTs)>單壁碳納米管(SWCNTs)。

一般而言，納米粒子濃度越大，對藻類的毒性越大。大多數(shù)研究表明納米粒子對藻類的毒性存在劑量-效應(yīng)關(guān)系，如Manier等[56]發(fā)現(xiàn)團聚的納米CeO2對月牙藻的生長有抑制作用，且濃度越大，抑制效果越明顯。其他的納米粒子也已被發(fā)現(xiàn)對藻類具有劑量-效應(yīng)關(guān)系，如納米Fe、納米Ni、納米Ag等[16, 25, 57]。

由此可見，納米材料的物化性質(zhì)(如粒徑、晶面結(jié)構(gòu)等)、濃度均對藻類產(chǎn)生不同的毒性效應(yīng)，但納米材料的性質(zhì)還有很多，如表面粗糙度、光催化性質(zhì)等，這些性質(zhì)是否會對藻類造成不同影響尚未可知，因此納米材料的不同性質(zhì)對藻類的毒性大小仍需更深入的研究。

2.2 水體性質(zhì)對藻類的毒性影響

在實際水體中存在著多種多樣的溶解性有機質(zhì)，代表性種類有腐殖酸(HA)和富里酸(FA)，它們對水生生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物過程有著重要的影響。Xie等[58]發(fā)現(xiàn)溶解性有機質(zhì)在天然水體中能夠使C60發(fā)生團聚，使C60的形態(tài)和尺寸發(fā)生明顯改變。Lamelas等[59]發(fā)現(xiàn)，HA能夠改變納米材料及離子濃度，間接影響其對藻類的毒性。Sun等[60]發(fā)現(xiàn)FA能夠通過使納米CuO溶出Cu2+、生成ROS、破壞DNA分子結(jié)構(gòu)和細(xì)胞膜的滲透性，使藻細(xì)胞受損加劇。納米材料進入實際水體后，其物理化學(xué)性質(zhì)和細(xì)胞毒性必將受到溶解性有機質(zhì)的影響。這是由于納米材料表面含有配位體，必將與溶解性有機質(zhì)發(fā)生相互作用，但其是否會使納米材料毒性增強仍需深入研究。

2.3 不同藻種的影響

目前世界上已知有2 000多種藻類，這些不同的藻類分布于各大湖泊中。不同湖泊中藻種各異，當(dāng)納米材料進入水體中，不同藻種對不同納米材料的敏感程度不同，納米材料對藻類的毒性作用效果也不同。納米Au對鏈帶藻與月牙藻的EC50值分別為0.028 mg·L-1和0.014 mg·L-1[15]。Hazani等[16]將杜氏藻與小球藻分別置于納米Ag懸浮液中，通過檢測抗氧化酶系統(tǒng)損傷程度及MDA生成情況發(fā)現(xiàn)杜氏藻對納米Ag的敏感度更高。雷靜靜等[61]通過納米NiO對羊角月牙藻、小球藻和四尾柵藻進行毒性實驗，對藻密度、葉綠素a、蛋白質(zhì)濃度、SOD和CAT活力、MDA含量測定發(fā)現(xiàn)，納米NiO對3種藻均具有抑制作用，但月牙藻對納米NiO的敏感程度較低，小球藻和四尾柵藻對納米NiO的敏感程度較高。胡冰等[62]通過實驗發(fā)現(xiàn)納米TiO2對新月菱形藻和小球藻的96 h-EEC50分別為13.693 mg·L-1和11.655 mg·L-1。

圖3 CuO NPs對銅綠微囊藻細(xì)胞的致毒機理[17]Fig. 3 Toxic mechanism of CuO NPs on Microcystis aeruginosa [17]

3 納米材料對藻類的致毒機理(Toxic mechanism of nanomaterials on algae)

Wang等[17]認(rèn)為納米CuO對銅綠微囊藻的致毒機理包括Cu2+釋放、生成ROS、破壞DNA和改變細(xì)胞膜通透性，見圖3。同時，還有研究表明，目前已知的納米材料對藻類的毒性機理包括破壞細(xì)胞膜或膜電位、蛋白質(zhì)氧化、遺傳毒性，能量傳遞中斷，形成活化氧或釋放有毒成分等[63]，見圖4。目前，納米材料對藻類的致毒機理還未徹底弄清，可能的機理包括金屬離子釋放、ROS生成和遮光效應(yīng)等，納米粒子可能通過一種或多種機制共同作用導(dǎo)致藻細(xì)胞死亡。

3.1 金屬離子毒性

Vogelsberger等[64]發(fā)現(xiàn)1 mg·L-1金屬及金屬氧化物納米粒子在水中大約能夠溶解出1 μg的金屬離子，因此金屬離子對藻細(xì)胞的影響不可忽略。但不同研究者對金屬離子對藻細(xì)胞的影響持有不同觀點。一些學(xué)者認(rèn)為納米粒子對藻類的毒性主要來源于納米粒子溶解于水中的金屬離子。Miao等[65]認(rèn)為，納米Ag對海鏈藻的毒性作用是由于納米Ag溶出了Ag+造成的。同樣的Franklin等[32]認(rèn)為納米ZnOpower和納米ZnOdispersant從統(tǒng)計學(xué)意義上類似于ZnO和ZnCl2，而納米ZnO對羊角月牙藻的毒性主要取決于從納米ZnO中溶解的Zn2+。而另一部分學(xué)者卻認(rèn)為金屬離子對藻類的毒性作用并不明顯。Saison等[66]研究發(fā)現(xiàn)，納米CuO能夠誘導(dǎo)萊衣藻產(chǎn)生ROS，改變細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使藻細(xì)胞光合系統(tǒng)受損，葉綠素含量顯著降低，而將Cu2+加入至藻細(xì)胞懸浮液中，檢測到的ROS濃度較低。Navarro等[67]也得出類似的結(jié)果?？梢?，不同納米粒子對不同藻類作用所得出的致毒機理大不相同，因此仍需對金屬及金屬氧化物納米粒子溶出的金屬離子毒性開展更深入的研究。

3.2 氧化損傷

3.3 納米粒子的遮光效應(yīng)

納米粒子的遮光效應(yīng)將減少光系統(tǒng)II的功能光學(xué)截面[19]。Fabienne等[72]通過實驗研究認(rèn)為，抑制小球藻和月牙藻的生長是由于納米碳管的遮光效應(yīng)，并且生成了藻-納米碳管聚合物。Lin等[73]的研究發(fā)現(xiàn)，在萊茵衣藻細(xì)胞表面吸附有許多QD，這可能是由于羧基與藻細(xì)胞壁上含胺基團的親和能力較強。由于QD吸附于細(xì)胞表面，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)攝取及細(xì)胞內(nèi)外氣體交換受到一定影響，從而抑制了藻細(xì)胞光合作用活性，但是在實驗中沒有發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的死亡。但也有實驗結(jié)果表明，納米粒子對藻細(xì)胞沒有遮蔽效應(yīng)。如Wang等[17]通過高濃度納米CuO遮擋銅綠微囊藻細(xì)胞懸浮液發(fā)現(xiàn)藻類的生長沒有受到抑制，由此認(rèn)為低濃度納米CuO對銅綠微囊藻沒有遮光效應(yīng)。Hund-Rinke和Simon[51]利用遮光裝置進行實驗發(fā)現(xiàn)TiO2對斜柵藻的毒性效應(yīng)也不存在遮光效應(yīng)。

圖4 納米粒子對藻類的致毒機理[63]Fig. 4 Toxic mechanism of nanoparticles on algae[63]

由此可以看出不同納米材料對不同藻種的毒性作用是否具有遮光效應(yīng)均不同，因此有必要對不同種類的納米粒子進行試驗，探討不同種類納米粒子對不同藻種的毒性效應(yīng)的致毒機理是否具有遮光效應(yīng)。

4 結(jié)論與展望(Conclusion and prospect)

納米材料的應(yīng)用越來越廣泛，但其對環(huán)境的影響也備受人們的關(guān)注。了解納米材料的性質(zhì)、毒性及致毒機理等尤為重要。目前，對納米材料對藻類的毒性效應(yīng)已有一定的研究基礎(chǔ)，同時也就納米材料對藻類的毒性效應(yīng)達成一定的共識，例如納米粒子的粒徑、晶面結(jié)構(gòu)等因素均能夠影響其對藻類的毒性作用；納米材料對藻類的致毒機制是氧化損傷，同時，金屬納米粒子由于能夠溶出金屬離子在一定程度上對某些藻類也造成了一定損傷。

雖然已有許多關(guān)于納米材料對藻類的毒性研究，但仍需進一步深入的研究問題有：(1)納米材料種類、尺度、維度、形貌、金屬離子和配位體含量等對藻細(xì)胞毒性的影響規(guī)律目前尚未有深入研究。(2)由于納米材料與水體中的藻種種類繁多，因此仍有很大一部分的納米材料對水體中不同藻類的作用效果尚未探明。(3)目前大多數(shù)研究均選取藻類作為靶標(biāo)評價納米材料的毒性效應(yīng)，但隨著食物鏈的傳遞，其他生物體內(nèi)積累的納米材料毒性不容忽視，因此還應(yīng)選取各地區(qū)具有代表性的高等生物進行納米毒性安全評估。(4)水體環(huán)境復(fù)雜，在溶解性有機質(zhì)和多種污染物存在的實際水體中，納米材料進入水體后與水中的溶解性有機質(zhì)是否會發(fā)生協(xié)同或拮抗作用，同時進入水體中的納米材料的物化性質(zhì)的改變對納米材料藻細(xì)胞毒性的影響及作用機理是否發(fā)生一系列改變?nèi)孕枰鲞M一步研究。

通訊作者簡介：范功端(1984-)，男，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向為水處理理論與技術(shù)，發(fā)表論文50余篇。

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