生态毒理学报
Asian Journal of Ecotoxicology
第16卷第1期2021年2月
V ol.16,No.1Feb.2021
㊀㊀基金项目：国家自然科学基金资助项目(52039003)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(B210202114)；国家自然科学基金青年基
金资助项目(52009031)；中国博士后科学基金面上项目(2020M671326,2020M681478)
㊀㊀第一作者：许伊(1990 )，女，博士，研究方向为农业水土环境,E-mail:*****************㊀㊀*通讯作者(Corresponding author ),E -mail:****************;**************
DOI:10.7524/AJE.1673-5897.20201116001
许伊，杨士红，尤国祥，等.纳米二氧化铈的潜在生态风险及毒性作用机制研究进展[J].生态毒理学报,2021,16(1):43-55
Xu Y ,Yang S H,You G X,et al.Review of the potential ecological risks and toxicity mechanisms of nanoceria [J].Asian Journal of Ecotoxicology,2021,16(1):43-55(in Chine)
纳米二氧化铈的潜在生态风险及毒性作用机制研究进展
许伊1,2，杨士红1，尤国祥2，侯俊2,*
1.河海大学农业科学与工程学院，南京210098
2.河海大学环境学院，浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，南京210098收稿日期:2020-11-16㊀㊀录用日期:2021-01-16
摘要：作为重要的纳米稀土化合物，纳米二氧化铈(CeO 2)被广泛应用于工㊁农㊁医学等领域，随之而来的是大量的纳米CeO 2在其生产使用和处理处置等过程中被释放进入到环境中，进而导致其生物安全性受到越来越多的关注㊂本文从纳米CeO 2对细胞㊁组织器官㊁植物㊁水生生物和土壤生物产生的毒性效应入手，系统综述了纳米CeO 2的潜在环境生态风险；进一步从物理损伤和化学抑制2个方面剖析了纳米CeO 2的生物毒性作用机制；最后基于已有的关于纳米CeO 2生态风险的研究中存在的不足对未来发展方向进行了展望㊂本文旨在为纳米CeO 2的生态安全评价提供理论基础和科学依据㊂关键词：纳米二氧化铈；植物；微生物；细胞毒性；氧化损伤；生态风险
文章编号:1673-5897(2021)1-043-13㊀㊀中图分类号:X171.5㊀㊀文献标识码:A
Review of the Potential Ecological Risks and Toxicity Mechanisms of Nanoceria
Xu Yi 1,2,Yang Shihong 1,You Guoxiang 2,Hou Jun 2,*
1.College of Agricultural Science and Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China
2.Key Laboratory of Integrated Regulation and Resources Development on Shallow Lakes of Ministry of Education,College of Envi -ronment,Hohai University,Nanjing 210098,China
Received 16November 2020㊀㊀accepted 16January 2021
Abstract :As one of the most important nano -rare earth compounds,nanoceria (nano -CeO 2)has been widely ap -plied in industrial,agricultural and medical areas.Subquently,large amounts of nano -CeO 2are inevitably relead into the environment during their production,utilization and disposal process.Thereby,the biological safety of re -lead nano -CeO 2has attracted more and more attention.In this paper,the toxicity effects of nano -CeO 2on cells,tissue and organs,plants,aquatic organisms and soil organisms are systemically reviewed to illustrate the potential ecological environmental risks of nano -CeO 2.Furthermore,the biotoxicity mechanisms of nano -CeO 2are explored from the aspects of physical damage and chemical inhibition.At last,the further rearch directions are propod bad on the shortages existing in the current studies about the ecological risks of nano -CeO 2.The aim of this re -view is to provide theoretical and scientific basis for the evaluation of the ecological safety of nano -CeO 2.
44㊀生态毒理学报第16卷Keywords:nano-ceria;plant;microbes;cytotoxicity;oxidative damage;ecological risks
㊀㊀纳米(nm)是物理学上的度量单位，当物质尺寸
达到纳米尺度(1~100nm)时，其物理化学性质会发
生很大的变化，在材料强度㊁韧度㊁磁化率和催化能
力等方面表现出特殊性能[1-2]㊂作为现代科技与交
叉学科的发展基础，纳米技术在新材料研发㊁生态修
复㊁生命健康和国家安全等诸多领域具有广阔的应
用和发展前景[3-6]㊂铈(Ce)是元素周期表中第Ⅲ副
族镧系元素，是一种稀土元素㊂稀土元素因其独特
的金属特性被大量用于纳米材料的生产，而二氧化
铈(CeO
2
大学四级英语词汇)作为稀土氧化物中的重要组成部分，具有
独特的理化性质和广泛的应用前景㊂2012年欧盟
工作报告指出纳米CeO
2
的全球产量约为10000t
(ec.europa.eu/nanotechnology/index_en.html,
2012)[7]㊂来自美国地质调查局的数据显示，全球市
场中有超过80%的纳米CeO
2
来源于中国㊂
纳米CeO
2及含有纳米CeO
2
的消费品的大规
模生产和使用，必然会导致越来越多的纳米CeO
2在其生命周期循环过程中向水㊁土和空气等环境介质释放㊂近年来，已有学者结合2014年市场统计数据，通过全生命周期评价模型，评估了自然介质中纳
总经理 英文米CeO
2的浓度，得出大气中的纳米CeO
2
浓度为
0.01~0.6ng㊃m-3，地表水中的纳米CeO2浓度为0.6 ~100pg㊃L-1，沉积物中的纳米CeO2浓度为0.2~ 45μg㊃kg-1，土壤中的纳米CeO2浓度为24~1500 ng㊃kg-1[6]㊂在纳米CeO2的环境浓度迅速增加的同时，其生物安全与生态效应问题日益突出[8-11]㊂近
年来，纳米CeO
2
的潜在环境风险及生态效应问题引起社会各界学者越来越多的关注㊂作为全球纳米
CeO
2turn to
最大的生产国和销售国，我国更加有必要加强
对纳米CeO
2increas
生态安全性评价的研究㊂基于此，本
文主要综述了不同生态环境内，纳米CeO
2
的生物毒性效应以及潜在的毒性作用机制，以期为纳米
CeO
2
的安全评价提供科学依据㊂
1㊀纳米CeO2的潜在生态风险(Potential ecological risks of CeO2nanoparticles)
随着大量含有纳米CeO
2
产品的生产㊁加工㊁运
输和使用，势必会有越来越多的纳米CeO
2
通过各种途径进入大气㊁土壤及水环境中，进而可能会对人体和生态环境中的生物体产生潜在危害㊂此外，不同环境介质中的纳米材料在外部环境因子㊁生物及非生物的作用下，会发生溶解-释放㊁团聚-沉降㊁吸
请客户吃饭附-解吸及生物累积-放大等一系列行为变化，最终对生态系统产生毒性胁迫效应㊂纳米CeO
2
在其生命周期内可能的释放途径㊁环境行为及生态效
应如图1所示㊂近年来，关于纳米CeO
2
的生物毒性及潜在环境风险受到广泛关注，国内外已经开
展大量有关纳米CeO
2
对微生物细胞㊁典型水生生物㊁植物及模式微生物的生长和代谢的影响研究,
发现不同生态环境下纳米CeO
2
的毒性效应不尽相同㊂
1.1㊀纳米CeO2对细胞的毒性作用(Toxicity effects
of CeO
2
nanoparticles on cells)
细胞是组成生物体结构和功能的基本单位，关
于纳米CeO
2
的细胞毒性研究已成为一大热点，但在分子水平上探究其毒性作用机制的研究还比较缺
乏㊂纳米CeO
2
对不同的细胞系产生的毒性作用机
制有所不同，了解并控制纳米CeO
2
jobinterview致毒的机理可以为降低其毒性并制定安全性评价提供可靠的依
据㊂Lin等[12]将A549细胞系暴露于纳米CeO
2
悬液中发现，细胞的存活率随暴露时间及暴露剂量的增加而下降：主要原因是细胞内活性氧(ROS)水平㊁脂质过氧化反应和细胞膜损伤程度增加，同时抗
氧化水平下降，表明纳米CeO
2
在细胞内部引起氧化损伤[13]㊂
此外，纳米CeO
2
还可以导致炎性因子的分泌及DNA损伤，进而引起细胞形态受损和细胞的凋
亡㊂Gojova等[14]用不同浓度的纳米CeO
2
悬液培养HAECs细胞，结果显示暴露细胞内部炎症标记物浓
度与纳米CeO
2
浓度呈显著正相关性，该结果与纳
米CeO
2
引起细胞DNA及染色体的损伤有关[15-16]㊂另有学者利用电流式细胞术结合电镜观察证实，纳
米CeO
2
还可以通过损害细胞形态降低细胞活性，最终诱导细胞凋亡[17-18]㊂值得关注的是，纳米CeO2对不同细胞的毒性作用表现出一定的选择性㊂例如,Park等[18]的研究表明，相同处理条件下纳米
CeO
2
使BEAS-2B细胞活力下降，但对T98G和H9C2细胞的活力没有影响㊂进一步研究表明，纳
米CeO
2
对放射介导下的不同细胞的凋亡和损伤呈现出不同的作用，即对正常的细胞具有保护作用而对相应的癌细胞具有灭活作用[19]，这为纳米CeO2在医学领域的应用提供了思路[20]㊂
第1期许伊等：纳米二氧化铈的潜在生态风险及毒性作用机制研究进展45
㊀always getting over you
图1㊀纳米颗粒(NPs )在其生命周期内的环境行为及释放途径
Fig.1㊀The environmental fate and relea pathways of nanoparticles (NPs)in the nature
1.2㊀纳米CeO 2对组织器官的毒性作用(Toxicity
effects of CeO 2nanoparticles on tissues and organs)
纳米CeO 2可以通过多种环境介质的传播和食物链传递等方式进入生物体内，因而纳米CeO 2的广泛使用极大程度地增加了生态环境中的生产者㊁消费者等与纳米CeO 2的接触机会㊂目前，纳米CeO 2对生物体最直接的暴露途径是经呼吸道吸入㊂抛光粉㊁汽车尾气净化剂及柴油燃料添加剂中的纳米CeO 2可以通过呼吸道直接进入机体内部㊂已有报道指出，当空气中纳米CeO 2颗粒含量或毒性超过肺部防御能力时会引起肺损伤㊁纤维化等多种炎症反应㊂例如,Srinivas 等[21]通过连续4h 给雌性和雄性大鼠吸入气溶胶浓度为641mg ㊃m -3的纳米CeO 2并在24h ㊁48h 和14d 后检测大鼠肺部活性发现，急性暴露途径吸入的纳米CeO 2颗粒会通过氧化应激效应诱导细胞毒性，最终导致慢性毒性的发生，但是该过程与暴露时间之间没有显著的相关性㊂向雄性大鼠滴注纳米CeO 2的方式同样发现纳
米CeO 2可以引起肺部炎症和肺损伤，进一步导致肺纤维化[22]，向雄性大鼠气管滴注纳米CeO 2的方式可产生氧化应激诱导中性粒细胞及淋巴细胞等产
生氧化损伤[23]㊂
纳米CeO 2进入机体后，会随血液循环到达机
体的其他组织器官，包括肝㊁肾㊁心和脑等部位并引发相应的毒性效应㊂对小鼠进行纳米CeO 2灌胃实验证实，经口染毒的纳米CeO 2也会引起肝肾功能的损伤[24]㊂对小鼠的一次性灌胃染毒实验进一步可以证实进入机体内部的纳米CeO 2对脑㊁心脏和脾脏器官产生了一定的毒性作用[25]㊂根据已有研究可以得出，纳米CeO 2对生物体的影响是全方位的㊂因为纳米CeO 2的粒径较小，其不仅可以绕过血脑屏障到达嗅球，还可以随血液循环到达其他组织器官并产生毒性效应㊂但是，目前关于纳米CeO 2作用的具体靶器官及损伤机制还不明确，有待进一步研究证实㊂
46㊀生态毒理学报第16卷
1.3㊀纳米CeO 2对植物的影响(Toxicity effects of CeO 2nanoparticles on plants)
作为环境中的重要组成部分，植物在维持生态系统平衡㊁为动物和人类提供能量过程中发挥着不可替代的作用㊂然而，随着空气㊁水体和土壤中纳米颗粒的不断累积，植物会不可避免地通过根系或叶片暴露于纳米CeO 2富集的环境中㊂一旦植物表面接触了纳米CeO 2，其会在植物体内通过吸收㊁转运等方式储存在不同的部位，进而极有可能进入食物链并在高等生物体内累积㊁放大[26-27]㊂
Zhang 等[28]研究黄瓜对纳米CeO 2的吸收和运
输时发现，黄瓜根部可以快速吸收纳米CeO 2并向上迁移㊁转运到其他组织中，且纳米颗粒的尺寸越小越容易被吸收，累积量也越多[29]㊂进一步利用扫描透射电子显微镜及X 射线精细近边结构谱技术发现，累积在黄瓜根部的纳米CeO 2大部分被生物转化并主要以磷酸铈的形式存在，而在茎尖组织部位的纳米CeO 2则大部分以羧酸铈的形式存在[28]㊂在纳米CeO 2表面生成的磷酸铈沉淀会降低纳米CeO 2的生物可利用性，进而降低其毒性[30]㊂另外，植物体内或根部在应对纳米暴露过程中分泌的物质可能会改变纳米颗粒的团聚状态和介质的pH 值，导致纳米CeO 2发生还原溶解的现象，这一结果是引起纳米CeO 2不同的生物累积状况及生物毒性效应的原因[31]㊂
除在植物体内的吸收㊁运移和转化外，纳米
CeO 2对高等植物的毒性作用也得到了大量的证实㊂Priester 等[32]研究了纳米CeO 2对大豆的影响，发现纳米CeO 2不仅会抑制大豆的生长㊁降低大豆的产量，高浓度情况下还会抑制大豆根瘤的固氮效果㊂利用随机扩增多态DNA 技术可以直接证实纳米CeO 2对大豆的基因毒性[33]㊂Hernandez -Viezcas 等[34]和Bandyopadhyay 等[35]同样观察到纳米CeO 2暴露条件下，大豆及苜蓿根部共生的固氮菌活性会受到明显抑制，导致植物生长过程中氮循环过程受阻㊂Ma 等[36]研究纳米CeO 2对拟南芥生物量的影响时指出,500~2000mg ㊃L -1暴露浓度下，拟南芥的生长与对照组相比减少了85%㊂而浓
度为1000mg ㊃L -1和2000mg ㊃L -1时拟南芥叶片叶绿素含量分别降低了60%和85%㊂分析潜在机制主要是暴露过纳米CeO 2的植物内脂质过氧化水平㊁电解质释放及功能酶活性都发生了变化，表明纳米CeO 2对植物细胞造成氧化胁迫效应[37-38]㊂
1.4㊀纳米CeO 2对水生生物的毒性效应(Toxicity
effects of CeO 2nanoparticles on aquatic organisms)
目前为止，还没有确切的实验现象来证实纳米CeO 2可以进入到生物细胞内部，但大量试验结果佐证了纳米CeO 2的确可以进入到胞外聚合物(EPS)或吸附在微生物细胞膜上[39]㊂近年来关于纳米CeO 2对水生生物的毒性效应的报道层出不穷，且毒性效应与纳米尺寸及生物体的种类息息相关㊂已有研究中关于纳米CeO 2对水生生物毒性效应的详细内容如表1所示㊂
在纳米CeO 2对水生生物的影响研究中，水生生物种类㊁暴露方式及积累的Ce 含量的不同均会导致相应的半致死浓度(LC 50)不同㊂例如，在暴露于亚致死浓度的纳米CeO 2的过程中，吸附在小球藻(Chlorella pudomonas )上的纳米CeO 2的量是大型溞上面Ce 元素总量的3倍㊂大型溞(Daphnia
pulex )主要是通过食物链的摄食过程吸收纳米CeO 2，而小球藻自身较大的比表面积使其能够吸附更多的纳米CeO 2[49]㊂van Hoecke 等[43]将大型溞暴露于14㊁20和29nm 的纳米CeO 2悬液21d ，发
现对于2种较小尺寸的纳米CeO 2LC 50约为40mg ㊃L -1，而29nm 的LC 50为71mg ㊃L -1㊂相比较于大型溞，同形溞(D.similis )对纳米CeO 2的毒性抵抗能力更强，其LC 50值大约是大型溞的350倍[50]㊂纳米CeO 2对大肠杆菌(E.coli )和枯草芽孢杆菌(B.subti -
lis )的毒性明显高于奥奈达希瓦氏菌(S.oneiden -sis )[51]㊂当以隐杆线虫(C.elegans )作为模式生物时,0.172μg ㊃L -1的纳米CeO 2即可以引起其体内ROS 累积㊁氧化损伤及生命周期的缩短[52]㊂然而，在斑马
鱼(Danio rerio )的暴露实验中,500μg ㊃L -1的纳米CeO 2在斑马鱼的肝脏部位有明显的积累,5000μg
㊃L -1浓度暴露下斑马鱼对纳米CeO 2却没有明显的吸收，且纳米CeO 2在72h 的暴露过程中只有超过200mg ㊃L -1时才对斑马鱼产生明显的毒性作用[43]㊂在贝类(Mytilus galloprovincialis )对纳米CeO 2的吸收实验中，不同的暴露方法(即直接暴露或通过摄食浮游植物暴露)对贝类吸收纳米CeO 2量的影响只表现在前2周，因为随着贝类体内累积的纳米CeO 2含量的增加，其自身清除速率也会相应增加以抵抗组织中不断增加的纳米CeO 2含量[53]㊂
目前已有报道中，由于不同暴露实验中所用纳米CeO 2的理化性质不同，导致相同水生生物对纳米CeO 2暴露的毒性响应有所不同，因而难以对纳米
第1期许伊等：纳米二氧化铈的潜在生态风险及毒性作用机制研究进展47
㊀
表1㊀纳米CeO2对水生生物的毒性研究
Table1㊀Studies asssing the toxicity of CeO
2
NPs to aquatic organisms
受试生物Tested organisms
颗粒尺寸
/nm
Particle size
疯狂原始人2有彩蛋吗/nm
电势
/
mV
Potential
/mV
暴露
时长
Exposure
time
测定指标
Tested endpoints
作用浓度
Effective concentration
文献
Reference
conference是什么意思大肠杆菌E.coli 7+12h
生长状况
Growth conditions
无None[40] 7+3h
成活实验(CFU)
Colony forming units(CFU)
<0.9mg㊃L-1,<90%;5mg㊃L-1,
50%;230mg㊃L-1,100%
[40] 7+24h
活/死细菌
Live/dead bacteria
100mg㊃L-1,10%
存活率(Survival rate)
[41]
集胞藻Synechocystis 7+10d
CFU㊁活/死细菌
CFU,live/dead bacteria
100mg㊃L-1，无影响(No effects)
(再生水Reclaimed water);
20mg㊃L-1,20%存活(Survival)
(纯水Pure water)
[41]
项圈藻Anabaena <50-0.03ʃ0.1672h/96h
光合强度
Photosynthetic intensity
0.01~100mg㊃L-1[42] 100.4ʃ0.824h
荧光强度
Fluorescence intensity
EC50:6.3mg㊃L-1[39] 2522.4ʃ1.324h
荧光强度
Fluorescence intensity
职称外语考试报名时间EC50:0.56mg㊃L-1[39] 5018.7ʃ0.824h
荧光强度
Fluorescence intensity
EC50:0.27mg㊃L-1[39] 600.7ʃ1.124h
荧光强度
Fluorescence intensity
EC50:7.5mg㊃L-1[39]
月牙藻Selenastrum reinsch
10-12.5ʃ0.972h/96h
生长(光密度㊁细胞计数㊁
三磷酸腺苷(ATP))
Growth(Optical density,
cell counting,adenosine
triphosphate(ATP))
EC50(光密度Optical
density):12.8mg㊃L-1;
细胞计数Cell counting:
29.6mg㊃L-1;
ATP:12.3mg㊃L-1
[39]
25-15.5ʃ172h/96h
生长(光密度㊁
细胞计数㊁ATP)
Growth(Optical density,
cell counting,ATP)
EC50(光密度Optical
density):0.95mg㊃L-1;
细胞计数Cell counting:
9.7mg㊃L-1;ATP:5.3mg㊃L-1
[39]
50-16ʃ0.972h/96h
生长(光密度㊁
细胞计数㊁ATP)
Growth(Optical density,
cell counting,ATP)
EC50(光密度Optical
density):0.88mg㊃L-1;
细胞计数Cell counting:
4.4mg㊃L-1;ATP:2.4mg㊃L-1
[39]
60-10.9ʃ0.372h/96h
生长(光密度㊁
细胞计数㊁ATP)
Growth(Optical density,
cell counting,ATP)
EC50(光密度Optical
density):8.96mg㊃L-1;
细胞计数Cell counting:
16.4mg㊃L-1;ATP:8.5mg㊃L-1
[39] 14,20,29-15~-19.672h
生长状况
Growth condition
EC10:2.6~5.4mg㊃L-1;
EC50:10.2~19.1mg㊃L-1;
LOEC:5.6mg㊃L-1;
NOEC:3.2mg㊃L-1
[43]
