纳米颗粒对淡水藻类生长的影响：毒性机制与复合毒性

周小君，徐仰辉，何强，吴正松，黄瑞星，宋嘉慧，皇甫小留

重庆大学环境与生态学院，重庆 400044

随着纳米技术的不断发展，纳米材料在各个领域广泛应用。纳米材料至少有一维尺寸处于0.1～100 nm[1]，因此，与相应的非纳米材料相比，纳米材料具有相对较大的表面积和较高的表面反应活性，并表现出独特的光学、热学、电学和磁学性质。这些物理化学特性有助于纳米材料在工业加工、环境管理、生物医学、商业产品如食品储存、污染地下水修复、生物传感和生物成像、化妆品和个人护理产品中的广泛应用[2-3]。根据纳米材料的来源、元素组成和性质，可将其分为4类：金属纳米材料(如Ag和Au)、金属氧化物(CuO、ZnO和TiO2)纳米材料、碳基纳米材料(GO和CNT)以及其他纳米材料如量子点(CdTe和黑磷量子点[4-5])、生物炭纳米和纳米塑料等[6-7]。

纳米颗粒可以通过污水厂或其他暴露途径不可避免地释放到水环境中，继而发生一系列复杂的物理化学过程，如团聚、沉积、溶解和其他化学转化以及与水环境中的矿物质、有机物和微生物等复杂物质相互作用，这些过程对于评价纳米颗粒在水环境中的迁移和归趋具有重要作用[8-10]。另外，纳米颗粒的环境暴露也会对水生生态系统的安全甚至人类健康带来一定风险。通常选择不同营养水平的生物来评估纳米颗粒的生态毒性，包括初级生产者(藻类)、消费者(哺乳动物、甲壳类动物)和分解者(微生物)[11]。例如，Li等[12]评估了3种不同晶型的TiO2NPs对于污泥中细菌群落和结构的影响，发现3种晶型的TiO2NPs都有明显的抑菌效果，并且随浓度和晶型不同，抑菌效果也不同。Zhang等[13]将大型蚤和蛋白核小球藻暴露于纳米塑料来探索纳米塑料的生物毒性。结果证明，纳米塑料对环境生物有明显毒性。藻类在水生生态系统中发挥着重要作用，是水生食物链中的主要生产者，因此广泛用来评价纳米颗粒的生态毒性。有研究发现，Ag NPs增加了藻类中的活性氧水平和过氧化脂质含量，并激活抗氧化酶如过氧化氢酶；并且发现老化和包被对培养基中Ag NPs的转化及其对藻类作用有重要影响[14]。同样的，有研究通过荧光显微镜评估聚苯乙烯(PS)纳米颗粒与藻类细胞壁之间的相互作用，短期和长期毒性试验同时进行，发现PS-COOH纳米颗粒对藻类生长有毒性影响[15]除了纳米颗粒的物理化学特性外，其他环境因素例如环境胶体和有机物等也影响纳米颗粒的毒性。另外，纳米颗粒与其他环境污染物的复合毒性也是近年来研究的重点。

虽然国内外一些学者对于纳米颗粒在水环境中的迁移归趋和对水环境中藻类的毒性机制都有了很多总结，但是部分内容和机理还没有分析清楚。例如，一些环境纳米或胶体物质对纳米颗粒的毒性影响以及藻类胞外聚合物的作用需要进一步明晰。另外，近年来关于纳米颗粒的藻类毒性的文章持续增多，而关于一些新型纳米颗粒的毒性以及纳米颗粒与其他污染物间的复合毒性的相关综述有限。本文总结了近年来国内外对纳米颗粒毒性的研究，系统地综述了常见纳米颗粒和新型纳米颗粒对淡水藻类的毒性效应、影响因素以及作用机制，并总结了纳米颗粒与其他污染物共存时对藻类的复合毒性。

1 纳米颗粒对藻类的影响及其作用机制(Effect and mechanism of nanoparticles on algae)

近年来，由于纳米技术的快速发展，许多新型的纳米材料正在被开发利用，同时这也意味着越来越多的纳米颗粒最终会进入水体，并对水体中的生物产生各种影响，其中以对藻类的影响为研究重点，其中，常见纳米颗粒包括金属纳米颗粒、氧化物纳米颗粒、碳基纳米及其他纳米颗粒。

金属纳米颗粒(MNPs)是目前最常用的纳米颗粒，占纳米产品全球市场总量的37%[16]。金属纳米材料应用广泛，常见的有Au NPs和Ag NPs。对于MNPs，它们对藻类的毒性机制表现为氧化应激胁迫、破坏细胞完整性、基因损伤和影响光合作用，并且会释放金属离子而对藻类产生毒性(表1)[17-18]。Au NPs具有生物相容性好、光学性质独特、导电性强、分散性好、易于制备与修饰等性质，在化学分析、生物传感、生物医学与生物成像等领域具有广阔的应用前景[19]，并且Au NPs具有化学惰性和抗氧化能力，因此备受关注[20]。Ag NPs因具有很强的抗菌活性，被广泛应用于如洗涤剂、食品包装、化妆品、纺织品和伤口敷料等，因此环境中的银纳米颗粒尤为常见[8]。

常见的金属氧化物纳米材料有ZnO NPs、TiO2NPs和CuO NPs等。ZnO NPs是纳米技术产业中应用最广泛的纳米材料之一，当它们进入水环境后，经一系列物理化学转化可能会产生未知的最终产物，引发额外的潜在毒性。ZnO NPs光催化产生过氧化氢被认为是活性氧过量产生的主要机制，溶解的ZnO NPs释放离子(Zn2+)，可改变细胞膜的渗透性，这也被认为是ZnO NPs引起藻细胞生长抑制的原因[21]。TiO2NPs是产量最高的纳米材料之一。因此，与ZnO NPs、Ag NPs、碳纳米管和富勒烯等其他纳米粒子相比，预计TiO2NPs在地表水的环境浓度最高[22]。CuO NPs与ZnO NPs、TiO2NPs一样具有光催化性，并且也会溶解产生Cu2+从而产生毒性。

目前应用最为广泛的碳基纳米材料主要有氧化石墨烯(GO)、碳纳米管等。由于在表面和边缘有密集的含氧官能团，GO在水中表现出高的胶体稳定性。而GO的高分散性导致GO与水生生物(如藻类)充分直接接触，从而破坏细胞膜结构并因为遮光效应而影响藻类光合作用[23]。之前的研究已经证实，碳纳米管对许多生物体存在毒性[24]。

纳米塑料是塑料碎片在自然界中的老化迁移过程中形成的更小的颗粒，其微尺寸特性和塑料的性质，会影响藻细胞的基因表达和生长代谢[25-26]。生物炭由于近年来被应用于水体和土壤修复或作为磷肥施用于土壤中，对环境微生物造成一定影响[27]。量子点的光学、电子和催化性质使它们成为应用前景广泛的纳米材料，可用于生物医学以及太阳能电池、光子和电信行业[4]。

简要总结了各种常见纳米颗粒的理化特性(粒径、Zeta电位、环境浓度和表面涂覆等)及它们对于不同种类藻类的毒理机制(表1)。

表1 纳米颗粒特性及其对藻类的影响Table 1 Characteristics and effect of nanoparticles on algae

纳米颗粒在水环境中具有很高的反应活性，会与藻类发生相互作用，从而产生细胞毒性。并且聚集在细胞表面的纳米颗粒对细胞骨架结构(主要指细胞膜)的毒性是显著的。纳米颗粒对藻类的毒性机理有很多，常见的作用机理如图1所示，例如金属氧化物纳米颗粒可以通过产生活性氧来提高氧化应激水平，这些高能物质可以攻击脂类、核酸、蛋白质和其他重要的生物分子，从而导致细胞膜受损和乳酸脱氢酶释放，这可能是导致细胞死亡的毒性机制之一[41-42]。纳米颗粒可能的致毒机制主要包括破坏细胞完整性、氧化应激损伤、破坏光合机制、基因毒性和毒性物质的释放等，这些致毒机制主要由纳米颗粒的自身性质决定[43]。而对于纳米颗粒来说，对藻类的毒性机制并不是单一的，通常是多种机制联合作用[44]。

图1 纳米颗粒对藻细胞的作用机制注：(a)表示破坏细胞完整性；(b)表示氧化应激胁迫；(c)表示影响藻类光合作用；(d)表示基因水平的异常。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 破坏细胞完整性

除了细胞壁，细胞膜通过充当第二个自我保护屏障来保护藻类细胞。破坏细胞完整性是纳米颗粒对藻细胞很重要且常见的一个毒性机制，细胞膜被破坏，纳米颗粒进入细胞，或者诱导细胞产生对自身不利的物质从而引起细胞死亡[34]，如图1(a)所示。当与藻类细胞膜接触时，纳米颗粒会导致藻细胞非特异性物理损伤和膜完整性的丧失，这可能是细胞死亡的原因之一[45]。此外，细胞表面附着的纳米颗粒可能干扰细胞膜的电子或离子传输[46]。此外，纳米颗粒还可以在细胞膜中积累，并导致细胞壁凹陷，这可能导致细胞膜通透性的改变，引起细胞凋亡[47]。而且纳米颗粒可通过产生过量的活性氧，导致脂质过氧化进而诱导膜中孔隙的形成，使其渗透性更高且选择性更低[1,36]。而当纳米颗粒进入细胞后，会对细胞的各种细胞器(如线粒体、细胞核和叶绿体等)造成损伤以破坏细胞结构。

在一项关于TiO2NPs对变异鱼腥藻毒性的研究中，暴露于纳米颗粒的藻类，在培养一段时间后，细胞膜中活性氧含量增加，且膜蛋白发生改变，同时，细胞膜出现异常甚至损坏，在透射电镜图中发现细胞形态发生了显著变化，藻细胞的细胞完整性明显被破坏[22]。另一项研究表明，纳米颗粒可能引起细胞膜表面电荷、形态的变化，进一步促进纳米颗粒进入细胞，从而产生更大的细胞毒性[31]。已经发现纳米颗粒的存在使得藻类细胞释放过量活性氧，从而增加细胞膜中的脂质过氧化，导致膜结构变形[42]。小球藻暴露于多壁碳纳米管会导致藻类细胞完整性显著被破坏，并导致细胞死亡，纳米颗粒剂量和暴露时间的不同，对细胞的毒性也不同[48]。在铁基纳米颗粒对小球藻毒性的实验中，对照组中藻细胞分布均匀，结构保持完整，然而，在所有铁基纳米颗粒处理组中，细胞严重聚集并嵌入纳米颗粒聚集体中，并且几乎没有观察到游离的单个细胞，这表明铁基纳米颗粒和藻类细胞之间存在强的界面相互作用。在透射电镜图像中可观察到暴露于铁基纳米颗粒的细胞形态的变化。对照组藻类细胞具有紧密附着于细胞壁的完整质膜，然而，暴露于铁基纳米颗粒后，尤其是零价铁纳米时，藻类细胞或多或少地变形，并观察到胞质分离[46]。同样地，在TiO2NPs对斜生栅藻的细胞毒性研究中，观察到胞质分离和齿状的细胞膜。此外，细胞膜因TiO2NPs的存在而增厚，这可归因于细胞的保护性质，以阻止纳米颗粒的内化[22]。综上，纳米颗粒通过吸附在细胞表面并与细胞相互作用、胞吞进入细胞和产生氧化应激来破坏细胞完整性。

1.2 氧化应激胁迫

纳米颗粒可诱导细胞内活性氧的产生，如超氧自由基、单线态氧、羟基自由基和过氧化氢，它们诱导细胞内氧化应激，导致机体内氧化还原失衡[49]。氧化应激是指机体在各种有害刺激下，体内自由基的高活性以及氧化系统和抗氧化系统的失衡，最终导致细胞组织损伤[31]，如图1(b)所示。已经证明，活性氧的产生可以破坏细胞内的脂质、碳水化合物、蛋白质、脱氧核糖核酸和其他生物大分子，导致细胞炎症和氧化应激[50]。活性氧可以与多不饱和脂肪酸、核酸和其他大分子的侧链相互作用，导致脂质过氧化[34]。脂质过氧化被认为是氧化应激导致的最严重的损伤形式，因为它会导致细胞膜系统的变化，进而破坏生物体的细胞功能[36]。活性氧对核酸的氧化也会导致基因突变[48]。活性氧可导致许多脂质分解产物的形成，这些分解产物中的一些是无害的，而另一些可能导致细胞代谢紊乱和功能障碍。为了控制细胞中的活性氧水平，细胞已经进化出酶和非酶抗氧化的活性氧清除系统，例如抗坏血酸(ASA)、谷胱甘肽、类胡萝卜素、过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)[48]。有研究者认为，活性氧的产生导致抗氧化剂的产生增加，抗氧化酶活性的增加，从而激活复杂的细胞防御机制[36]。

对于CuO NPs，有研究发现，它通过降低藻类相对生长速率和增加活性氧来对绿藻小球藻产生毒性[37]。藻细胞死亡率随着GO浓度的增加而增加，而且GO的抗菌活性随着GO横向尺寸的增加而增加[51]。GO会损伤细胞膜，并对细胞产生氧化应激，膜损伤和氧化应激协同增强GO抗菌活性水平[52]。有研究表明，与对照组相比，铁基纳米颗粒均呈剂量依赖性地增加藻细胞的活性氧含量，由此可知，纳米颗粒诱导氧化应激并导致细胞膜脂质过氧化[46]。以上研究表明，纳米颗粒的暴露对藻细胞内蛋白质和酶活性有影响[36]。抗氧化酶的合成，是藻类细胞的抗氧化保护机制之一。当细胞中抗氧化酶的数量不足以平衡活性氧含量时，便会使细胞处于氧化胁迫的状态中。

1.3 影响藻类光合作用

藻类是一种浮游植物，光合作用是藻类的一个重要生理过程。纳米颗粒在藻细胞表面的吸附导致遮光效应而影响光合作用所需的光、叶绿素和其他条件，从而抑制光合作用过程[53-54]。然而，由遮光效应引起的纳米毒性很难单独定量测定，因为表面附着也可能导致其他形式的毒性(如物理膜损伤)。并且富含不饱和脂肪酸的叶绿体膜是脂质过氧化的潜在目标，这可能会对小球藻的光合作用位点造成损害[55]，如图1(c)所示。

有研究发现，小球藻显示出对TiO2NPs的敏感性，并且在细胞核和细胞膜以及叶绿体中均观察到结构损伤[38]。而在Al2O3NPs对小球藻的毒性试验中发现，Al2O3NPs能降低藻细胞中叶绿素的含量[56]。Zhang等[29]通过研究暴露于0.1、1和10 μmolL-1Ag NPs和0.1 μmolL-1硝酸银(Ag+离子源)21 d后小球藻的生长状态，可知Ag NPs是通过破坏类囊体和中断膜脂合成机制而干扰藻类细胞的光合作用和膜稳定性的。也有研究证明了纳米颗粒改变了藻类的光合速率和呼吸速率，从而导致藻类代谢紊乱[49]。SiO2NPs还影响栅藻光合色素的含量。其中，叶绿素a和b含量降低，而类胡萝卜素含量不受影响[57]。类似地，栅藻的叶绿素a含量和光合效率随着TiO2NPs浓度的升高而降低[58]。众所周知，光合色素含量的变化会直接影响藻细胞的光合作用，而光合作用对于藻类的生长代谢来说不可或缺。

1.4 基因水平的异常

研究暴露于纳米颗粒后藻细胞的基因表达可以进一步加深我们对纳米颗粒诱导细胞周期停滞的生物学途径的理解。细胞周期的进程受多种生长因子的调节，这些生长因子通过不同的阶段促进细胞的周期进程，同时也有抑制或减缓细胞周期的抑制剂。暴露于纳米颗粒可以导致一系列与细胞周期相关的基因表达失调[59]，如图1(c)所示。

Ouyang等[60]研究发现，赤铁矿纳米颗粒显著抑制与生物膜形成相关的抗生素抗性基因(KT2440)的表达，这与以前的研究结果一致，赤铁矿纳米颗粒对KT2440基因的下调表明了假单胞菌抗生素耐受性和细菌活性被纳米颗粒弱化。这些结果证实了赤铁矿纳米颗粒能够抑制假单胞菌细胞生长和生物膜发育。类似的，Ag NPs、TiO2NPs和ZnO NPs等纳米颗粒能诱导DNA甲基化，从而导致各种细胞过程的紊乱[61]。总之纳米颗粒可能导致与细胞生长发育相关的某些基因表达的上调或者下调，或者影响基因表达的过程，从而影响基因组蛋白的表达，进而影响藻细胞的生长代谢及繁殖[62]。

1.5 有毒物质的释放

当藻类暴露于纳米颗粒时，可能会由于纳米颗粒释放有毒物质或者诱导藻类自身产生有毒物质。金属基纳米颗粒可分为2组，一组是不释放金属离子(或速率释放可忽略)的纳米颗粒，主要由于纳米颗粒特有的(例如粒径)以及材料固有的(例如涂层)性质而对生物产生不利影响。另一组在水中溶解释放潜在的金属离子的纳米颗粒[42]。Ag NPs对生物的毒性是由于Ag NPs与细胞膜之间的相互作用和溶解性银(Ag+)的释放[63-64]。同样的，Maurer-Jones等[63]用荧光相离子选择电极表征Ag NPs中的银离子溶解，从而证明银离子在Ag NPs的毒理性效应中起着至关重要的作用。有研究发现，ThO2NPs的毒理性效应明显强于Th(NO3)2，且在暴露于ThO2NPs的藻类培养液中发现了Th4+的存在，以此证明了ThO2NP中释放的Th4+具有很强的毒性，这是ThO2NP对藻类的纳米毒性的重要机制[65]。同样的，Wan等[66]的研究表明，与CuO NPs相比，硫酸铜对小球藻毒性较大。CuO NPs的毒性可能是由于溶解的铜离子，尽管在高浓度下，存在一定的遮光效应，但与硫酸铜相比，CuO NPs在小球藻中的毒性贡献要小得多。这些研究均证明了从CuO NPs中溶出的铜离子比CuO NPs本身有更大毒性，即溶出的离子是其毒性的主要机制[66]。而还有些藻类在污染物的刺激下会自身释放有害物质，如纳米塑料通过上调转运蛋白和损伤细胞膜完整性来促进铜绿微囊藻毒素的胞外释放，从而引起水华[67]。因此对于绝大部分纳米颗粒来说，有毒物质的释放都或多或少的存在并影响着纳米颗粒的生物毒性行为。

2 影响纳米颗粒毒性的因素(Factors affecting the toxicity of nanoparticles)

纳米颗粒在水环境中对藻类产生影响，由于纳米颗粒本身的物理化学特性不同，在水环境中的作用及归趋也不同。而水环境本身成分复杂，所以会对纳米颗粒毒性产生一定程度的影响。总之，纳米颗粒对藻类的毒性受各种自身和外界因素的影响，包括自身表面特性、水环境因素和藻细胞胞外聚合物等。

2.1 纳米颗粒表面特性的影响

纳米颗粒的固有性质，如形态、粒径、表面电荷、亲/疏水性、光敏性、表面涂覆和老化等，都可能影响纳米颗粒对藻类的毒性[65,68-69]。不同类型的纳米颗粒对藻类的生长表现出不同程度的毒性[70]。例如，ZnO NPs和TiO2NPs由于具有良好的光敏性，毒性相对较强，其中ZnO NPs的毒性比TiO2NPs强[69]。这就是由于不同纳米颗粒拥有不同的表面特性，这些表面特性会共同影响纳米颗粒对藻类的毒性作用。

2.1.1 粒径和晶型

纳米颗粒的粒径和晶型，会影响纳米颗粒的物理稳定性和化学性能[71]。纳米颗粒粒径减小导致纳米材料比表面积增加。比表面积增大使得纳米材料的表面能量变大，因而纳米颗粒的催化活性也更高。同时由于具有大的比表面积，纳米颗粒与对应的大颗粒相比具有较大的吸附能力，促进其在藻细胞内的积累，增加了纳米材料与生物分子之间的相互作用，从而增加其对藻类细胞的毒性作用。在Lei等[46]的实验中，零价铁纳米颗粒对藻类的毒性随着纳米颗粒粒径的减小而增加，说明粒径在纳米毒性中起着重要作用。Qu等[72]的研究表明，赤铁矿纳米颗粒比微尺寸赤铁矿颗粒对细菌更具毒性，这很有可能是因为纳米颗粒与细胞之间有更强的界面物理化学相互作用。同样的，Sendra等[39]在实验中检测到与聚苯乙烯纳米颗粒大小相关的效应，最小的纳米颗粒(50 nm)在24 h产生更大的毒理效应。当与实验中其余颗粒相比时，较大的纳米颗粒在所检测的不同培养基中显示出更高的稳定性[39]。

此外，纳米颗粒的晶型在纳米毒性中也起重要作用，纳米颗粒的晶型可能会影响叶绿素含量、生成的游离活性氧种类和细胞膜的完整性。有研究表明，α-Fe2O3NPs对小球藻细胞的毒性明显高于γ-Fe2O3NPs，这是因为α-Fe2O3NPs对藻类细胞表面的亲和力更强，并且α-Fe2O3NPs比γ-Fe2O3NPs在中性(～7)条件下可产生更高水平的·OH，造成更严重的氧化损伤[73]。

2.1.2 表面电荷、亲/疏水性和光敏性

表面电荷影响纳米材料对离子和生物分子的吸附，进而影响纳米颗粒对藻类的毒性，同时，表面电荷是纳米颗粒胶体行为的主要决定因素，通过影响纳米颗粒的聚集和团聚行为影响纳米材料的生物效应。有研究证明，中性和带正电的塑料纳米颗粒在绿藻细胞壁上的吸附比带负电的塑料颗粒强，故带正电的纳米颗粒在绿藻细胞的表面覆盖被证明直接导致光合作用抑制和细胞壁破裂[74]。Zhang等[30]通过研究聚乙烯包被的Ag NPs(带正电)和柠檬酸盐包被的Ag NPs(带负电)对绿藻小球藻的毒性影响，发现Ag NPs表面电荷主要影响藻类细胞中Ag NPs的积累动力学，从而影响Ag NPs对藻类细胞的毒性[30]，其他研究也得出了同样的结论[64]。纳米颗粒所带电荷不同，则与藻类细胞之间的吸附作用不同，并且与水中无机/有机颗粒之间的相互作用也不同。纳米颗粒的表面亲疏水性主要是由纳米颗粒表面官能团决定的。这会影响纳米颗粒进入藻细胞的能力以及纳米颗粒之间的聚集。一般来说，亲水性颗粒会在纳米颗粒表面形成一层水膜而更容易使纳米颗粒聚集沉降。有的纳米颗粒具有光活性，即在暴露于紫外线时，会产生活性氧，从而对周围的生物产生氧化胁迫。已知TiO2NPs、γ-Fe2O3NPs、ZnO NPs和CeO2NPs等具有光活性。有研究称TiO2NPs和藻类之间的其他潜在相互作用可能包括TiO2NPs介导的活性氧扩散到藻类细胞壁或周围介质中，从而攻击细胞或细胞内有机化合物而引起细胞毒性[75]。

2.1.3 表面涂覆

为了防止纳米颗粒团聚并获得具有良好分散性的纳米颗粒，通常在制备过程中通过表面涂覆的方式进行纳米颗粒的表面改性和官能团化[68]。对3种不同材料包覆的Ag NPs的生物累积动力学研究表明，与无涂覆的Ag NPs相比，表面涂覆的Ag NPs可导致藻类细胞膜通透性增加，其中不同包覆Ag NPs对藻类的毒性作用也不同[76-77]。已证明聚合物包覆的CuO NPs对莱茵衣藻的毒性大于未包覆的CuO NPs对莱茵衣藻的毒性[78]。然而，也有在涂覆后，纳米颗粒的毒性降低的情况。比如，腐殖酸包被的TiO2NPs对藻类的毒性降低[79]。同样的，铝包覆的SiO2NPs有与藻类细胞聚集的趋势，因此比未包覆的SiO2NPs毒性更小[42]。可以推断，表面改性纳米颗粒的生态毒性效应取决于包覆的化合物或聚合物的类型及性质。

2.1.4 老化

当纳米颗粒长期处于水环境中，会与水中的化学物质或生物体发生相互的物理作用，也就是老化。老化会改变纳米颗粒的迁移、流动和聚集，从而影响其在水环境中的归趋[80]。

有研究称ZnO NPs的毒性主要来源于溶解的Zn2+，但在加了磷酸盐的系统中，由于生成了毒性较低的无定形磷酸锌(AZP)和磷锌矿(Zn3(PO4)2·4H2O)，减少了Zn2+的流出，导致毒性总体降低[21]。Lekamge等[14]的研究表明，老化的Ag NPs与新鲜的Ag NPs相比诱导了过量的活性氧的产生；并且随着老化时间的延长，Ag NPs的特性(如流体动力学直径、Zeta电位和溶解度)发生变化，这可能会影响Ag NPs的生物利用度，从而改变纳米颗粒对藻类的生物毒性[81-82]。研究发现老化的聚苯乙烯纳米颗粒的更大迁移率主要是表面氧化的结果，这不仅增加了表面电荷的电负性，更重要的是增加了材料的亲水性。此外，纳米塑料的老化增强了它们与非极性和极性污染物的结合，进一步提高了纳米塑料与污染物的结合能力[83]。同样的，老化的生物炭胶体在多孔介质中显示出比原始生物炭胶体更高的迁移率。研究表明，原始和老化的生物炭胶体在具有环境相关离子强度的溶液中是稳定的，老化过程可能大大增加它们在介质中的流动性[84]。

此外，实验中所采用的藻类和培养基类型也会影响纳米颗粒对藻类的毒理性效应。众所周知，纳米颗粒对藻类的毒性与纳米颗粒的浓度密切相关，并且一般而言，纳米粒子浓度越大，对藻类的毒性越大[85]。总之，由于水环境的复杂性以及纳米材料的多样性，纳米颗粒对淡水藻类的毒性复杂多变，还需要更加细致准确的研究。

2.2 水环境因素的影响

众所周知，纳米颗粒在水环境中对藻类的影响与藻类周围水生环境的特征和特性密切相关，例如，水中的自然有机物质(NOM)和环境胶体、pH、离子强度、光照、温度、硬度和溶解氧等。

2.2.1 自然有机物(NOM)和环境胶体

自然有机物(NOM)在环境中普遍存在，并且具有高反应活性[86]。一旦纳米颗粒被释放到自然系统中，NOM与纳米颗粒的相互作用可能会显著影响纳米颗粒的归趋和转移，以及纳米颗粒的生物利用度和对生物体的毒性。(1)物理作用。NOM可以吸附在纳米颗粒上，改变纳米颗粒的表面官能团或形成薄膜，增强纳米颗粒的吸附、迁移和扩散能力[1]。Ouyang等[60]发现与赤铁矿纳米颗粒相比，表面结合透明质酸的赤铁矿系统中细胞内活性氧的生成和氧化应激基因的表达受到更显著的抑制。这表明表面吸附天然有机物会显著影响了纳米颗粒对藻类的毒性[60]。由于纳米颗粒的大比表面积和高表面能特性，纳米颗粒倾向于在环境中聚结形成更大的颗粒。但一般来说，NOM可以通过施加静电和空间障碍来增强NPs的稳定性，可以通过减少其聚集来抑制纳米颗粒的沉降[87]。(2)化学反应。据报道，NOM能阻碍Ag NPs的氧化，但加速CuO NPs和量子点的氧化溶解。这可能涉及Ag NPs的氧化位点被表面吸附的NOM所阻断，还原溶解的Ag+为Ag0，或生成的H2O2被NOM所消除[88]。然而，柠檬酸和草酸都可以增强新制备的CuO NPs的氧化溶解，这可能是由于溶解的O2加速了表面复合物的氧化[89]。并且离子型Au(Ⅲ)、Ag(Ⅰ)和Cu(Ⅱ)被NOM还原成它们的零价态，进而导致相应元素的纳米颗粒的形成[90]。对于金属氧化物纳米颗粒，相应的金属离子一旦分散在水中就不可避免地会溶解。一方面，NOM能吸附在NPs表面，阻断活性位点，抑制离子溶解。另一方面，NOM与金属离子的络合，促进了离子的溶解。因此，NOM的实际作用应取决于NOM的性质、纳米颗粒的性质和环境条件[91-92]。(3)改变纳米颗粒对其他化合物、离子的吸附能力。无机和有机污染物可通过疏水作用、π-π键、氢键以及静电或共价作用吸附在纳米颗粒表面。与此同时，污染物在NOM上的吸附也可能发生。由于污染物对NOM和纳米颗粒的不同吸附特性以及NOM与纳米颗粒之间的相互作用，与NOM共存时，纳米颗粒吸附性能的改变是不可避免的，这将对这些污染物的迁移、生物有效性和毒性产生重要影响。总之，不同种类的NOM会通过不同机制不同程度地影响纳米颗粒在水环境中的特性和对水生生物的毒性。

在自然水体中，有大量的自然胶体存在(如纳米胶体(Ncs)、Al2O3和Fe2O3)。而这些自然胶体对于纳米颗粒在水环境中的影响及归趋也有着不可忽视的作用。例如，无毒的赤铁矿纳米颗粒通过吸附降低银离子的生物利用度，从而减轻了Ag NPs对莱茵衣藻的毒性。在另一种藻的毒性实验中，尽管具有银离子载体的作用，但赤铁矿纳米颗粒仍能通过竞争性抑制Ag NPs的细胞摄取来减轻Ag NPs的毒性[93]。研究发现，GO和GO-Ncs对小球藻细胞具有包裹效应，两者都可以进入小球藻细胞。但GO-Ncs比GO可诱导更多的活性氧生成，导致DNA损伤和质壁分离更强，对光合作用的抑制更明显[94]。同样的，另一研究表明，Al2O3通过形成GO-Al2O3杂聚体抑制了GO诱导的蛋白核小球藻的膜损伤，减少了细胞内活性氧的生成和纳米颗粒与藻细胞的物理接触[23]。

2.2.2 水的离子强度、pH和硬度

天然水体的离子强度和酸碱度可以改变纳米颗粒在水中的悬浮状态[95]，这也影响纳米颗粒对藻细胞的吸附。金属氧化物纳米颗粒在水溶液中的稳定性在很大程度上取决于水体的离子强度。为了研究离子强度对ZnO NPs在环境中性(pH 7.0)水体中的稳定性和聚集的影响，发现离子强度对于纳米颗粒在水中的溶解和聚集也有明显的影响[96]。一般来说，离子强度增加，Zeta电位降低，纳米颗粒之间的静电排斥力下降，从而加强了纳米颗粒的聚集、沉降，从而减轻了纳米颗粒的毒性。pH同样会影响纳米颗粒的溶解和聚集，如ZnO NPs在pH<6时会因为ZnO表面受到质子攻击而致使纳米颗粒溶解，而在pH>9时，又会与氢氧化物产生羟基络合物形式的可溶性物质，如Zn(OH)2(aq)、Zn(OH)3(aq)等，因此在pH值为6～9范围内观察到的溶解度最低的ZnO NPs[96]。水硬度是另一个重要的纳米颗粒毒性影响因素，水硬度大小主要是指Mg2+和Ca2+的浓度大小，当水硬度大时，会促进纳米颗粒聚集和减少溶解[97]。Nolte等[74]的研究表明，随着Ca2+浓度的增加，纳米颗粒之间的静电斥力下降，并且Ca2+会与纳米塑料络合，从而引起NPs聚集增加。

2.2.3 水温、光照

众所周知，温度对水生生态系统群落有着直接的影响，因为它被认为是影响藻类等初级生产者生长和生产的重要非生物因素，因为温度会影响水中的溶解氧、生物的呼吸作用、藻类的光合作用及各项生理代谢。并且温度与纳米颗粒的溶解、聚集等特性密切相关，例如，随着温度的升高，Ag NPs的溶解速率提高，促进了Ag+的释放[63]。因此，由于引起藻细胞生理状态的变化和纳米颗粒的状态变化，温度会影响纳米颗粒对藻类的毒性。而光照对藻类的生长至关重要，而不同的光对于纳米颗粒也有着不同的影响。因为一些纳米颗粒是具有光催化性能的半导体，所以暴露在紫外光下的纳米颗粒可能通过形成高活性的活性氧物种对藻类产生毒性作用[42]，并且在不同的光照条件下，纳米颗粒的溶解会在一定程度上发生变化。一项研究报告了紫外辐射对有铜包被的TiO2NPs毒性有缓解作用，这可能是由于TiO2NPs对紫外光进行散射和吸附，保护了表面附着纳米颗粒的藻类细胞免受紫外光辐射胁迫[98]。有研究发现与在黑暗和可见光条件下相比，ZnO NPs在紫外光辐射下的毒性显著提高，这是因为紫外光照射下，纳米颗粒溶解性增强，水中活性氧物种的释放明显增多，并引起了更严重的细胞内脂质过氧化等[31]。

2.3 胞外聚合物(EPS)对纳米颗粒毒性的影响

胞外聚合物(EPS)是一种非均质的有机混合物，主要来源于藻类细胞的排泄和溶解[99]。EPS根据在水中的溶解度大小又分为溶解性EPS(SEPS)和聚集型EPS(BEPS)[100-101]。溶于水或与细胞壁结合的微生物EPS已被证明会影响纳米颗粒以及藻类的物理化学性质和稳定性，并且极有可能影响纳米颗粒与藻类细胞之间的异质团聚过程。由于含多官能团和大分子量，EPS可以与纳米颗粒结合形成稳定悬浮液，或诱导其形成某种程度的聚集，从而影响纳米颗粒的溶解度[102]。纳米颗粒的生态毒性受到其稳定性和溶解性的高度影响，Xu和Jiang[103]研究发现，由于蓝藻EPS的存在，ZnO NPs在富营养化的水中比在贫营养化水生环境中显示出更高的潜在毒性，这是因为富营养化水体中含有更多的EPS[103]。研究发现在藻类细胞产生的EPS中含有大量的糖类和蛋白质，有些蛋白质会吸附在TiO2NPs表面，形成一层蛋白质壳，从而影响TiO2NPs的环境归趋和稳定性，进而影响TiO2NPs对藻类的毒性[104]。在EPS对CeO2NPs的影响研究中发现SEPS的存在通过与细胞形成EPS-CeO2NPs杂聚体，SEPS-CeO2NPs聚集体可与细胞共沉淀，但大多数聚集体不直接损伤蓝藻细胞。而BEPS可以作为屏障保护蓝藻细胞免受环境中CeO2NPs的毒性[105]。

总之，除了纳米颗粒本身独特的物理化学特性会影响纳米颗粒对藻类的毒性之外，水环境中复杂的物质组成和物理化学特性以及生物EPS，也会使得纳米材料的性质发生改变，从而影响纳米材料对淡水藻类的毒性。

3 纳米颗粒和其他污染物的复合毒性(Combined toxicity of nanoparticles and other pollutants)

近年来大量的研究表明，不同的纳米颗粒处于同一个水环境时，或者纳米颗粒与其他污染物质处在同一水环境时，纳米颗粒和其他污染物质之间或不同纳米颗粒之间会相互作用或相互影响，这些污染物的毒性会因此而发生改变，有可能是协同作用，也可能是拮抗作用[15,106]。TiO2NPs和Cu2+对细胞壁的损伤为拮抗作用，潜在机制部分归因于Cu2+在TiO2NPs上的吸附，Cu2+的减少保护了藻类细胞免受游离Cu2+的攻击[107]。有研究表明，Cu能刺激绿藻胞外聚合物的产生，并且暴露于Cu和聚苯乙烯组合物时测得的体系中蛋白质含量降低至30%，这可以解释为蛋白质吸附在聚苯乙烯表面，使得纳米塑料对藻类的毒性降低[15]。同理，Dalai等[108]发现在含有六价铬的水体中加入TiO2NPs后，六价铬的毒性显著减小，经验证，这也是因为六价铬吸附在TiO2NPs表面，减少了溶解量。而Zn2+中加入Au NPs，会因为Zn2+诱导Au NPs的聚集而使得Au NPs对藻类的毒性减小，即Zn2+和Au NPs对藻类的毒性也具有拮抗效应[109]。GO-废水混合物在较低的浓度下对莱茵衣藻仍表现出相当大的拮抗作用，即2种污染物对莱茵衣藻的复合毒性显著小于各自的单独毒性[38]。也有不少研究发现2种污染物对藻类的复合毒性大于单独的毒性。如单独使用Au NPs和单独使用纳米塑料都不会导致实验中藻类平均比生长速率显著降低。而同等浓度的Au NPs和纳米塑料混合物处理会显著降低微藻的平均比生长率[106]。总之，2种以上的污染物在水体共存时，会因污染物的性质和水体条件不同而产生不一样的生物效应。

4 结论及展望(Conclusion and prospect)

4.1 结论

(1)迄今，已有研究表明，在大多数情况下，纳米颗粒显然对藻类的生长和代谢产生了不利影响，因为藻类是水环境中的主要生产者，这可能会影响水生生态系统的食物链，从而扰乱整个生态平衡并导致生物多样性丧失。

(2)纳米颗粒对藻类的毒性作用主要通过破坏细胞结构、产生过量ROS、破坏光合作用过程、基因差异性表达和释放有毒物质5个机制联合作用来实现。这是由纳米颗粒独特的理化性质和藻细胞的结构特性共同决定的。

(3)在自然水体中，纳米颗粒的毒理学效应受到从纳米颗粒的形状和大小到环境介质参数的影响。如纳米颗粒的尺寸、晶型、表面电荷、亲疏水性、光敏性、表面涂覆和老化等特性，以及水体中的自然有机物质、环境胶体、离子强度、pH、硬度、光照和温度等，包括藻类胞外聚合物都对纳米颗粒的藻类毒性有影响。

(4)由于水环境的复杂成分，使得纳米颗粒与其他污染物长期共存，共同影响着水生生物的生长代谢。不同的2种以上污染物的复合毒性通常与一种污染物的单独毒性不同，可互为拮抗，也可互为协同，这取决于复合系统中的各物质之间复杂的相互作用效果。

4.2 展望

(1)目前为止没有一个结果能够以一种普遍的方式来解释纳米颗粒的毒性机制或水平。为了量化影响，确实需要进行广泛的研究。为了纳米技术的可持续发展，我们需要关注这一长期存在的问题，尽快地解决越来越严重的纳米生态毒性问题。

(2)学者们进行的大多数纳米生态毒理学实验都是在模拟自然水体的实验室条件下对单个、纯种测试生物进行的。实际上自然条件要复杂得多，随着自然界中多种群体的相互作用，纳米颗粒的物理化学性质会因为各种自然因素而发生剧烈变化。因此，未来的研究应考虑实验室模拟条件与真实水环境的差异，更真实地模拟复杂的自然环境条件。

(3)许多因素如纳米颗粒的类型、大小、晶型和酸碱度等，在纳米颗粒的毒性中起着重要的作用，自然环境中各种复杂的因素对纳米颗粒毒性的影响也不可忽视。但是这些影响因素之间是否存在联系和相互作用尚不清楚。未来的实验研究应该侧重于探索影响纳米颗粒毒性的多种因素的相互作用，制定研究纳米颗粒在自然水体中毒性的标准方案。

(4)因为纳米材料对细菌等微生物有生理性毒害作用，所以纳米材料通常被用作抗菌剂使用。同样的，纳米颗粒对藻类的毒害作用，对于富含有害藻类(如蓝藻)水体的修复具有潜在的应用前景。而纳米材料作为除藻剂应用是我们可以探索的方向。