納米銀在水環(huán)境中的環(huán)境行為和毒性效應(yīng)研究進(jìn)展

衣俊，黃俊，程金平,2,*

1. 華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200062 2. 香港城市大學(xué)深圳研究院，深圳518057

納米銀在水環(huán)境中的環(huán)境行為和毒性效應(yīng)研究進(jìn)展

衣俊1，黃俊1，程金平1,2,*

1. 華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200062 2. 香港城市大學(xué)深圳研究院，深圳518057

納米材料的環(huán)境行為和生態(tài)效應(yīng)是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，其中納米銀顆粒(AgNPs)是使用量最高的納米材料。本文主要總結(jié)了AgNPs在水環(huán)境中的賦存、AgNPs的環(huán)境行為、AgNPs對不同種類微生物的毒性效應(yīng)以及影響AgNPs毒性效應(yīng)的因素，最后對AgNPs在河口區(qū)的研究進(jìn)行了展望。

納米銀顆粒；微生物；環(huán)境行為；毒性效應(yīng)

當(dāng)Richard Feynman在1959年的美國物理學(xué)會(American Physical Society)上首次提出用近似原子的尺度合成并控制物質(zhì)的概念時，納米技術(shù)開始逐漸被人們關(guān)注[1]。納米材料被定義為維度小于100 nm的材料，而納米顆粒被定義為至少有2維在1～100 nm的材料，它們特殊的理化性質(zhì)使其應(yīng)用廣泛[2]。根據(jù)伍德羅威爾遜數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計(jì)，截止到2013年10月，全世界有1 628種消費(fèi)品中含納米材料，其中含有納米銀顆粒(AgNPs)的產(chǎn)品占383種，是使用量最高的納米材料[3]。

Ag自身有強(qiáng)殺菌抑菌作用，這使得AgNPs在衛(wèi)生和醫(yī)療等方面有著廣泛應(yīng)用[4-6]。但是隨著該類產(chǎn)品的大量使用，進(jìn)入水環(huán)境中的AgNPs對水生生態(tài)系統(tǒng)中的生產(chǎn)者和分解者，如微生物、藻類和無脊椎動物等產(chǎn)生很強(qiáng)的毒性。Choi等[7]的研究表明AgNPs能夠抑制硝化細(xì)菌的生長，在1 mg·L-1的濃度下，AgNPs對自養(yǎng)硝化細(xì)菌的呼吸抑制率高達(dá)約86%；Miao等[8]通過研究證明人工合成的AgNPs嚴(yán)重抑制海洋硅藻(Thalassiosira weissflogii)的細(xì)胞生長、光合作用以及葉綠素合成；Griffitt等[9]發(fā)現(xiàn)AgNPs對枝角水蚤(Daphnia pulex)、網(wǎng)紋水蚤(Ceriodaphnia dubia)和羊角月牙藻(Pseudokirchneriella subcapitata)有很強(qiáng)的毒性，其半致死濃度(LC50)分別是0.040 mg·L-1、0.067 mg·L-1和0.19 mg·L-1。同時，含有AgNPs的產(chǎn)品會向環(huán)境中釋放Ag+[10-11]。盡管Ag+在環(huán)境中的背景濃度極低，在自然水體中的濃度范圍僅達(dá)到0.03～500 ng·L-1[12]，但是Ag+在環(huán)境中具有持久性和生物積累效應(yīng)，對水生生物有很強(qiáng)的毒性。有研究表明，一些微型浮游植物在受50～100 ng·L-1的Ag污染后，其生殖能力受到抑制[13]。而90～170 ng·L-1的Ag+就能導(dǎo)致鱒魚慢性中毒[14]。因此在這個緩慢積累和持續(xù)的過程中，AgNPs給環(huán)境造成的不利影響無法預(yù)計(jì)。

微生物是生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是食物網(wǎng)的基礎(chǔ)，同時調(diào)控全球生物地球化學(xué)循環(huán)。水環(huán)境中的微生物如細(xì)菌、藻類、真菌等容易在水中形成生物膜(biofilm)，生物膜是微生物細(xì)胞附著在固體表面形成的生物與非生物群體，對水中污染物有吸附和降解功能，在水體自凈方面起著重要作用[15-16]。近年來隨著長江流域經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，大量污染物通過河口輸入至水環(huán)境，對水質(zhì)造成了嚴(yán)重污染，對河口環(huán)境的生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能造成不良影響，并且在一定程度上對長江流域戰(zhàn)略水源地青草沙水庫造成威脅。除此以外，在水環(huán)境中的納米顆粒不但自身有較強(qiáng)的毒性效應(yīng)，其特殊的理化性質(zhì)和吸附性，使其能與水中其他污染物相互作用，成為污染物的傳輸工具，通過自身的遷移轉(zhuǎn)化改變其他污染物的環(huán)境行為，進(jìn)一步產(chǎn)生污染物復(fù)合毒理效應(yīng)。本文簡介了AgNPs在水環(huán)境中的賦存和環(huán)境行為，重點(diǎn)闡述了AgNPs對水中微生物的毒性效應(yīng)，為新型納米顆粒物的環(huán)境風(fēng)險評價提供科學(xué)參考。

1 AgNPs在水環(huán)境中的賦存和環(huán)境行為

在AgNPs的生產(chǎn)、加工和使用等過程中，AgNPs不可避免地進(jìn)入環(huán)境中。水環(huán)境中AgNPs的“源”主要有污水排放和大氣沉降，排放的污水是最大的污染源，從河口流入的AgNPs在水環(huán)境中會經(jīng)歷一系列遷移轉(zhuǎn)化(圖1)，環(huán)境條件如光照、溶解氧、天然有機(jī)質(zhì)等同樣影響AgNPs的環(huán)境行為，主要過程包括AgNPs團(tuán)聚和沉降、價態(tài)轉(zhuǎn)變、絡(luò)合作用和生物利用等過程。納米顆粒在海水中的環(huán)境行為與其在淡水中不同，海水離子強(qiáng)度更高，更容易導(dǎo)致納米顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象，團(tuán)聚的納米顆粒最終會聚集在沉積物中，對附著或棲息在沉積物中的底棲生物帶來潛在影響[2]。

圖1 納米銀顆粒(AgNPs)在水環(huán)境中的環(huán)境行為和歸趨[2,17-18]Fig. 1 Environmental behavior and fate of silver nanoparticles (AgNPs) in the aquatic environment[2,17-18]

1.1 AgNPs在水環(huán)境中的賦存

Ag是地殼中極其稀缺的元素，環(huán)境背景濃度極低。因此由于人類活動所導(dǎo)致的水中Ag濃度的變化，即便是細(xì)微的變化，也能導(dǎo)致偏離自然條件的巨大波動，Benn等[19]的研究表明在清洗納米銀襪子的水中可檢測到Ag的濃度高達(dá)1.3 μg·mL-1。

水環(huán)境中AgNPs的潛在風(fēng)險很大程度上由其濃度決定，并且AgNPs在生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸、消費(fèi)和處置的整個生命周期中可能以不同的形式進(jìn)入環(huán)境中。人工合成的AgNPs已經(jīng)廣泛存在于水環(huán)境中。英國生態(tài)與水文中心(Centre for Ecology and Hydrology)的報告表明英國污水處理廠排放的污水中膠體態(tài)Ag(包括AgNPs)的平均濃度是6 ng·L-1，總顆粒態(tài)Ag的濃度為78 ng·L-1[20]。Flegal和Sanudo-Wilhelmy[21]通過分析圣地亞哥灣和南舊金山灣的金屬濃度發(fā)現(xiàn)Ag+濃度范圍是7～33 ng·L-1。即使在開放的海洋中，也有研究證明Ag的存在，Ranville和Flegal[22]認(rèn)為海洋中Ag處于生物地球化學(xué)循環(huán)狀態(tài)，由于亞洲地區(qū)工業(yè)排放，導(dǎo)致北太平洋表層水中檢測到Ag的最高濃度可達(dá)到1.296 ng·L-1，比背景濃度(0.027 ng·L-1)高出近50倍。Ag在污水中的濃度比在自然水體中要高得多，Wen等[23]在美國科羅拉多州5個城市收集水樣，其研究結(jié)果顯示其中3個城市的污水中，Ag+濃度范圍是64.1～327 ng·L-1，遠(yuǎn)超過在上游地區(qū)Ag+的濃度；而科羅拉多州的一家影像公司排出的廢水中，Ag的濃度竟高達(dá)33 400 ng·L-1。Hoque等[24]對加拿大彼得伯勒一家污水處理廠排放的污水進(jìn)行分析，結(jié)果顯示AgNPs的粒徑是9.3 nm，濃度是1 900 ng·L-1。Matzke等[25]的研究表明，AgNPs對惡臭假單胞菌的EC05為0.13～3.41 μg·L-1，而AgNO3對其的EC05為0.043 μg·L-1。V?lker等[26]研究發(fā)現(xiàn)，在21 d的長期暴露中，AgNPs對大型溞(Daphnia magna)的EC10為0.92 μg·L-1。從上述世界各地檢測到的Ag濃度范圍可知，Ag在水環(huán)境中不斷積累，而其較強(qiáng)的急性或慢性毒性效應(yīng)將給環(huán)境與健康帶來一定的風(fēng)險。

目前分析環(huán)境中AgNPs含量的相關(guān)研究在國內(nèi)外都鮮有報道，Maynard等[27]科學(xué)家曾表示，追求合理化安全的納米科技面臨著5大挑戰(zhàn)，而現(xiàn)階段挑戰(zhàn)的內(nèi)容就包括運(yùn)用模型預(yù)測環(huán)境中和人體內(nèi)人工合成納米材料的行為。所以目前大部分文獻(xiàn)中出現(xiàn)的AgNPs濃度基本都是模型預(yù)測的結(jié)果。即便如此，在復(fù)雜的環(huán)境條件或是生物作用下，由于缺少檢測、定量以及表征AgNPs的方法，AgNPs暴露模型的研究存在瓶頸。所以，今后的發(fā)展方向很可能是綜合多種方法，側(cè)重環(huán)境中AgNPs的痕量分析[28-29]。

Gottschalk等[30]通過模型計(jì)算了歐洲、美國和瑞士等國家和地區(qū)的AgNPs環(huán)境預(yù)測濃度(predicted environmental concentrations)(表1)。但Boxall等[31]指出即使用最保守的模型預(yù)計(jì)，天然水環(huán)境中AgNPs的濃度同樣是痕量級，濃度遠(yuǎn)低于產(chǎn)生毒性效應(yīng)的濃度范圍。但由于模型本身存在局限，同時缺乏詳細(xì)實(shí)測數(shù)據(jù)的比對，因此AgNPs的潛在風(fēng)險不可忽視。

表1 AgNPs環(huán)境濃度預(yù)測值[30]

1.2 AgNPs在水環(huán)境中的環(huán)境行為

在海洋或河口環(huán)境中，Ag化學(xué)性質(zhì)和生物可利用性決定Ag的毒性。海水中的Cl-結(jié)合Ag+能力很強(qiáng)，同時形成的氯化銀類化合物有很強(qiáng)的生物可利用性，能被魚類攝入體內(nèi)。所以相比于河流湖泊這類淡水域，海洋中的生物對Ag利用性更高，對Ag的環(huán)境承載能力更弱[29, 32]。

近年來分析水環(huán)境中AgNPs行為的相關(guān)研究成為熱點(diǎn)和難點(diǎn)[33]，其中很大的難題在于區(qū)分Ag的形態(tài)(Ag+和AgNPs)，因?yàn)榄h(huán)境中Ag+能與陰離子如S2-、Cl-形成Ag2S、AgCl，此外環(huán)境中存在的天然有機(jī)配體如腐殖酸(HA)等也能與Ag+絡(luò)合，所以上述過程將給AgNPs的分析帶來干擾。另外，在富含溶解有機(jī)質(zhì)(DOM)的水體中，溶解氧(DO)在光照條件下能產(chǎn)生超氧陰離子(O2·-)，進(jìn)一步將Ag+轉(zhuǎn)化成AgNPs[18]，這表明環(huán)境中AgNPs不僅來源于人為活動，也可能來自環(huán)境中Ag+的轉(zhuǎn)化。因此，對不同形態(tài)的Ag進(jìn)行區(qū)分，是分析AgNPs濃度不可輕視的問題之一。目前分析和表征AgNPs的方法主要包括掃描電鏡、透射電鏡、動態(tài)光散射、紫外可見吸收光譜、電感耦合等離子質(zhì)譜(或發(fā)射光譜)等方法[24,28,34-35]。

由于AgNPs有不同的形狀，不同的電荷，這使得它與其他物質(zhì)的結(jié)合方式也有所不同，因此每一個因素都有可能改變AgNPs的環(huán)境行為和毒性[12]。比如，AgNPs釋放Ag+的過程受AgNPs粒徑的影響，粒徑小(<10 nm)的AgNPs釋放Ag+速率較快，粒徑較大的AgNPs(>50 nm)釋放Ag+速率慢，但持續(xù)時間長，所以更像是一個穩(wěn)定的Ag+排放源。同時，AgNPs表面包裹物不同，對整個釋放過程也有影響[11]，進(jìn)一步影響AgNPs顆粒的毒性[36]。Kittler等[37]的研究也表明AgNPs釋放Ag+的速率和程度取決于溫度、AgNPs濃度及其表面基團(tuán)功能；并且AgNPs放置時間越長，釋放Ag+含量越高，產(chǎn)生的毒性越強(qiáng)。

AgNPs具有極大的比表面積，有很強(qiáng)的吸附能力。同時水體中大多數(shù)顆粒物帶負(fù)電荷，能吸附水中帶正電荷的金屬陽離子，因此AgNPs可能與水體中的顆粒物發(fā)生相互作用。Kaegi等[38]認(rèn)為從污水處理廠中排放的AgNPs能有效地在廊道中傳輸，并最終沉降至底泥。因?yàn)锳gNPs更能吸附在水體中懸浮物(TSS)上面而不是在污水生物膜上面。所以在河口區(qū)這種含沙量較大的環(huán)境中，水中的泥沙和懸浮顆?？赡軙绊慉gNPs的環(huán)境行為和歸趨。

雖然近年來國內(nèi)外學(xué)者對水環(huán)境中AgNPs的環(huán)境行為開展了探索性研究，但天然水體理化條件復(fù)雜多變，AgNPs的形態(tài)和行為更具有差異性，這使得要想進(jìn)一步研究AgNPs的環(huán)境行為，就需要新的分析技術(shù)和方法。Glover等[39]提出一個新方法分析固體表面AgNPs的轉(zhuǎn)變，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)銀制品暴露在濕潤的空氣或水中能產(chǎn)生AgNPs，整個過程包括3部分：(1) Ag0離子化以及Ag+溶解；(2) Ag+擴(kuò)散至吸附水層；(3) Ag+在周圍環(huán)境條件下被還原。這不但使AgNPs的表面動力學(xué)重新被認(rèn)識，并且暗示人類在長時間接觸納米材料后可能成為環(huán)境中納米材料的潛在來源。Zhou等[40]發(fā)現(xiàn)AgNPs直接碰撞電極后產(chǎn)生的電氧化結(jié)果可以量化，可用于表征并定量AgNPs，該研究正在繼續(xù)深入并計(jì)劃用于公共衛(wèi)生和環(huán)境監(jiān)測中。

AgNPs在生態(tài)系統(tǒng)中的生物和非生物作用下會產(chǎn)生復(fù)雜的環(huán)境行為，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)人工合成的納米材料與在自然環(huán)境中形成的納米顆粒相差無幾，意味著在復(fù)雜的自然環(huán)境中納米物質(zhì)普遍存在。水環(huán)境中AgNPs的行為例如氧化還原反應(yīng)、團(tuán)聚、溶解及其與生物大分子的作用等，可能改變AgNPs的毒性效應(yīng)，所以相關(guān)研究對解釋AgNPs毒理機(jī)制有科學(xué)指導(dǎo)意義[41-43]。

2 AgNPs對水環(huán)境中微生物和生物膜的毒性效應(yīng)

早在20世紀(jì)，Ag及其化合物對水環(huán)境中微生物(如藻類、細(xì)菌等)的生物積累效應(yīng)和毒性效應(yīng)已有研究，同時由于環(huán)境條件(尤其是海洋環(huán)境)的不同，Ag的毒性效應(yīng)也隨之發(fā)生變化[44]。同樣在含有納米顆粒的環(huán)境介質(zhì)中，微生物也很可能扮演著調(diào)節(jié)納米顆粒遷移轉(zhuǎn)化和毒性效應(yīng)的角色[17]。因此，對納米材料的微生物毒性的深入研究，既能推動納米技術(shù)的發(fā)展，又能幫助設(shè)計(jì)安全合理的納米材料，在提升材料功能的同時降低環(huán)境風(fēng)險。

2.1 水環(huán)境中的微生物和生物膜的作用

生物膜中包含多種微生物如細(xì)菌、原生動物、真菌以及藻類等，微生物之間處于競爭與合作的平衡狀態(tài)[45]。生物膜中豐度最高的是細(xì)菌，因此細(xì)菌是生物膜的一個重要組成組分。與懸浮狀態(tài)的浮游細(xì)菌相比，附著在生物膜中的浮游細(xì)菌由于生物膜的保護(hù)作用，更能抵抗吞噬細(xì)胞、抗生素和抗體的攻擊[46]。生物膜中有一個重要組成部分是胞外聚合物(EPS)，EPS中含有蛋白質(zhì)、多糖、脂質(zhì)和核酸等，為微生物細(xì)胞提供天然屏障[47]。復(fù)雜的生命結(jié)構(gòu)使得生物膜能夠吸附甚至降解無機(jī)污染物和有機(jī)污染物[48-49]。

AgNPs進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的過程可能是由AgNPs的粒徑和細(xì)胞膜的通透性和孔隙度決定的。有研究表明，粒徑小于80 nm的AgNPs能進(jìn)入綠膿桿菌細(xì)胞中，并且隨著細(xì)胞膜的通透性和孔隙度的增加，AgNPs在細(xì)胞中的積累也隨之增加[50]。但Kloepfer等[51]嘗試用腺嘌呤和單磷酸腺苷(AMP)標(biāo)記枯草桿菌和大腸桿菌，發(fā)現(xiàn)只有在量子點(diǎn)(QDs)小于5 nm的情況下，細(xì)菌才能被標(biāo)記。

2.2 AgNPs對微生物和生物膜的毒性效應(yīng)

若評價AgNPs對微生物和生物膜的毒性效應(yīng)，要考慮的因素之一便是AgNPs在其中的擴(kuò)散情況。Peulen和Wilkinson[52]選取包括AgNPs在內(nèi)的3種納米顆粒，研究AgNPs在熒光假單胞菌生物膜中的擴(kuò)散規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，納米顆粒在環(huán)境中的遷移很大程度上受生物膜的影響，AgNPs容易富集在更密集的生物膜上。Martinez-Gutierrez等[53]則證明AgNPs能抑制綠膿桿菌生物膜的形成，并且能殺死生物膜內(nèi)的細(xì)菌。Fabrega等[54]以天然海洋生物膜為研究對象，發(fā)現(xiàn)當(dāng)AgNPs的暴露濃度達(dá)到200 μg·L-1，生物膜的體積和生物量明顯減少，進(jìn)一步通過分子水平分析證明AgNPs能抑制生物膜的形成與進(jìn)化。

早在2004年就有實(shí)驗(yàn)證明AgNPs有很強(qiáng)的抗菌能力，Sondi等[55]發(fā)現(xiàn)當(dāng)AgNPs的暴露濃度達(dá)到10 mg·L-1時，70%的大腸桿菌生長受到抑制；暴露在AgNPs中的大腸桿菌細(xì)胞壁遭到破壞，形成了凹陷(pits)，這些納米顆粒富集在細(xì)胞壁上，增強(qiáng)細(xì)胞壁的滲透性，使其不能有效調(diào)節(jié)質(zhì)膜運(yùn)輸，從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。

AgNPs在水環(huán)境中可以游離出Ag+，Ag+有很強(qiáng)的毒性，因此有關(guān)AgNPs抑菌性的文章，得到的結(jié)論是Ag+起到?jīng)Q定性的作用[56]。Xiu等[57]通過對比AgNPs商品和Ag+對大腸桿菌的毒性，發(fā)現(xiàn)Ag+的毒性明顯高于AgNPs。但是，也有研究將AgNO3與AgNPs對藻類的毒性作用進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)AgNPs對藻類的毒性比AgNO3強(qiáng)，即使在比環(huán)境中Ag+濃度低的條件下，AgNPs也有同等效果的抑制效率[58]。但是Burchardt等[59]的研究表明當(dāng)AgNPs的暴露濃度達(dá)到10 μmol·L-1時，聚球藻(Synechococcus sp.)在72 h后生長完全受到抑制，而達(dá)到同樣抑制效果所對應(yīng)的AgNO3暴露濃度為2 μmol·L-1。Kim等[60]的研究表明AgNPs能抑制大腸桿菌和枯草芽孢桿菌菌落的生長，當(dāng)AgNPs的暴露濃度為10 mg·L-1時，大腸桿菌和枯草芽孢桿菌的菌落形成比例與對照組相比分別為0.5%和77.5%，同時實(shí)驗(yàn)明確證實(shí)AgNPs存在于細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)并破壞細(xì)菌細(xì)胞膜，這是其產(chǎn)生毒性效應(yīng)的主要原因。有研究者認(rèn)為，AgNPs是間接產(chǎn)生毒性效應(yīng)，因?yàn)闄z測到的Ag+濃度不足以解釋毒性效應(yīng)，所以這可能是一個連續(xù)的緩慢的釋放過程。但是如果沒有AgNPs的存在，產(chǎn)生的毒性不會那么明顯[61]。

近期不斷有研究探討AgNPs抗菌特性的可能機(jī)制，Radzig等[62]認(rèn)為AgNPs會吸附在細(xì)菌細(xì)胞膜表面，破壞細(xì)胞滲透性，抑制細(xì)胞呼吸，孔蛋白(porin)可能在這個過程中起到關(guān)鍵性作用。該實(shí)驗(yàn)選取生物膜中革蘭氏陰性菌(大腸桿菌AB1157、銅綠假單胞菌PAO1、沙雷菌94)作為研究對象，結(jié)果表明：(1)納米銀(Ag0/Ag+)抑制細(xì)菌生長和生物膜的形成。(2)上述抑制結(jié)果的原因不單單是Ag+的作用，過程中出現(xiàn)的DNA氧化損傷也可能有所貢獻(xiàn)。(3)Ag+的產(chǎn)生可能是生物膜釋放的H2O2(產(chǎn)生·OH)與AgNPs相互作用的結(jié)果。(4)孔蛋白參與Ag+的傳輸，與對照組相比，突變組中細(xì)菌對AgNPs的抵抗力更強(qiáng)，分子水平的分析表明參與合成孔蛋白的基因表達(dá)上調(diào)?？椎鞍仔纬傻臍饪字睆?約1 nm)比實(shí)驗(yàn)中所用AgNPs直徑(約8.6 nm)小，這表明AgNPs的抗菌機(jī)制是Ag+透過細(xì)胞壁進(jìn)入細(xì)胞引起的。Xiu等[63]也通過實(shí)驗(yàn)證明Ag+是明確的分子毒物，實(shí)驗(yàn)通過設(shè)置嚴(yán)格的厭氧條件限制Ag0的氧化以及Ag+的釋放，結(jié)果顯示AgNPs在厭氧狀態(tài)下對大腸桿菌的毒性明顯低于需氧狀態(tài)，并且AgNPs的毒性效應(yīng)與Ag+濃度呈一定的劑量效應(yīng)關(guān)系。但是，目前有關(guān)AgNPs的抗菌機(jī)制還沒有確鑿的結(jié)論，需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明。

2.3 影響AgNPs對微生物和生物膜毒性效應(yīng)的因素

AgNPs對微生物的毒性效應(yīng)可能因?yàn)榄h(huán)境條件的變化而受到影響，絕大多數(shù)水環(huán)境中都存在天然有機(jī)質(zhì)(NOM)，能和AgNPs發(fā)生相互作用。Wirth等[64]發(fā)現(xiàn)腐殖酸(HA)能緩解Ag對熒光假單胞菌生物膜的毒性，原因是HA能結(jié)合Ag+，降低Ag+的毒性，但是HA對穩(wěn)定的膠體態(tài)Ag的毒性短期內(nèi)沒有顯著影響，反而增加了其對生物膜的接觸，導(dǎo)致慢性毒性的變化。Fabrega等[65]依據(jù)薩旺尼河的富里酸(SRFA)設(shè)定對照實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明在含有SRFA的實(shí)驗(yàn)組中，惡臭假單胞菌細(xì)胞脫落的速率降低，并且SRFA提升了生物膜攝取以及富集AgNPs的可能性。在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)abrega等[66]進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)證明天然有機(jī)大分子 (humic substances, HS)能夠短期緩解AgNPs對熒光假單胞菌的毒性。Levard等[67-68]通過實(shí)驗(yàn)證明，AgNPs的硫化作用能降低自身毒性。與對照組相比，在AgNPs發(fā)生硫化作用的實(shí)驗(yàn)組中，4種受試生物的EC50和LC50都有明顯的下降。除上述條件以外，García-Alonso等[69]的研究表明處于生命周期早期的海洋生物沙蠶(Platynereis dumerilii)相對于成熟期，在AgNPs暴露下出現(xiàn)更多的死亡或發(fā)育異常現(xiàn)象。

在與微生物的相互作用中，AgNPs自身的特征如形狀、尺寸和表面包裹物等，同樣對整個過程起著重要作用。Jose Ruben等[34]發(fā)現(xiàn)只有粒徑為1～10 nm的AgNPs才能直接與微生物相互作用，這樣的顆粒能吸附在細(xì)菌細(xì)胞膜上并破壞其功能。Park等[71]的研究表明Ag表面包裹物不同，對細(xì)菌的毒性也不同，用蛋白質(zhì)包裹的Ag(Biogenic-Ag)毒性明顯高于化學(xué)合成的膠態(tài)Ag(Colloidal-Ag)。Zhou等[72]通過比較AgNPs和AuNPs對大腸桿菌和卡介苗(Bacillus Calmette-Guérin, BCG)的抑制作用發(fā)現(xiàn)，2種納米顆粒均表現(xiàn)出有效的抗菌能力。相同形狀和粒徑的AuNPs，用PAH包裹能導(dǎo)致細(xì)胞溶解，而用檸檬酸鹽包裹的納米顆粒則沒有該現(xiàn)象。此外，光照強(qiáng)度、水體溫度和pH值等環(huán)境條件有可能影響AgNPs的微生物毒性效應(yīng)。綜上所述，影響AgNPs對微生物和生物膜毒性效應(yīng)的因素可能主要有2方面，一是AgNPs所處的環(huán)境條件因素，包括自然環(huán)境條件如光照、溫度、溶解氧、pH值、鹽度、陰離子和天然有機(jī)質(zhì)等；也包括實(shí)驗(yàn)條件如不同種類的培養(yǎng)基、營養(yǎng)鹽溶液和受試生物選擇等。二是AgNPs自身的特征因素，包括AgNPs的形狀、粒徑、表面包裹物或是修飾物等。

3 問題與展望

隨著納米科技的不斷發(fā)展以及含AgNPs商品的廣泛使用，其對生態(tài)系統(tǒng)的危害以及對人類健康的潛在風(fēng)險逐漸得到關(guān)注。目前國內(nèi)外有關(guān)AgNPs在水環(huán)境中的環(huán)境行為及其對微生物的毒性效應(yīng)研究已經(jīng)取得了較大進(jìn)展。但是仍然存在著一些問題沒有被解決或證實(shí)，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) AgNPs對微生物的毒性機(jī)制。目前針對AgNPs抗菌機(jī)制的研究沒有明確結(jié)論，有觀點(diǎn)證明Ag+在其毒性效應(yīng)中起主要作用，但另有觀點(diǎn)證明AgNPs的毒性機(jī)制是進(jìn)入微生物體內(nèi)NPs導(dǎo)致的。因此，今后相關(guān)研究需要探索新的實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)，結(jié)合不同學(xué)科(如化學(xué)的成分分析和生物的基因表達(dá)分析等)研究AgNPs抗菌機(jī)制。

(2) AgNPs慢性毒性實(shí)驗(yàn)研究。Ag具有持久性和生物富集性，并且納米顆粒的自身特性使得AgNPs能長期積累在生物體內(nèi)，因此AgNPs慢性或長期毒性效應(yīng)不容忽視。然而目前研究多針對AgNPs的急性毒性，缺乏慢性毒性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，如果低濃度(ng·L-1)AgNPs長期暴露對受試生物產(chǎn)生毒性效應(yīng)或抑制作用，同樣對環(huán)境風(fēng)險評價有重要借鑒意義，因此亟待開展相關(guān)研究。

(3)評價天然水體中AgNPs的環(huán)境行為和毒性效應(yīng)。目前多數(shù)AgNPs的毒理研究所得結(jié)論是建立在特定實(shí)驗(yàn)條件基礎(chǔ)上的，但AgNPs在相對復(fù)雜的自然環(huán)境下的環(huán)境行為和毒性效應(yīng)很可能發(fā)生變化，因此有必要開展相關(guān)研究。

此外，有關(guān)AgNPs進(jìn)入環(huán)境后，在生態(tài)系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和潛在危害的研究比較有限，特別作為地球上最富有生機(jī)、具有獨(dú)特生態(tài)價值和資源潛力的河口濱岸生態(tài)系統(tǒng)，相關(guān)研究更是稀缺。因此這方面的研究也有待開展。

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◆

Review of Environmental Behavior and Toxicity of Silver Nanoparticles in the Aquatic Environment

Yi Jun1，Huang Jun1，Cheng Jinping1,2,*

1. State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China 2. City University of Hong Kong Shenzhen Research Institute, Shenzhen 518057, China

14 March 2014 accepted 7 May 2014

The environmental behaviour and ecological impact of nano-materialshave attracted increasing attention in recent years. Silver nanoparticles (AgNPs) are the most frequently used nano-materials. This review summarizes research progress on the behavior and toxicity of AgNPs in the aquatic environment. Occurrence, environmental behavior, toxicity to various microorganisms, and the factors influencing toxicity of AgNPs are summarized. Finally, perspectives for future research regarding AgNPs in estuarine environment are discussed.

silver nanoparticles; microorganisms; environmental behavior; toxicity

國家自然科學(xué)基金(41101489)；廣東省自然科學(xué)基金(s2012010010847)；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才計(jì)劃項(xiàng)目(NECT-12-0181)；華東師范大學(xué)高層次人才經(jīng)費(fèi)(No.79631916)；河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題(2012RCDW-01)

衣俊(1990-)，男，碩士，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)毒理學(xué)，E-mail: 51132601029@ecnu.cn

*通訊作者(Corresponding author)，E-mail: jpcheng@sklec.ecnu.edu.cn

10.7524/AJE.1673-5897.20140314003

2014-03-14 錄用日期：2014-05-07

1673-5897(2015)1-101-09

X171.5

A

程金平(1978—)，女，博士，研究員，主要研究方向?yàn)樯鷳B(tài)毒理學(xué)。

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