人工納米顆粒對海洋漁業(yè)生物的毒性效應(yīng)及水產(chǎn)品質(zhì)量安全影響研究進(jìn)展

丁怡丹，黃翠玲，朱琳，馮娟，夏斌,*，趙信國，孫雪梅，陳碧鵑，曲克明

1. 青島大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266071 2. 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部極地漁業(yè)開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266071 3. 通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)(青島)有限公司，青島 266101 4. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室，青島 266237

納米材料具有特殊的催化、光電和抗菌等性能，被廣泛應(yīng)用于污水處理、化妝品和抗菌劑等不同領(lǐng)域。根據(jù)納米技術(shù)消費(fèi)類產(chǎn)品庫存(Nanotechnology Consumer Products Inventory)統(tǒng)計，自2005年以來，納米材料的種類和數(shù)量呈指數(shù)增長，在2015年已多達(dá)1 800余種[1]，生產(chǎn)總量達(dá)到數(shù)百萬t[2]，預(yù)計到2020年將增加到3 400種[3]，到2024年全球納米技術(shù)市場價值可達(dá)到1 250億美元[4]。人工納米顆粒(engineered nanoparticles, ENPs)是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1～100 nm)的人工材料。根據(jù)組成成分，ENPs可分為：碳納米顆粒物(單壁納米碳管(SWCNTs)、多壁納米碳管(MWCNTs)和富勒烯(C60)等)、單質(zhì)金屬納米顆粒物(納米Ag、Fe和Au等)、金屬氧化物納米顆粒物(納米CuO、ZnO、TiO2和SiO2等)、量子點(diǎn)(quantum dots, QDs)及納米聚合物(聚苯乙烯、聚乙烯等)等。在納米產(chǎn)品的生產(chǎn)過程、使用階段和廢棄時ENPs均可釋放到環(huán)境中[5]，根據(jù)模型預(yù)測，近岸海域ENPs含量已達(dá)到mg·L-1的級別，并且其濃度會隨著排放量的增加呈指數(shù)上升[6-8]。此外，ENPs會對海洋生物產(chǎn)生毒性效應(yīng)，從而危害海洋生態(tài)系統(tǒng)的健康和穩(wěn)定。因此，ENPs已成為海洋環(huán)境中的新型污染物[9]。

海洋漁業(yè)資源是人類重要的糧食和優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)的來源[10]。根據(jù)中華人民共和國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)漁政管理局最新發(fā)布的《2020中國漁業(yè)統(tǒng)計年鑒》，2019年我國海洋水產(chǎn)品產(chǎn)量為3 282.5萬t，水產(chǎn)品加工總產(chǎn)值為4 464.6億元[11]。ENPs會對海洋漁業(yè)生物產(chǎn)生一系列有害的生理影響，包括降低孵化率[12]、抑制新陳代謝[13]、阻礙胚胎發(fā)育[14]和影響免疫功能[15]等，并會沿著食物鏈發(fā)生傳遞和生物放大作用，引發(fā)了人們對于海洋水產(chǎn)品質(zhì)量安全的關(guān)注和擔(dān)憂。本文通過對國內(nèi)外研究成果的歸納和總結(jié)，分析海洋環(huán)境中ENPs的來源和環(huán)境行為以及對海洋漁業(yè)生物的毒性效應(yīng)，并探討了ENPs在食物鏈中的傳遞和對水產(chǎn)品質(zhì)量安全的潛在影響。并根據(jù)目前所面對的問題，對未來的研究工作做出展望。

1 ENPs的來源(Sources of ENPs)

1.1 個人護(hù)理用品

個人護(hù)理用品中常見的ENPs種類有Ag ENPs、ZnO ENP和TiO2ENPs等。Ag ENPs由于其優(yōu)越的抗菌性能被廣泛應(yīng)用在牙膏等護(hù)理產(chǎn)品中[16]。ZnO ENPs[17]和TiO2ENPs[18]有良好的光學(xué)特性，可以吸收和散射紫外線，因此，常添加在防曬類化妝品中來隔絕紫外線，從而達(dá)到保護(hù)皮膚的目的[19-20]。隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活水平的提高，個人護(hù)理用品的產(chǎn)量和消費(fèi)量不斷地增加，導(dǎo)致對海洋環(huán)境的不斷污染。據(jù)報道，預(yù)計每年約有4 000～6 000 t防曬霜被排放到海洋珊瑚礁區(qū)域，這些防曬霜中的TiO2ENPs會在水介質(zhì)中發(fā)生分散和團(tuán)聚行為[19]，對棲息在海洋環(huán)境中的珊瑚群落和漁業(yè)生物產(chǎn)生危害[21]。此外，防曬霜中TiO2ENPs表面的無機(jī)涂層通常為氧化鋁，當(dāng)其進(jìn)入到生物體內(nèi)，會被消化系統(tǒng)的酸性介質(zhì)溶解，從而使ENPs活性增強(qiáng)，對生物產(chǎn)生更大的損害[22]。

1.2 工業(yè)和城市污水

ENPs進(jìn)入環(huán)境的過程主要與其遷移和轉(zhuǎn)化過程有關(guān)，這個過程主要發(fā)生在城市污水處理廠中[23]，最終ENPs被排放到海洋環(huán)境中。防曬霜等個人護(hù)理用品中的ENPs會隨著人類生活污水進(jìn)入到污水處理廠[24]。此外，有研究人員在城市徑流和污水處理廠中也檢測到了來自建筑外墻涂料中的TiO2ENPs[25-26]、Ag ENPs[27-28]和ZnO ENPs[29]，證明了建筑外墻涂料會隨著使用年限增加而老化脫落，隨雨水等排入污水處理廠。研究還發(fā)現(xiàn)，在污水處理過程中，這些來自于日常生產(chǎn)生活的ENPs會與其他污染物相互吸附形成團(tuán)聚體[30]，這些團(tuán)聚物大部分將累積在活性污泥中[31]，小部分會隨污水處理尾水進(jìn)入到海洋環(huán)境中[12]。

1.3 防污涂料

污損生物附著會造成海洋建筑物(如平臺和碼頭)、船舶等發(fā)生表面腐蝕，大大縮短建筑物和船舶的使用年限，增加昂貴的維護(hù)費(fèi)用。為了防止生物污損，海洋建筑物會使用防污涂料，而納米材料是其中重要的有效成分。海洋防污涂料中常見的納米材料包括SiO2ENPs、TiO2ENPs、ZnO ENPs和碳納米管等。不同種類的納米材料添加到防污涂料中發(fā)揮的功能也不盡相同，ZnO ENPs具有較好的著色性、防腐性和發(fā)光性[32]，CuO ENPs則具有良好的抗菌性，TiO2ENPs、Al2O3ENPs和SiO2ENPs可提高涂料的抗老化性，TiO2ENPs、Cr2O3ENPs和Fe2O3ENPs等具有良好的靜電屏蔽性能，可使涂膜表面不沾附塵污，提高裝飾性能。防污涂料會隨著使用時間的增加出現(xiàn)不同程度的腐蝕、風(fēng)化和老化，最終會進(jìn)入到海洋環(huán)境中。

1.4 大氣沉降

大氣中ENPs的主要來源分為點(diǎn)源排放和非點(diǎn)源排放[33]。ENPs的點(diǎn)源一般是污水處理廠、垃圾焚燒廠和填埋廠等[34]，非點(diǎn)源是指服裝、個人護(hù)理用品和清洗劑等用品在使用或洗滌過程中的磨損排放以及汽車尾氣等[35]。相對于水環(huán)境和土壤環(huán)境來說，排入大氣中的納米顆粒數(shù)量較少，而它們卻可以進(jìn)入其他環(huán)境中，并與該環(huán)境介質(zhì)發(fā)生相互作用。目前已在大氣環(huán)境中檢測到了含Hg、Fe、Pb和Zn的納米顆粒[36-38]，這些大氣中的納米顆粒主要通過降水進(jìn)入水環(huán)境[39-40]，最終匯聚在海洋環(huán)境中。

2 ENPs在海洋中的環(huán)境行為(Environmental behavior of ENPs in ocean)

ENPs進(jìn)入海洋環(huán)境后會發(fā)生一系列復(fù)雜的環(huán)境行為，并且可能會在生物、物理和化學(xué)等因素作用下發(fā)生轉(zhuǎn)化。目前已有研究報道了ENPs在淡水中的環(huán)境行為[41]，但是海洋環(huán)境相對于淡水更加復(fù)雜。高離子強(qiáng)度、低有機(jī)物含量、弱堿性水質(zhì)以及潮流、潮汐、風(fēng)浪等因素使得ENPs在海洋環(huán)境中的行為不同于淡水環(huán)境(圖1)，進(jìn)而導(dǎo)致ENPs對海洋生物的毒性效應(yīng)及致毒機(jī)制發(fā)生改變[42]。因此，研究ENPs在海洋生態(tài)環(huán)境中的環(huán)境行為就顯得尤為重要。

圖1 人工納米顆粒(ENPs)在海洋環(huán)境中的環(huán)境地球化學(xué)過程[43]注：NOM為天然有機(jī)質(zhì)。Fig. 1 Environmental geochemistry process of engineered nanoparticles (ENPs) in marine environment[43]Note: NOM means natural organic matter.

2.1 溶解性

一些金屬及金屬氧化物ENPs可以在水介質(zhì)中釋放金屬離子，但是它們的溶解程度不盡相同。例如，CeO2ENPs在水介質(zhì)中幾乎是不溶的[44]，Cu ENPs能夠釋放Cu2+[45]，Ag ENPs能夠釋放Ag+[46]。ENPs的溶解性主要受到其粒徑大小、性質(zhì)、涂層和環(huán)境因素(鹽度、pH等)的影響。在海水中，尺寸越小的ENPs溶解性能越好，如納米級ZnO的溶解性是微米級ZnO的2倍[47]。ENPs的形狀也會影響其溶解性，這主要與比表面積的大小有關(guān)，比表面積越大的ENPs溶解性能越好。此外，海水鹽度變化也會影響ENPs的溶解性，如鹽度增加會促進(jìn)CuO和ZnO NPs的團(tuán)聚，從而降低其溶解性[48]。pH也會對ENPs的溶解性產(chǎn)生影響。在pH為4～9的范圍內(nèi)，隨著pH的降低，Ag ENPs釋放Ag+的能力增強(qiáng)[49]。CuO和Cu ENPs的離子釋放量：pH 4 ≥ pH 7 > pH 11[50]。Ag2O ENPs在海洋酸化條件下會進(jìn)一步溶解釋放Ag+，并且顆粒粒徑越小，離子釋放能力越強(qiáng)[51]

2.2 團(tuán)聚性

ENPs在水介質(zhì)中易于團(tuán)聚，其團(tuán)聚性強(qiáng)弱與溶液的離子強(qiáng)度、pH和天然有機(jī)質(zhì)(NOM)密切相關(guān)[52]。海水具有高離子強(qiáng)度，因而降低了顆粒的電泳遷移率，促進(jìn)了ENPs的團(tuán)聚[53]。pH也會影響ENPs的團(tuán)聚性。pH接近Al2O3ENPs懸浮液的等電點(diǎn)時顆粒懸浮性減弱，遠(yuǎn)離等電點(diǎn)時懸浮性增強(qiáng)，這可能是ENPs之間靜電作用力不同引起的[54]。在pH為5～8范圍內(nèi)，隨著pH增加，F(xiàn)e2O3ENPs的團(tuán)聚性增強(qiáng)[55]。pH降低遠(yuǎn)離Cu ENPs等電點(diǎn)時，Cu ENPs的粒徑減小，懸浮性能增強(qiáng)[56]。此外，NOM會影響ENPs的團(tuán)聚性。如NOM會增加CeO2ENPs的表面電荷，從而增強(qiáng)顆粒間的靜電排斥，導(dǎo)致ENPs的團(tuán)聚性降低[57]。不同分子量的NOM對ENPs團(tuán)聚的影響也不盡相同。如低分子量的富里酸會增加膠體的流動性，而高分子量的腐殖酸會增加團(tuán)聚[58]。ENPs的團(tuán)聚速率也會發(fā)生變化，與自身濃度和表面電荷等因素有關(guān)，高濃度的ENPs會快速發(fā)生團(tuán)聚，而二價陽離子(如Ca2+)可以改變被NOM包裹的ENPs所帶的表面電荷，從而加速ENPs的團(tuán)聚[59]。

3 ENPs對海洋漁業(yè)生物的毒性(Toxicity of ENPs to marine fisheries)

3.1 魚類

研究表明，ENPs會對魚類的胚胎發(fā)育產(chǎn)生不利影響(表1)。在ZnO ENPs暴露下，海水青鳉(Oryziasmelastigma)胚胎[12]和諸氏鯔蝦虎魚(Mugilogobiuschulae)胚胎[60]的死亡率升高，心率加快，孵化時間延長，孵化率降低，畸形率增加，蝦虎魚畸形特征多表現(xiàn)為脊柱彎曲。ENPs暴露會導(dǎo)致魚類生理活動和行為能力受到影響。例如，TiO2ENPs會改變虹鱒魚(Oncorhynchusmykiss)的運(yùn)動行為，如降低高速游泳的時間比例，這可能與鰓損傷和呼吸壓力有關(guān)[61]，還可能會引起肝細(xì)胞微量脂肪過量和脂沉積，嚴(yán)重影響腦中的Cu2+和Zn2+水平[62]。Ates等[63]研究了不同鹽度條件下CuO ENPs對雜色鯉(Cyprinodonvariegatus)生理活動的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不論鹽度條件如何變化，CuO ENPs暴露均會改變魚的行為，造成粘液分泌增加、活動量減少和平衡性變差等；且在低鹽度條件下，魚體組織中Cu的富集量更高，CuO ENPs暴露導(dǎo)致的氧化損傷更強(qiáng)。ZnO NPs抑制了美國紅魚(Sciaenopsocellatus)單核巨噬細(xì)胞的活性，并且隨著ZnO NPs暴露時間的延長和濃度的增加，細(xì)胞活性進(jìn)一步降低，氧化應(yīng)激可能是誘發(fā)細(xì)胞凋亡的主要途徑[64]。ENPs會在魚類的不同器官中富集。有研究發(fā)現(xiàn)TiO2ENPs主要富集在鯧鲹(Trachinotuscarolinus)[65]的肝臟、腎臟和鰓部，少量會進(jìn)入到肌肉中。與以上研究結(jié)果相反，Wang等[66]發(fā)現(xiàn)長期暴露于ZnO ENPs(80 mg·kg-1)并沒有影響海水青鳉(Oryziasmelastigma)的生長，反而增強(qiáng)了海水青鳉的抗氧化能力。

3.2 貝類

ENPs在進(jìn)入水體之后會發(fā)生團(tuán)聚并沉降，最終進(jìn)入到沉積物當(dāng)中，因此貝類作為底棲生物更易受到ENPs的威脅(表1)。ENPs進(jìn)入貝類生物體后會在其組織中富集。地中海貽貝(Mytilusgalloprovincialis)在10 μg·L-1Ag ENP中暴露15 d后，發(fā)現(xiàn)ENPs在鰓和消化腺中發(fā)生積累[67]。1 mg·L-1的CuO ENPs進(jìn)入到紫貽貝(Mytilusedulis)體內(nèi)，大約有63%的Cu會富集在鰓中，28%富集在消化腺中，9%富集在外套膜中[68]。Trevisan等[69]將太平洋牡蠣(Crassostreagigas)暴露在4 mg·L-1ZnO ENPs懸浮液中，24 h和48 h后也發(fā)現(xiàn)了ZnO ENPs在消化腺中積累。ENPs暴露會導(dǎo)致貝類產(chǎn)生脂質(zhì)過氧化，并對其免疫功能造成影響。已有研究發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境濃度下(1 μg·L-1)，TiO2ENPs(15～60 nm)會造成紫貽貝消化腺丙二醛(MDA)含量上升，免疫功能降低[70]；1 mg·L-1TiO2ENPs(22 nm)暴露后，紫貽貝血細(xì)胞內(nèi)的中性脂質(zhì)含量增加，溶酶體穩(wěn)定性降低[71]。菲律賓蛤仔(Ruditapesphilippinarum)在ZnO ENPs暴露下出現(xiàn)氧化應(yīng)激反應(yīng)，過氧化氫酶和超氧化物歧化酶活性增加，谷胱甘肽S轉(zhuǎn)移酶活性下降[72]。環(huán)境預(yù)測濃度TiO2ENPs(1 mg·L-1)會對櫛孔扇貝(Chlamysfarreri)產(chǎn)生氧化損傷和神經(jīng)毒性[73]。

續(xù)表1分類Classification物種Species污染物Pollutant污染物濃度Pollutant concentrations毒性效應(yīng)Effects參考文獻(xiàn)References甲殼類Crustacea三疣梭子蟹Portunus trituberculatusCuO ENPs濱蟹Carcinus maenasCu ENPs短溝對蝦Penaeus semisulcatusZnO ENPs南美白對蝦Litopenaeus vannameiAg ENPs20、40 mg·L-1富集含量從高到低依次為:鰓、血淋巴、肌肉、肝胰腺、心臟和胃The contents of enrichment from high to low were: gill, hemolymph, muscle, hepatopancreas, heart and stomach[74]0、20.0、29.9、44.8、67.0、100 mg·L-1CuO ENPs濃度越高,死亡率越高;具有急性毒性,96 h的半致死濃度為49 mg·L-1The higher of CuO ENPs concentration, the higher mortality; they have acute toxicity and the half lethal concentra-tion of 96 h is 49 mg·L-1[75]0.2、1 mg·L-1主要富集在鰓、肝胰腺和螯肌中;銅納米組死亡率(21%)低于銅離子組(54%)They were mainly enriched in the gills, hepatopancreas and chelates; the mortality of copper nano group (21%) was lower than copper ion group (54%)[78]20、40、60、80、100 mg·L-1增強(qiáng)短溝對蝦的免疫活性Immune activity of Penaeus semisulcatus were en-hanced[62]0.5、5、20 μg·L-1感染白斑綜合癥病毒的對蝦,注射Ag ENPs后存活率(80%)高于未注射組(10%)Shrimp infected with leukoplakia virus, the survival rate after injection of Ag ENPs (80%) was higher than that of the un-injected group (10%)[63]

3.3 甲殼類

ENPs也會在蝦蟹體內(nèi)發(fā)生富集(表1)。CuO ENPs在三疣梭子蟹(Portunustrituberculatus)各組織中的富集含量從高到低依次為鰓>血淋巴>肌肉>肝胰腺>心臟和胃。三疣梭子蟹鰓對CuO ENPs的富集作用遠(yuǎn)高于其他組織。除血淋巴外，隨著CuO ENPs濃度的增高，不同組織的CuO ENPs殘留量有一定程度的增加[74]。CuO ENPs對三疣梭子蟹具有急性毒性，96 h的半致死濃度為49 mg·L-1[75]。濱蟹(Carcinusmaenas)暴露在Cu ENPs水體中，其富集含量最高的器官為鰓，其次是肝胰腺，在螯肌中富集量最低[76]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，ENPs會增強(qiáng)生物的活性和抗病毒能力。例如，生物合成ZnO ENPs通過水介質(zhì)暴露和食物暴露均可以增強(qiáng)短溝對蝦(Penaeussemisulcatus)的免疫活性[77]。感染白斑綜合征病毒(white spot syndrome virus, WSSV)的南美白對蝦(Litopenaeusvannamei)，在注射Ag ENPs 96 h后，與未注射組相比，存活率由10%提升到了80%，證明Ag ENPs可作為抗病毒藥物治療水產(chǎn)養(yǎng)殖生物的疾病[78]。

4 ENPs在海洋食物鏈中的傳遞(Trophic transfer of ENPs in the marine food chain)

高營養(yǎng)級生物會通過攝食其他暴露在污染物中的低營養(yǎng)級生物而對污染物產(chǎn)生富集作用。大量研究表明，ENPs可以對海洋細(xì)菌、植物和動物等不同營養(yǎng)級生物產(chǎn)生毒性效應(yīng)，并在生物體中發(fā)生富集作用，這就意味著ENPs可以通過捕食關(guān)系在海洋食物鏈中發(fā)生傳遞[79]，進(jìn)而對整個海洋生態(tài)系統(tǒng)和人類健康產(chǎn)生潛在危害。ENPs在海洋環(huán)境中的環(huán)境行為和食物鏈傳遞過程，如圖2所示。目前，關(guān)于ENPs在水生食物鏈，特別是海洋漁業(yè)食物鏈中的營養(yǎng)傳遞研究還非常有限。Ferry等[80]建立了由海水、沉積物、海草、蝸牛、硬殼蛤、蝦、魚和生物膜組成的微宇宙生態(tài)系統(tǒng)，研究Au ENPs從河口到海洋食物網(wǎng)的遷移行為。經(jīng)過12 d后，在植物、動物、生物膜、沉積物和海水中能回收到84.4%的Au ENPs，其中，單位質(zhì)量硬殼蛤富集的ENPs含量最高，表明Au ENPs可以從水體遷移到海洋食物網(wǎng)中。Conway等[81]研究了CeO2ENPs在海洋食物鏈(球等鞭金藻(Isochrysisgalbana)—紫貽貝(Mytilusedulis))中的營養(yǎng)傳遞，紫貽貝通過攝食CeO2ENPs暴露后的微藻從而對ENPs產(chǎn)生富集作用，但是大約99%的CeO2ENPs又被紫貽貝以糞便的形式排出體外。有研究表明，ENPs通過食物鏈傳遞時會發(fā)生生物放大效應(yīng)。Wang等[82]證實(shí)TiO2NPs可通過食物鏈從新月菱形藻(Nitzschiaclosterium)向櫛孔扇貝轉(zhuǎn)移，并在扇貝的鰓、消化腺和外套膜中觀察到生物放大現(xiàn)象。但也有研究者認(rèn)為，納米顆粒在食物鏈傳遞過程中不會發(fā)生生物放大效應(yīng)。Wang等[83]研究發(fā)現(xiàn)，TiO2ENPs能夠通過食物鏈從沙蠶(Perinereisaibuhitensis)轉(zhuǎn)移到大菱鲆(Scophthalmusmaximus)體內(nèi)，隨著沙蠶體內(nèi)Ti含量的增加，大菱鲆幼魚體內(nèi)累積的Ti含量也逐漸增加，但其生物放大系數(shù)(biological magnification factor, BMF)<1，表明并未發(fā)生生物放大效應(yīng)。究其原因可能是由于ENPs在不同生物中富集的靶器官存在差異，富集在貝類鰓、消化腺和外套膜中的ENPs不易被排出，而進(jìn)入魚體的ENPs又通過消化道直接排出，導(dǎo)致BMF值較低，未發(fā)生生物放大現(xiàn)象。

圖2 人工納米顆粒(ENPs)的海洋環(huán)境行為及其在海洋漁業(yè)食物網(wǎng)中的傳遞注：黑色箭頭表示ENPs在海洋環(huán)境中的環(huán)境行為；紅色箭頭表示生物體直接攝入ENPs；綠色虛線箭頭表示間接攝入ENPs(潛在的營養(yǎng)轉(zhuǎn)移)；黃色箭頭表示人類通過食用海產(chǎn)品攝入ENPs。Fig. 2 The marine environment behavior of engineered nanoparticles (ENPs) and its transmission in the food webs of marine fisheriesNote: Black arrows indicate the fate of ENPs in the marine environment; the red arrows indicate the direct uptake of ENPs; green dotted arrows indicate indirect uptake of ENPs (potential trophic transfer); the yellow arrows indicate that human consume the ENPs through eating seafood.

5 ENPs的致毒機(jī)制(Toxicity mechanisms of ENPs)

ENPs的毒性效應(yīng)通常可以分為直接毒性和間接毒性。前者是指ENPs本身刺激生物體而產(chǎn)生的毒性反應(yīng)；后者是指由于ENPs的其他特性造成的毒性效應(yīng)，例如，金屬納米材料溶解產(chǎn)生的離子對生物的毒性效應(yīng)。目前，ENPs的致毒機(jī)制還不十分清楚，可能的致毒機(jī)制主要包括尺寸效應(yīng)、離子效應(yīng)和氧化損傷等，這主要由ENPs的自身性質(zhì)決定。

5.1 尺寸效應(yīng)

粒徑是ENPs最顯著的特征，也是ENPs進(jìn)入生物體并產(chǎn)生毒性效應(yīng)的關(guān)鍵因素。ENPs的尺寸會影響其進(jìn)入細(xì)胞的方式[84]，較小粒徑的ENPs能夠直接穿過細(xì)胞膜進(jìn)入到胞內(nèi)，較大粒徑的ENPs會對細(xì)胞膜的通透性產(chǎn)生損傷[85]。大粒徑的ENPs也會通過內(nèi)吞作用[86]和主動運(yùn)輸[87]等方式進(jìn)入到胞內(nèi)。進(jìn)入到細(xì)胞的ENPs會與生物大分子等細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)發(fā)生相互作用[88]。細(xì)胞通過內(nèi)吞作用吸收納米顆粒依賴于納米顆粒的尺寸，因此，尺寸對于納米顆粒在細(xì)胞中的分布和引發(fā)細(xì)胞的毒理效應(yīng)發(fā)揮著重要作用。從材料本身的性質(zhì)來講，ENPs的尺寸越小，其比表面積就越大，與生物器官接觸的活性點(diǎn)就越多，產(chǎn)生的毒性越大。Ag ENPs對細(xì)菌的毒性效應(yīng)就與其粒徑顯著相關(guān)，粒徑越小其抑菌作用越強(qiáng)[89]。TiO2ENPs的毒性也隨著尺寸的減小而急劇增加[90]。暴露在1 mg·L-1Cu ENPs中的濱蟹(Carcinusmaenas)，7 d后其死亡率為20%，由于Cu ENPs在水體中不易溶解產(chǎn)生Cu2+，因此，其毒性是由納米顆粒的尺寸效應(yīng)造成的[76]。ZnO ENPs對海水青鳉(Oryziasmelastigma)胚胎死亡率和心率的影響顯著大于Zn2+，這表明ZnO ENPs的毒性主要來自尺寸效應(yīng)[12]。

5.2 離子效應(yīng)

大多數(shù)金屬及其氧化物ENPs(納米CuO、Ag和ZnO等)在水相中具有一定的溶解性[91]，1 mg·L-1的金屬ENPs釋放出的金屬離子可達(dá)到“微克”級[92]。金屬ENPs進(jìn)入生物體內(nèi)后會在生物體內(nèi)釋放出金屬離子，從而對生物產(chǎn)生毒性[93]，影響其正常生長發(fā)育。已有研究表明，ENPs釋放的金屬離子在其毒性效應(yīng)中起著非常重要的作用[94]。一方面ENPs自身溶解出來的金屬離子對細(xì)胞造成一定的毒害作用；另一方面ENPs溶出的金屬離子更容易透過被ENPs破壞的細(xì)胞膜或者細(xì)胞壁，而進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi)，從而增強(qiáng)ENPs的毒性[95]。相對于Cu ENPs，Cu2+的暴露可導(dǎo)致虹鱒魚對?；悄懰岬男嵊X反應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致行為及生活習(xí)性受到干擾，這可能與嗅覺感覺神經(jīng)元離子穩(wěn)態(tài)被破壞有關(guān)[96]。因此，在評價這些ENPs的毒性效應(yīng)時，必須考慮易溶解ENPs釋放的金屬離子對毒性的貢獻(xiàn)。

5.3 氧化損傷

活性氧自由基(ROS)的產(chǎn)生及氧化應(yīng)激反應(yīng)通常被認(rèn)為是ENPs的主要致毒機(jī)制。相比于常規(guī)顆粒，ENPs比表面積大，粒子數(shù)目多，更易生成具有高反應(yīng)能力的自由基，誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生氧化損傷和炎癥反應(yīng)，激活免疫系統(tǒng)中一些分子的合成和釋放。ENPs對細(xì)胞產(chǎn)生損傷的過程可以分為3個階段[86]。(1)低水平的氧化脅迫。轉(zhuǎn)錄因子(Nrf2)調(diào)節(jié)抗氧化防御系統(tǒng)，包括氧化酶和解毒酶等來抵抗氧化脅迫；ZnO ENPs可誘導(dǎo)斑馬魚腸中的MDA含量增高，隨著時間的延長，組織中谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-PX)和谷胱甘肽S轉(zhuǎn)移酶(GST)活性呈先升高后下降的趨勢[97]。TiO2ENPs處理虹鱒后，鰓和腸道中Na+K+-ATPase的活性顯著性下降，鰓中谷胱甘肽(GSH)水平顯著性上升[98]。NiO ENPs暴露對牡蠣的鰓和消化腺組織產(chǎn)生了氧化損傷，與鰓相比，消化腺受到的氧化損傷更為嚴(yán)重，抗氧化酶系統(tǒng)在1 mg·L-1和10 mg·L-1的NiO ENPs脅迫時產(chǎn)生顯著性應(yīng)答，成為響應(yīng)納米顆粒暴露的重要防線[99]。(2)高水平的氧化脅迫。沒有被清除的ROS會刺激細(xì)胞中敏感性的酶類，使其產(chǎn)生保護(hù)性的促炎反應(yīng)；劉林等[97]發(fā)現(xiàn)ZnO ENPs能誘導(dǎo)斑馬魚腸組織產(chǎn)生氧化應(yīng)激作用，使組織中抗氧化酶活性發(fā)生變化，誘導(dǎo)腸中細(xì)胞凋亡相關(guān)基因的表達(dá)，并且能對腸組織結(jié)構(gòu)造成損傷。研究表明，彩虹魚(Oncorhynchusmykiss)暴露在TiO2ENPs懸浮液中14 d后，鰓部發(fā)生病變，鰓和腸中Na+和K+失衡，ATP酶活性降低，且大腦酶活性也呈現(xiàn)降低趨勢[62]。Au ENPs進(jìn)入紫貽貝(Mytilusedulis)后產(chǎn)生了氧化應(yīng)激反應(yīng)[100]，抑制了硫氧化蛋白酶的活性[101]，降低了溶酶體膜的穩(wěn)定性[102]。(3)最高水平的氧化脅迫。ROS會導(dǎo)致細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化、線粒體損傷以及細(xì)胞功能喪失，最終引起細(xì)胞凋亡。ZnO ENPs進(jìn)入美國紅魚單核巨噬細(xì)胞(MO/MФ)內(nèi)，會引起細(xì)胞內(nèi)ROS升高，并誘發(fā)細(xì)胞凋亡[64]。C60納米顆粒導(dǎo)致大口黑鱸(Largemouthbass)的鰓部和腦部發(fā)生了嚴(yán)重的氧化損傷以及肝中基因表達(dá)發(fā)生變化[103]。

6 ENPs對海洋水產(chǎn)品質(zhì)量安全的潛在影響(Potential impact of ENPs on the quality and safety of seafood)

海洋水產(chǎn)品是我國居民獲取優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)的主要來源之一。實(shí)驗(yàn)證明，ENPs會通過攝食等方式在海洋貝類、蝦類、蟹類和魚類等生物體內(nèi)富集，并對其生理健康造成損害。ENPs還可以隨著食物鏈轉(zhuǎn)移，從而對更高營養(yǎng)級生物和人類造成潛在影響。隨著ENPs的生產(chǎn)和消費(fèi)數(shù)量呈指數(shù)級增長，未來幾十年，環(huán)境中ENPs濃度可能會持續(xù)升高，從而對海洋生態(tài)系統(tǒng)和人類健康造成更大程度的影響。

ENPs對水產(chǎn)品質(zhì)量安全的潛在影響主要包括以下3個方面。(1)ENPs本身對水產(chǎn)品質(zhì)量安全造成影響。ENPs進(jìn)入生物體內(nèi)后，會在其組織內(nèi)富集，并且可隨食物鏈轉(zhuǎn)移，人類食用富集ENPs的水產(chǎn)品后可能會導(dǎo)致ENPs在人體內(nèi)殘留，進(jìn)而可能會對人體健康產(chǎn)生影響。Li等[104]通過體外模型證實(shí)了食物中的CeO2ENPs、CuO ENPs和ZnO ENPs進(jìn)入人體后，可被腸道細(xì)胞吸收并運(yùn)輸?shù)礁渭?xì)胞，從而導(dǎo)致腸道細(xì)胞和肝細(xì)胞發(fā)生壞死。這表明，ENPs具有通過食物轉(zhuǎn)移到人體的功能，具有對人體造成永久性損害的潛在風(fēng)險。Henson等[105]建立了人腸道細(xì)胞三維模型，研究發(fā)現(xiàn)，Cu ENPs在人腸道細(xì)胞中幾乎不溶，細(xì)胞毒性主要來自被吸收的Cu ENPs。(2)ENPs釋放重金屬離子的風(fēng)險。金屬類人工納米顆粒進(jìn)入到生物體內(nèi)，會釋放重金屬離子并在生物體內(nèi)富集，對水產(chǎn)品質(zhì)量安全產(chǎn)生影響。人類食用后可能會導(dǎo)致重金屬在人體內(nèi)富集并對健康造成損害。Gliga等[106]發(fā)現(xiàn)，10 nm的Ag ENPs會導(dǎo)致人肺上皮SV-40細(xì)胞活性降低，產(chǎn)生細(xì)胞毒性，造成DNA損傷，其毒性主要由于ENPs所釋放的Ag離子造成。同樣地，Ag ENPs所釋放的Ag離子會導(dǎo)致人肺上皮A549細(xì)胞活性降低，并且這種細(xì)胞毒性隨著Ag離子釋放率增加而增大，當(dāng)Ag離子釋放率由39%增加至69%時，細(xì)胞存活率由92%降至54%[107]。ZnO ENPs釋放的Zn離子會誘導(dǎo)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(HUVECs)產(chǎn)生顯著的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)，并導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[108]。(3)ENPs富集其他污染物及病原微生物的風(fēng)險。ENPs進(jìn)入到海洋環(huán)境中，由于其結(jié)構(gòu)特性可能會吸附其他污染物，比如有機(jī)污染物[109]、重金屬[110]、放射性元素、潛在有毒物質(zhì)[111]和多氯化合物[112]等，它們會以顆粒-污染物的復(fù)合形式進(jìn)入到海洋漁業(yè)生物體內(nèi)，從而增加了ENPs的生物有效性及其對生物的毒性，最終對人體健康產(chǎn)生危害[113]。有些病原微生物也可能會以ENPs為載體，進(jìn)而隨著ENPs進(jìn)入生物體內(nèi)導(dǎo)致水產(chǎn)品病害。當(dāng)人類處理或進(jìn)食這些攜帶污染物和病原微生物的水產(chǎn)品時，可能也會被感染而發(fā)病。

7 結(jié)語與展望(Conclusion and future)

ENPs的海洋環(huán)境效應(yīng)已經(jīng)引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。研究表明，ENPs被海洋漁業(yè)生物攝入后，會在其體內(nèi)各組織中富集，對其生長發(fā)育、攝食和行為造成影響，并引起氧化應(yīng)激、生殖毒性、免疫毒性和DNA損傷等毒性效應(yīng)。同時，ENPs會沿著海洋食物鏈，從低營養(yǎng)級生物向高營養(yǎng)級生物傳遞，發(fā)生生物放大作用，對整個海洋生態(tài)系統(tǒng)造成威脅。但是，目前的研究對于準(zhǔn)確評估ENPs對海洋漁業(yè)資源的影響和風(fēng)險還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此，下一步的研究工作可以在以下方面開展。

(1)目前，采用單顆粒-電感耦合等離子體質(zhì)譜(SP-ICP-MS)可以原位檢測環(huán)境中ENPs的濃度[114-115]。但是在進(jìn)行納米毒性研究時，采用的實(shí)驗(yàn)濃度大多是高于環(huán)境濃度的，沒有考慮到ENPs在海洋環(huán)境中的實(shí)際含量，這將導(dǎo)致無法真實(shí)、準(zhǔn)確和客觀地評價ENPs的海洋生態(tài)環(huán)境風(fēng)險。因此，應(yīng)加強(qiáng)環(huán)境濃度ENPs對海洋漁業(yè)生物的毒性效應(yīng)研究。

(2)關(guān)于ENPs對海洋生物的毒性效應(yīng)研究，大多是在個體、組織、細(xì)胞和分子層面上，還應(yīng)進(jìn)一步應(yīng)用組學(xué)的研究技術(shù)，如基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)，從基因組、蛋白質(zhì)組和代謝組水平明確與ENPs毒性關(guān)系密切的生物學(xué)通路，將傳統(tǒng)毒理學(xué)和現(xiàn)代組學(xué)進(jìn)行整合分析，闡明ENPs對海洋生物的致毒機(jī)制。

(3)目前的研究主要集中于ENPs對海洋生物的毒性效應(yīng)方面，但是關(guān)于ENPs對海洋水產(chǎn)品質(zhì)量安全影響的研究還很少?；谖覈用竦乃a(chǎn)品膳食攝入量，應(yīng)分析暴露途徑和暴露人群情況，對海洋水產(chǎn)品中的ENPs開展危害識別、危害描述和暴露評估分析，建立ENPs的水產(chǎn)品食用安全風(fēng)險評估體系，明確ENPs的海洋環(huán)境限量標(biāo)準(zhǔn)值，并將其納入到海洋環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)中，制定相應(yīng)的法律法規(guī)，從而有效降低ENPs的海洋生態(tài)風(fēng)險。