納米顆粒的土壤環(huán)境行為及其生態(tài)毒性研究進展

張 瑩， 陳光才， 劉 泓

(1.福建農(nóng)林大學資源與環(huán)境學院，福建福州 350002； 2.中國林業(yè)科學研究院亞熱帶林業(yè)研究所，浙江杭州 311400)

納米材料是指結(jié)構(gòu)單元尺寸在三維空間內(nèi)至少有一維處于納米尺度范圍(1～100 nm)或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。隨著納米技術(shù)在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展，各種各樣的納米材料被人們開發(fā)和生產(chǎn)出來。目前，納米材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電子、醫(yī)藥、光學、生物醫(yī)藥、建筑、環(huán)保、化妝品、能源、記憶材料學等各領(lǐng)域[1]。據(jù)報道，目前納米產(chǎn)品產(chǎn)量達 1 300 t，預計到2020年前后將達到58 000 t[2]。

雖然納米材料為我們的生活帶來了許多便利，但由于納米材料的獨特性質(zhì)，使其能夠很容易地進入細胞，并對微生物、植物、動物產(chǎn)生毒性效應(yīng)。目前，大量的研究表明，納米顆粒會對生物產(chǎn)生毒性效應(yīng)。Zhao等研究表明，氧化銅(CuO)納米顆粒能夠引起大腸桿菌的膜損傷[3]。Ramsden等研究發(fā)現(xiàn)，隨著二氧化鈦(TiO2)納米顆粒脅迫時間的增加，斑馬魚細胞的存活率逐漸降低[4]。納米顆粒作為一種潛在的有害物質(zhì)，是否會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響以及對環(huán)境的影響程度已成為國際上的研究熱點。

1 納米顆粒在土壤中的環(huán)境行為

由于納米技術(shù)的廣泛應(yīng)用，納米顆粒進入環(huán)境的途徑是復雜多樣的。目前納米顆粒主要通過污水污泥處理的方式進入土壤[5]。納米顆粒在土壤中的環(huán)境行為十分復雜，這在生態(tài)系統(tǒng)中是一個非常值得關(guān)注的問題。

1.1 納米顆粒在土壤中的遷移與轉(zhuǎn)化

納米顆粒特性影響納米顆粒行為，包括納米顆粒團聚和聚合、納米顆粒的物理性質(zhì)(形狀和粒徑)、化學性質(zhì)如表面酸基官能團、表面吸附和金屬及金屬氧化物的溶解能力。土壤中有多種復雜介質(zhì)，會直接影響納米顆粒的環(huán)境行為。如土壤水中的腐殖酸能吸附到納米顆粒表面，影響納米顆粒的穩(wěn)定性。土壤pH值和離子強度也會影響納米顆粒在土壤中的環(huán)境行為。Fang等研究表明，土壤溶液中二氧化鈦納米顆粒的聚合程度與有機質(zhì)和黏土的含量呈負相關(guān)，與離子強度、Zeta電位和pH值呈正相關(guān)[6]。

納米顆粒一旦進入土壤，將與豐富的有機配體相互作用，發(fā)生一系列環(huán)境轉(zhuǎn)化。土壤中的有機質(zhì)可以吸附納米顆粒并改變其分散性和穩(wěn)定性，進而影響其生物有效性和生物毒性。土壤的吸附行為和納米顆粒的穩(wěn)定性直接影響納米顆粒的移動、去向和毒性。胡敏酸會使吸附在表面的顆粒整體帶負電荷[7]，增加顆粒的穩(wěn)定性，減少納米顆粒的聚集和沉淀[6，8]。表面電荷的改變會減弱細胞膜對納米顆粒的親和力，從而降低其生物利用度[9]。Chen等揭示了包被不同物質(zhì)的富勒烯的生物行為和毒性都會發(fā)生改變，如包被溶解有機物的C70通過脂質(zhì)雙分子層易通過內(nèi)吞作用與原生質(zhì)體發(fā)生反應(yīng)[10]。Ma等研究了土壤中的納米顆粒和并存的其他物質(zhì)對生物體的毒性效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)植物體中含有富勒烯時，三氯乙烯的吸收量會明顯提高[11]。另外，有機質(zhì)對金屬納米顆粒釋放離子的絡(luò)合，改變了納米顆粒及離子濃度，間接影響納米顆粒和金屬離子對生物的毒性。Wang等發(fā)現(xiàn)富里酸(FA)增強了CuO納米顆粒對銅綠微囊藻的毒性[12]，但Zhao等發(fā)現(xiàn)FA減小了CuO納米顆粒對大腸桿菌細胞膜的損傷[3]。有機質(zhì)對納米顆粒生物毒性的影響非常復雜，目前研究的體系集中于水體，在土壤方面較少涉及，需要進一步研究。

1.2 納米顆粒對土壤性質(zhì)的影響

1.3 納米顆粒對土壤微生物的影響

土壤微生物是在土壤中的細菌、真菌、放線菌和藻類等微生物的總稱，是土壤生態(tài)系統(tǒng)的敏感生物指標。土壤微生物驅(qū)動土壤物質(zhì)和能量循環(huán)，對生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)揮重要作用。納米材料進入土壤后，必然會對土壤微生物及其相關(guān)特性產(chǎn)生影響。

一些研究初步揭示了不同的納米材料對土壤微生物群落產(chǎn)生的不同影響，發(fā)現(xiàn)即使是同一納米材料，在不同濃度、不同粒徑下產(chǎn)生的效應(yīng)也不盡相同，而且這種影響還與土壤類型有關(guān)(表1)。

表1 納米顆粒對土壤微生物的影響

綜合前人研究發(fā)現(xiàn)，納米顆粒對土壤微生物的影響方式主要是以下幾個方面：(1)納米顆粒自身的毒性直接對土壤微生物產(chǎn)生影響；(2)改變土壤中危害土壤微生物的毒素或營養(yǎng)物質(zhì)的生物利用度；(3)與天然有機化合物相互作用引起的間接效應(yīng)；(4)與有毒有機物相互作用，增加或減輕其他有機物對土壤微生物的毒性[24]。

2 納米顆粒對植物的毒性效應(yīng)

植物是生態(tài)系統(tǒng)的必要組成部分，關(guān)注納米顆粒與植物的相互作用對評價納米技術(shù)對環(huán)境的影響至關(guān)重要。

2.1 納米顆粒對植物生長的影響

研究發(fā)現(xiàn)，在不同生長階段，納米顆粒對植物的影響不同。在植物種子發(fā)芽和根伸長階段，納米顆粒對植物生長產(chǎn)生抑制作用，抑制種子發(fā)芽和根的伸長[25-27]。但抑制程度有差別，這可能是由于納米顆粒的水力半徑不同，且能夠在水中溶解并釋放金屬離子[25]造成的，而不同金屬離子對植物的毒性效應(yīng)也有差異。

由表2可知，在植物的生長階段，納米顆粒對植物影響的表現(xiàn)不同：(1)同種納米顆粒對不同植物的影響不同。納米TiO2能夠抑制玉米根系的水分運輸，抑制玉米葉片生長和蒸騰作用[28]，但卻可以促進菠菜的光合作用，并提高其根和葉片的固氮能力[29]。Lee等研究發(fā)現(xiàn)，小麥比綠豆對納米Cu更敏感，而且納米Cu在小麥中的積累量多于在綠豆中的，其原因可能是2種植物的根系結(jié)構(gòu)不同。小麥的根系薄而多，比表面積大，有助于納米Cu更多地滲透并積累在根細胞中[30]。(2)不同濃度的納米顆粒對同種植物的影響不同。劉濤等研究發(fā)現(xiàn)，在低濃度CuO納米顆粒脅迫下，水稻幼苗根系防御系統(tǒng)被激活，產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，并通過提高(或維持)根系活力、總吸收面積或活躍吸收面積，加快新陳代謝，為防御系統(tǒng)抵御污染脅迫提供能量，同時加快污染物的生物轉(zhuǎn)運，從而緩解污染物脅迫造成的損害[32]。然而，在高濃度CuO納米顆粒脅迫下，水稻幼苗根系受到嚴重損傷，難以構(gòu)建有效的防御機制抵御脅迫，吸收、代謝能力嚴重受阻，根系活力和總吸收面積顯著下降。(3)納米顆粒表面特征不同，對植物的影響也有差異，Yang等研究發(fā)現(xiàn)，沒有包被菲的納米鋁(Al)能夠使玉米、黃瓜、大豆、胡蘿卜、甘藍這5種植物根系伸長受抑制，而包被菲的納米Al的抑制作用會明顯減少，其原因可能是由于納米顆粒表面的羥基自由基被菲的包被破壞，從而改變了納米Al表面的特性[27]。

植物的形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)也會受納米顆粒的影響。水溶性富勒烯會影響植物根冠細胞生長素的分布，使根細胞生長素傳遞受阻，伸長區(qū)表皮細胞受到破壞并使分生區(qū)細胞發(fā)生分裂，使紡錘體變得不對稱，根尖細胞活性降低[30]。

2.2 納米顆粒的致毒機制

納米顆粒在細胞、蛋白、分子、基因、生物個體及群落水平上對植物產(chǎn)生影響。弄清楚納米顆粒對植物的致毒機制并在整體水平上評估納米顆粒的生態(tài)風險十分必要。

納米顆粒的毒性主要取決于納米顆粒自身的性質(zhì)，主要體現(xiàn)在圖1中的幾個方面：(1)金屬納米顆粒釋放毒性物質(zhì)如重金屬離子。大多數(shù)金屬納米顆粒在水中都有一定溶解性，能夠釋放金屬離子，對植物產(chǎn)生毒害。Stampoulis等研究納米Ag對西葫蘆幼苗期的毒性時發(fā)現(xiàn)，納米Ag釋放的離子對植物生長有很大的毒害作用[34]。Dimkpa等發(fā)現(xiàn)CuO和ZnO納米顆粒能夠釋放金屬離子，引起氧化脅迫，抑制小麥生長[35]。(2)納米顆粒通過吸附或靜電作用附著于細胞壁表面并聚集在一起，產(chǎn)生遮蔽效應(yīng)，從而降低植物吸收營養(yǎng)物質(zhì)的能力，抑制植物的光合作用。此外，附著在細胞膜表面之后，納米顆粒會堵塞離子通道，干擾營養(yǎng)物質(zhì)的運輸和離子交換[36]。(3)納米顆粒能夠進入植物體內(nèi)，破壞細胞膜的完整性，與生物大分子結(jié)合而對細胞產(chǎn)生影響。當納米顆粒粒徑小于10 nm時，能夠直接通過細胞膜、核膜孔徑以及離子通道等直接進入細胞內(nèi)；當納米顆粒的粒徑大于10 nm時，納米顆粒能夠通過主動運輸、吞噬作用或直接破壞細胞膜完整性進入植物體內(nèi)[37]。Liu等經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，C70[C(COOH)2]4-8會對擬南芥根伸長產(chǎn)生抑制作用，并在分子水平上揭示了 C70[C(COOH)2]4-8對植物產(chǎn)生的毒性效應(yīng)：導致細胞分裂紊亂、生長激素干擾、線粒體失活和微管組織破壞[38]。(4)納米顆粒通過誘導生成活性氧，使細胞遭受氧化脅迫，導致膜脂質(zhì)過氧化、線粒體損傷、蛋白質(zhì)變質(zhì)、DNA損傷等。劉濤等對納米氧化銅脅迫下的水稻根系的研究發(fā)現(xiàn)，納米氧化銅易被水稻幼苗根系吸附、吸收，且其表面存在缺陷，易形成電子-空穴對，誘導活性氧化物(ROS)在水稻幼苗根系表面及體內(nèi)產(chǎn)生，從而產(chǎn)生納米效應(yīng)并致毒[32]。(5)納米顆粒自身具有毒性。王淑玲等研究發(fā)現(xiàn)，CuO納米顆粒可能進入根內(nèi)，并對細胞造成傷害[39]。CuO納米顆粒的毒性效應(yīng)不單是由溶出的金屬離子引起的，納米顆粒本身也起了很大的作用。

表2 納米顆粒對植物生長發(fā)育的影響

2.3 納米顆粒在植物體內(nèi)的積累及在食物鏈中的轉(zhuǎn)移

植物受到納米顆粒脅迫時，研究者們關(guān)注的首要問題就是納米顆粒是否能夠進入植物體內(nèi)，如何進入植物體內(nèi)及它們在植物體內(nèi)如何遷移轉(zhuǎn)運。

許多研究表明植物能夠吸收并積累納米顆粒，但研究結(jié)論仍有不同：(1)不同植物對同一納米顆粒的吸收轉(zhuǎn)運狀況不同。Zhang等采用示蹤原子法證明了黃瓜幼苗根部能將納米CeO2轉(zhuǎn)移到葉片中[40]，而Birbaum等卻發(fā)現(xiàn)玉米幼苗的根部不能吸收納米CeO2[41]。(2)植物對納米顆粒的積累轉(zhuǎn)運狀況與納米顆粒的濃度有關(guān)。López-Moreno等研究發(fā)現(xiàn)，納米ZnO濃度為500 mg/L時，大豆幼苗體內(nèi)Zn濃度最高。原因可能是在該濃度下，納米ZnO的分散性最好。在高濃度下，隨著濃度的升高，納米ZnO團聚性變強，使大豆幼苗根部細胞的細胞壁孔堵塞，減少了大豆幼苗對納米ZnO的吸收[42]。(3)納米顆粒在植物體內(nèi)的形態(tài)及位置各不相同。López-Moreno等通過X射線吸收光譜發(fā)現(xiàn)，大豆幼苗體內(nèi)的Zn主要以醋酸鋅和硝酸鋅的形式存在，很少以納米顆粒的形態(tài)存在[42]。而通過掃描電鏡觀察到在黑麥草中植物根表吸附了很多納米ZnO。透射電鏡觀察黑麥草根細胞橫切面發(fā)現(xiàn)納米顆粒主要存在于表皮細胞的細胞質(zhì)、細胞核、質(zhì)外體和植物維管束中[33]。

近年來，許多研究已經(jīng)證明納米顆粒能夠在植物中轉(zhuǎn)運和積累(圖2)。植物是營養(yǎng)循環(huán)和食物鏈的關(guān)鍵部分[43]，但關(guān)于納米顆粒在食物鏈中的研究相對較少，尤其是在營養(yǎng)轉(zhuǎn)移、食物鏈污染以及生物放大作用這一部分，所以進一步研究納米顆粒如何在植物食用部分積累和在食物鏈傳遞具有重要意義。

Holbrook等發(fā)現(xiàn)，硒化鎘(CdSe)量子點能夠在纖毛原蟲體內(nèi)聚集，并隨后轉(zhuǎn)移到掠奪性毛蟲體內(nèi)，但這種生物放大效果并不顯著[44]。相比之下，CdSe量子點能夠累積在銅綠假單胞菌體內(nèi)并被嗜熱四膜蟲轉(zhuǎn)移和生物放大[45]。在水生生物中，Conway等發(fā)現(xiàn)，無論CeO2納米顆粒在水中還是在浮游植物中，貽貝都能夠等量積累CeO2納米顆粒[46]。Zhu等發(fā)現(xiàn)，TiO2納米顆粒從水蚤轉(zhuǎn)移到斑馬魚中沒有形成顯著的生物放大作用，但如果直接生活在添加TiO2納米顆粒的水中將比通過食用體內(nèi)含納米顆粒的斑馬魚對TiO2納米顆粒的攝入和積累量還要多[47]。

目前關(guān)于納米顆粒在植物食物鏈中營養(yǎng)轉(zhuǎn)移的研究相對較少，對納米顆粒的生物積累和生物放大作用的研究結(jié)果不盡相同。這種結(jié)果可能是受試植物種類、納米顆粒類型和性質(zhì)以及脅迫條件的不同造成的。Judy等研究金納米顆粒從番茄向食草煙草天蛾的轉(zhuǎn)移狀況，發(fā)現(xiàn)天峨幼蟲體內(nèi)金納米顆粒的生物富集因子為6.2～11.6，這說明金納米顆粒在食物鏈中會被生物放大[48]。Roche等研究La2O3納米顆粒與微米顆粒在葉用萵苣中的營養(yǎng)轉(zhuǎn)移，發(fā)現(xiàn)蟋蟀體內(nèi)La含量比螳螂體內(nèi)高5～10倍，生物放大作用并不明顯[43]。不同顆粒在螳螂體內(nèi)La含量的累積量也沒有明顯差別。綜上，納米顆粒是否會隨食物鏈產(chǎn)生生物放大作用還需要進一步研究。

3 總結(jié)及展望

納米技術(shù)和納米材料的廣泛應(yīng)用雖然給人們生活帶來許多便利，但也帶來了諸多挑戰(zhàn)。目前，關(guān)于納米材料生態(tài)毒性和環(huán)境行為的研究還處于起步階段，尚有很多問題需要深入研究和探討：(1)納米顆粒植物毒性標準的研究方法和評價指標并不完善；(2)納米顆粒性質(zhì)受環(huán)境介質(zhì)影響很大，目前關(guān)于土壤中納米顆粒植物毒性及吸收的研究較少，有待進一步研究；(3)對納米顆粒在植物體內(nèi)積累及在食物鏈中營養(yǎng)傳遞的研究仍然處于起步階段。植物是自然界的初級生產(chǎn)者，也是各類外源污染物生物蓄積的起點之一。污染物可以通過食物鏈逐級放大，最后導致高等生物生存受到影響。而納米顆粒在植物體中的分布、遷移、轉(zhuǎn)化十分復雜，目前這方面的研究剛剛起步，還有許多機制需要進一步研究探索。