单颗粒分析技术揭示TiO2与CeO2纳米颗粒在藻类中的差异吸收机制及其生态毒性效应

本研究针对纳米颗粒（NPs）生态毒性机制不明确的问题，采用单细胞ICP-MS（SC-ICP-MS）、单颗粒ICP-MS（SP-ICP-MS）和流式细胞术（FCM）等先进技术，系统评估了TiO2-NPs和CeO2-NPs在绿藻Raphidocelis subcapitata中的吸收差异与毒性效应，发现CeO2-NPs虽内化较少但毒性更强，揭示了表面氧化还原活性是驱动毒性的关键因素，为纳米材料环境风险评估提供了新范式。

　　

在化妆品、电子产品和医药领域广泛应用的工程纳米颗粒（NPs），正通过产品生命周期持续释放到水生环境。其中，二氧化钛（TiO₂-NPs）和二氧化铈（CeO₂-NPs）因独特的光催化与抗氧化特性备受关注，但其对初级生产者藻类的毒性机制仍存争议：究竟是必须穿透生物膜才能引发毒性，还是表面相互作用即可导致损伤？这一问题的解答对理解纳米污染物的生态风险至关重要。

瑞士日内瓦大学与西班牙萨拉戈萨大学的研究团队在《Aquatic Toxicology》发表的研究中，创新性地整合三种单实体分析技术——流式细胞术（FCM）区分细胞与NP聚集体，单细胞电感耦合等离子体质谱（SC-ICP-MS）定量胞内外金属含量，单颗粒ICP-MS（SP-ICP-MS）表征颗粒尺寸分布，系统揭示了两种NPs在模式藻Raphidocelis subcapitata中的吸收-毒性关系。

关键技术方法
研究采用OECD标准培养基培养藻类，通过SP-ICP-MS测定NPs在暴露介质中的聚集状态，结合EDTA洗涤操作区分吸附与内化NPs；利用FCM分析细胞粒度变化、叶绿素荧光和膜损伤标志物；SC-ICP-MS检测单细胞水平Ti/Ce含量；ROS生成采用CellROX? Green荧光探针定量。

研究结果

3.1 NPs聚集行为差异
SP-ICP-MS显示TiO₂-NPs在培养基中形成70-90 nm聚集体（纯水中22 nm），而CeO₂-NPs保持50 nm稳定尺寸。DLS检测到二者均随浓度升高形成微米级聚集体，但TiO₂-NPs更易受Ca²⁺/Mg²⁺影响，这与表面化学特性相关。

3.2 生长抑制与 hormesis效应
CeO₂-NPs的72h-EC₅₀（13.6 mg L^?1）显著低于TiO₂-NPs（28.3 mg L^?1）。独特的是，10-20 mg L^?1 TiO₂-NPs引发60%生长刺激，呈现典型hormesis曲线，可能与低剂量ROS激活抗氧化防御有关。

3.3 异质聚集与细胞相互作用
显微观察显示NPs浓度≥5 mg L^?1时形成藻-NP异质聚集体，50 mg L^?1下细胞完全被包裹。FCM检测到94%细胞粒度增加，提示NPs吸附或内化，且TiO₂-NPs诱导的粒度变化更显著。

3.4 光合与氧化损伤
高浓度CeO₂-NPs（50 mg L^?1）使叶绿素荧光分布展宽，对应71.8%的ROS升高和25.6%膜损伤，显著高于TiO₂-NPs（39.5% ROS和16.6%膜损伤）。这种差异与CeO₂表面Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原循环相关。

3.5 吸收与毒性解耦
SC-ICP-MS定量发现：尽管TiO₂-NPs细胞内Ti含量（24 fg/细胞）是CeO₂-NPs（9 fg/细胞）的2.7倍，但后者毒性更强。吸附比例显示CeO₂-NPs表面结合率（36%）高于TiO₂-NPs（48%），证实表面反应性而非内化量主导毒性。

结论与意义
该研究突破性地证明：NPs生态毒性不能仅用生物累积量预测，表面化学性质（如CeO₂-NPs的氧化还原活性）才是核心驱动因素。技术层面，多模态单实体分析策略为纳米生态毒理学研究树立了新标准；生态学层面，发现NPs可通过异质聚集影响藻类光合作用，可能扰动水生生态系统能量流动。这些发现对制定纳米产品环境释放标准具有重要指导价值，也为理解低剂量NPs的hormesis效应提供了新视角。