2018年㊀第13卷第6期,61-68
生态毒理学报
Asian Journal of Ecotoxicology
V ol.13,2018No.661-68
㊀㊀基金项目：国家自然科学基金(21677156)
㊀㊀作者简介：李雅轩(1989-)，女，博士，研究方向为纳米材料复合生物毒性,E -mail: ㊀㊀*通讯作者(Corresponding author ),E -mail:wgds@
㊀㊀
共同通讯作者(Co -corresponding author ),E -mail:binmen@
DOI :10.7524/AJE.1673-5897.20180321001
李雅轩，门彬，何怡，等.纳米材料与环境污染物的复合毒性[J].生态毒理学报,2018,13(6):61-68
网漏吞舟Li Y X,Men B,He Y ,et al.The combined toxicity of nanomaterial and environmental pollutants [J].Asian Journal of Ecotoxicology,2018,13(6):61-68(in Chine)
纳米材料与环境污染物的复合毒性
李雅轩1,2，门彬1, ，何怡1，刘美琪1，王东升1,
1.中国科学院生态环境研究中心，北京100085
2.中国科学院大学，北京100049
收稿日期:2018-03-21㊀㊀录用日期:2018-05-11
摘要：纳米材料因其独特的物理化学性质，不仅其自身具有毒性，还会与共存污染物相互作用，影响彼此的迁移转化和毒性效应㊂文中总结了纳米复合污染毒性的研究方法，并介绍了几种纳米材料(碳纳米材料㊁金属氧化物㊁量子点和零价金属)与重金属或有机物复合时造成的生物毒性，包括不同层次毒性指标响应(生物整体㊁生物积累㊁大分子水平)和毒性机制的探讨，展望了纳米复合污染毒性领域今后的发展方向和亟待研究的重要问题㊂关键词：纳米材料；生物毒性；复合效应
文章编号:1673-5897(2018)6-061-08㊀㊀中图分类号:X171.5㊀㊀文献标识码:A
The Combined Toxicity of Nanomaterial and Environmental Pollutants
Li Yaxuan 1,2,Men Bin 1,#,He Yi 1,Liu Meiqi 1,Wang Dongsheng 1,*
1.Rearch Center for Eco -Environmental Sciences,Chine Academy of Sciences,Beijing 100085,China
2.University of Chine Academy of Sciences,Beijing 100049,China
Received 21March 2018㊀㊀accepted 11May 2018
Abstract :Nanomaterial posss unique physical and chemical properties,which leads to its inherent toxicity and interaction with co -existed pollutans,thus alterring each others transportation and toxic effects.This review sum -marid the rearch method of combined toxicity of nanomaterial.Additionally,the combined toxicity of nanoma -terial (carbon nanomaterial,metal oxide,quantum dot and zero -valent metal)with heavy metals or organic pollu -tants were introduced,including diffenrent levels of biomarkers,such as entire body,bioaccumulation and biomac -romolecule,as well as toxicity mechanism.Moreover,the future development direction and important problems in the field of nanomaterial combined toxicity are prospected.Keywords :nanomaterial;bioto
xicity;combined effects 1㊀纳米材料的排放和毒性(The emission and tox-icity of nanomaterial )
纳米材料是指任何一维几何尺寸为纳米尺度(1
~100nm)的材料，种类包括碳质纳米材料㊁零价金属纳米材料㊁纳米级金属氧化物㊁量子点和纳米聚合物[1]㊂随着纳米技术高速发展，纳米材料在开发和
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应用过程中，将通过水(直接排放和污水处理厂出
水)㊁土壤(直接排放和径流及水厂剩余污泥)和大气
(直接排放和焚烧纳米产品)等途径大量进入自然环境[2]㊂因具有独特而优异的性质(如尺寸小㊁比表面积大㊁表面活性高等)，纳米材料在生物医学和环境
污染治理等诸多领域应用前景广阔，同时纳米材料夏令营报名表
也具有异于同类常规材料的环境风险[3]㊂纳米材料潜在的环境㊁健康与安全问题已受到广泛关注，大量研究表明纳米材料在生物个体㊁组织㊁细胞和分子水平均会产生毒性，例如：引起生物死亡㊁发育
毒性㊁器官损伤㊁生物大分子活性异常㊁DNA损伤等㊂除了自身具有毒性，由于纳米材料比表面积大㊁表面疏水性强，对环境中的污染物有很强的吸附能力，其与环境污染物的相互作用可能会改变彼此的物理化学性质以及在环境中的迁移转化，产生较二者独立存在时更复杂的生物效应㊂因此，研究纳米材料与环境污染物复合污染的环境风险和生态效应，是完善纳米材料安全评价体系的重要环节㊂
2㊀纳米材料复合毒性的研究方法(The rearch method of nanomaterial combined toxicity)根据污染物的毒性机制选择相应的生化指标，在纳米材料的复合暴露条件下检测这些指标与污染物单独暴露时的区别，是纳米复合污染生物毒性的重要研究方法㊂本文结合已有纳米材料复合毒性的技术路线和实验方法，对研究思路进行了总结㊂生物毒性实验中首先选择适合的生物体进行暴露，受试体的种类主要包括细菌㊁细胞㊁植物㊁无脊椎动物㊁哺乳动物等㊂不同受试体决定了复合暴露的方法，主要包括培养介质染毒㊁填喂㊁注射等㊂
表1㊀纳米材料复合污染常用生物指标
Table1㊀Common biomarkers ud for combined toxicity of nanomaterial rearch
指标类型Biomarkers
研究内容
Rearch contents
技术举例
Examples of measurement
生物积累水平Bioaccumulation
金属纳米材料
Metal nanometerials
同位素标记；毛细管电泳与电感耦合等离子体质谱在线联用(CE-ICP-MS)等
Isotopic labeling,Capillary electrophoresis-inductively coupled
plasma mass spectrometry(CE-ICP-MS),et al.
碳纳米材料
Carbon nanometerials
同位素标记；场流分离法(FFF)；近红外荧光光谱(NISF)等
练小腿Isotopic labeling,Field flow fractionation(FFF),Near infrared
fluorescence spectrum(NIFS),et al.
重金属污染物
Heavy metal pollutant
电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)等
Inductively coupled plasma mass spectrometry(ICP-MS),et al.
有机污染物
Organic pollutant
超高效液相色谱质谱(UPLC-MS)等
Ultra performance liquid chromatography-mass spectrometry,et al.
生物个体活性Bioactivity
个体死亡率
Mortality rate
细胞凋亡；个体死亡等
Apoptosis,Mortality,et al.
生殖毒性
Reproduction toxicity
生殖周期；生殖率等
Reproductive cycle,Reproduction rate,et al.
发育毒性
Developmental toxicity
体长/体重；畸形率；器官病变；运动能力等
Body length/Body weight,Malformation rate,Pathological change in organ,Locomotion,et al.
生物大分子水平Biomacromolecule
氧化应激
Oxidative stress
活性氧(ROS)；超氧化物歧化酶(SOD)；过氧化氢酶(CAT)；谷胱甘肽(GSH)等
一半儿Reactive oxygen species(ROS),Superoxide dismuta(SOD),
Catala(CAT),Glutathione(GSH),et al.
雌激素效应
Estrogenic effect
生殖腺指数[14]；卵黄蛋白原[15]；雌二醇/睾酮等[16]
Gonadosomatic index[14],Vitellogenin[15],Estradiol/Testosterone[16],et al.
神经毒性
Neurotoxicity
甲状腺激素；胆碱酯酶等
Thyroid hormones,Cholinestera,et al.
免疫毒性
Immunotoxicity
肿瘤坏死因子-α；白细胞介素1[17]等
Tumor necrosis factor-α,Interleukin-1[17],et al.
遗传毒性
Genotoxicity
DNA损伤；基因表达水平等
DNA damage,Gene expression level,et al.
第6期李雅轩等：纳米材料与环境污染物的复合毒性63
㊀
图1㊀纳米材料细胞毒性指标之间的联系[21]
Fig.1㊀The relationship between cytotoxic biomarkers of nanomaterials [21]
㊀㊀根据不同的研究目的和污染物的毒性机制，要选择有代表性和效应相对明确的生物指标，这涉及到生物积累水平㊁生物个体活性㊁生物大分子水平㊂总结纳米材料复合毒性研究中采用的生物指标列于表1，并且添加了几种毒性研究常用的指标以及先进的表征技术方法㊂从纳米材料迁移的角度检测其在生物体内的分布，是研究纳米材料影响污染物生物积累和毒性的基础方法之一，这需要先进有效的定性和定量的表征方法㊂最近发展了一种在复杂介质中鉴定与表征金属纳米材料尺寸的方法，其技术是采用毛细管电泳与电感耦合等离子体质谱在线联
用(CE -ICP -MS)[10]㊂测定生物体内碳纳米材料的方法也有新的研究进展，场流分离法(FFF)可用于分离碳纳米管和生物大分子[11]，近红外荧光光谱(NISF)利用单壁碳纳米管(SWCNT)的半导体特性能实现浓度检测[12]，并且可用于活体观测SWCNT 在生物体内的分布[13]㊂
不同层次生物指标之间是相互联系的，例如图1中列出了纳米材料可能的细胞毒性机制，各指标之间存在着逻辑关系，因此在选择生物指标时要考虑其指向性和毒性机制的相关性，才能形成一套完整的毒理研究思路㊂
64㊀生态毒理学报第13卷
研究纳米材料的复合毒性必然涉及到复合毒性
和单独毒性的对比，除了通过各项生物指标响应的
程度对比外，还可以采用综合生物指数法(integrated
biomarker respon,IBR)，对不同类型的生物指标进
行归一化和分值计算，通过分值对比，评价不同暴露
条件的综合胁迫程度的高低[18]㊂此外，判断纳米材
料与污染物共存时的毒性机制是加和㊁拮抗或协同
作用也是十分必要的，配合适当的实验设计，相加指
数法[19]和毒性单位图解法[20]等都是广泛应用的计算
判断方法㊂
需要注意的是，生物在积累污染物的同时还可
能会排出，并且具有一定的环境适应和自我修复能
力㊂有些生物损伤是不可逆转的，也有些损伤能够
在一定程度上获得修复，因此在评估污染物的生物
毒性时，应当把生物自我修复功能纳入考察因素，检
测净化阶段的生物指标，从而避免低估毒性水平[22]㊂
3㊀纳米材料与水环境污染物的复合毒性研究进展
(Rearch progress of combined toxicity of nano-
material and aquatic pollutants)
近年来，关于纳米材料与环境污染物复合毒性
的研究受到广泛的关注㊂大多数研究集中在纳米材
料与重金属或有机污染物复合后对水生生物(如藻
类㊁软体动物㊁鱼类等)的毒性效应，也有研究以细
胞㊁微生物㊁哺乳动物为受试生物，毒性终点主要为
污染物生物积累㊁生物活性㊁代谢水平和基因水
平等㊂
3.1㊀纳米材料影响污染物生物累积
严格来讲污染物的生物积累并不是生物毒性反
应，而是生物效应的一种表现，但生物积累与生物毒
性指标之间存在相关性，这使得众多研究都以生物
积累作为一项毒性研究基础㊂纳米材料影响污染物
的生物积累，主要是通过其强大的吸附作用实现的,
伦敦腔纳米材料富集与之共存的污染物，从而增强或抑制
污染物的生物可利用性㊂
有些研究表明纳米材料增加了重金属在生物体
内的累积，例如在铜离子(Cu)溶液中加入表面修饰
的单壁碳纳米管(LPC-SWCNTs)使得Cu在大型蚤
中的累积浓度升高，这可能是因为大型蚤捕食了结
合Cu的LPC-SWCNTs[23]㊂检测暴露于纳米二氧化
钛-砷(TiO
2-As(V))复合体系中的鲤鱼发现了类似的
中药轻粉结果,TiO
2
能够显著促进鲤鱼内脏器官中As(V)的
累积，并且进一步推测出，在TiO
2
进入鲤鱼体内后,
吸附在TiO
2上的As(V)可能被释放后再吸收，或者
随TiO
2
的吸收被携带进入器官中[24]㊂这些结果都
说明对于特定的生物和暴露条件，有些纳米材料会
通过生物的捕食过程进入体内，因此它能作为重金
属的载体，促进重金属的生物积累㊂
与有机污染物共同暴露时，纳米材料对其生物
利用性造成的影响可能是促进作用或者抑制作用㊂
富勒烯(C
60
)能够吸附水溶液中的菲和五氯苯酚，海
藻和大型蚤暴露实验中，这种吸附作用分别增强和
降低了菲和五氯苯酚的生物可利用性，进而检测生
物存活率时,C
60
的加入增强了菲对海藻和大型蚤
的毒性，却抑制了五氯苯酚的毒性，这说明纳米材料
与不同有机污染物相互作用时，会产生不同的生物
效应㊂还有研究表明C
60
会降低有机氯农药在水溶
液中自由溶解态的分布，但同时C
60
富集污染物后
被青鳉鱼吸收，从而对疏水性高或低的物质产生了
降低或增高生物累积的效应，这进一步说明了有机
物的性质差异会导致纳米材料对其生物积累效应产
生不同的影响㊂受试体对纳米材料的生物可利用性
也是影响复合生物效应的因素之一，例如：雌二醇的
细胞暴露实验中，单壁碳纳米管(SWCNT)的吸附固
持作用降低了雌二醇的生物可利用性，而SWCNT
能携带菲进入青鳉鱼体内，并在体内释放菲促进其
在鱼体内的积累[28]㊂多壁碳纳米管(MWCNT)会促
进五氯酚在鲤鱼中的积累[29]，而纳米TiO2可能通过
促进五氯苯酚转化为四氯氢醌，从而降低了五氯苯
酚在斑马鱼幼体中的积累量，这说明纳米材料与有
机污染物之间的相互作用也是污染物生物积累的影
响因素㊂总之，纳米材料能够影响有机物生物积累平方差公式教案
效应，其影响因素包括有机物的性质㊁纳米材料的生
物可利用性以及纳米材料与有机物的相互作用等㊂
多数学者在研究纳米材料复合污染时会选择纳
米材料与一种污染物复合的两项体系，也有研究会
关注纳米材料同时与2种物质复合的情况，例如纳
米材料与天然有机质(NOM)同时共存时对重金属的
生物毒性效应造成的影响㊂有研究表明纳米TiO
2-
腐殖酸共存时会降低镉离子(Cd)在斑马鱼体内的积
累速率，但纳米TiO
2
或腐殖酸分别与Cd复合时会
提高其积累速率；此外，纳米TiO
2-腐殖酸与Cd复
合时Cd的平衡积累量与腐殖酸单独复合相似，但
rumours低于纳米TiO
2
单独复合时的积累量㊂此外纳米
TiO
2-NOM的复合体系会促进Cu在大型蚤中的积
累，进而导致其体内活性氧物质(ROS)的增加，以及
死亡率的上升[32]㊂
第6期李雅轩等：纳米材料与环境污染物的复合毒性65
㊀
污染物的性质㊁纳米材料的生物有效性及二者之间的相互作用等因素都会影响污染物的生物可利用性，不同受试生物和暴露条件也会导致各研究结果之间存在差异，从而得出纳米材料可能促进或抑制污染物生物积累的结论㊂而生物累积是生物毒性表观的指标之一，也是复合污染生物毒性研究的基础，其毒性机制需要通过更深层次的研究，为制定规范和安全管理提供更详细的根据㊂
3.2㊀纳米材料影响分子水平毒性指标对污染物的响应
为了深入探索纳米材料的复合毒性机制，揭示复合毒性效应的本质，很多学者利用检测生物分子水平指标作为评价方法，其中主要包括酶类㊁激素等蛋白质大分子的水平及RNA的表达水平等㊂纳米材料的复合污染增强污染物各项生物指标响应时，可能存在2种情况：第一，纳米材料本身对生物不具有明显的毒性，但其能促进污染物生物积累或通过其他机制，增强污染物对生物的毒性效应；第二，纳米材料与污染物对同一生物指标有相似的影响，二者的共存对特定的毒性效应产生了放大的作用㊂
一些污染物对生物存在特定的毒性作用，纳米材料与之复合后可能使该毒性作用增强，其作用机制包括促进污染物积累㊁抑制解毒过程㊁影响基因表
达等㊂例如，在实验条件下，纳米TiO
2
对斑马鱼卵
没有明显的毒性作用，但纳米TiO
2
会增强BDE-209的生物毒性，这种效应不仅体现在BDE-209生物累积的增强，还涉及到干扰甲状腺激素水平及相关基因表达㊁神经发育相关蛋白水平和基因表达以及孵
化后运动行为方面㊂类似地，在纳米TiO
2
安全暴露浓度条件下的情况还有：增加了Cu在大型蚤内的
积累量，并且纳米TiO
2
与Cu存在竞争机制，从而抑制了金属硫蛋白的解毒作用[34]；促进了双酚A在斑马鱼中的积累，进而增强了双酚A的雌激素干扰效应和生殖毒性[35]㊂纳米TiO2与铅离子(Pb)复合暴露时，会增强Pb对斑马鱼幼鱼的毒性，主要表现在增强Pb的积累㊁甲状腺激素及相关基因表达和神经系统的干扰㊂纳米ZnO与全氟辛烷磺酸类物质复合暴露斑马鱼时，发现与二者单独暴露相比，复合暴露对斑马鱼甲状腺激素量及其相关基因表达水平造成了更严重的干扰作用[37]㊂
大多数污染物和纳米材料对生物体存在相同的刺激作用，许多研究会通过检测一些普适指标(如氧化应激㊁DNA损伤等)，对比复合暴露和单独暴露对生物造成的胁迫作用，从而评估复合暴露的生物毒性㊂例如，纳米材料本身具备降低细胞活性[38]㊁引起氧化应激[39]和DNA损伤[40]，重金属㊁多溴联苯㊁有机氯等污染物也存在类似的毒性作用，因此纳米材料与污染物复合作用于生物体时，可能会增强这些共有毒性㊂C
60
能促进苯并芘在斑马鱼肝细胞中的积累，并且复合暴露显著降低了细胞活性以及损害了II期酶谷胱甘肽巯基转移酶(GST)的解毒响应㊂羟基MWCNT促进了Cd在金鱼肝中的积累，并且复合暴露造成了更严重的氧化应激效应，其中包括抑制抗氧化酶超氧化物歧化酶(SOD)㊁过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)的活性，降低谷胱甘肽(GSH)的水平以及增强了脂质过氧化程度[45]㊂SWCNT虽然抑
制了全氟辛烷磺酸类物质在斑马鱼内脏器官中的积累，但复合暴露却增强了氧化应激响应，增加ROS水平，抑制抗氧化酶SOD和CAT以及乙酰胆碱酯酶(AChE)活性[46]㊂纳米SiO2促进了有机汞对人肺上皮细胞(A549)造成的损伤，复合暴露增加了ROS的产生，抑制了抗氧化酶SOD和GPx活性，这些更严重的氧化应激反应最终导致了更强的脂质过氧化反应㊁DNA损伤和细胞凋亡㊂3.3㊀共存物质影响纳米材料自身毒性
纳米材料能够影响共存物质的生物积累和生物毒性，此外有些物质与纳米材料共存时会影响纳米材料自身的毒性㊂NOM虽然不是环境污染物，但也具有危害生态环境和人类健康的性质，例如NOM 在水厂消毒过程中会被氯化生成致癌物[48]，并且腐殖酸会络合饮用水中的微量金属元素，破坏人体的吸收[49]㊂NOM可能与纳米材料结合后产生一种 面具效应 ，造成纳米材料表面性质的改变，从而影响其生物毒性效应[50]㊂
与地表水和污水处理厂出水中NOM共存时, NOM吸附在量子点(quantum dots)表面从而形成一层外壳，阻碍了大型蚤对量子点的生物累积，缓解了量子点的生物毒性，且这种作用随NOM疏水性上升而增强[51]㊂培养细菌暴露于纳米Ag时，培养基内加入腐殖酸会使毒性缓解，可能是因为腐殖酸结合纳米Ag后在其表面形成了一层物理屏障，或者表面的静电斥力阻止了纳米Ag与细菌的接触[52]㊂同样因为静电斥力，聚合电解质和天然有机质富集在纳米零价铁上，会减少纳米零价铁与大肠杆菌的接触，从而降低了其生物毒性作用[53]；而纳米零价铁
