综述：工程纳米颗粒在水体中的转化：对毒性机制的重新思考

这篇综述系统探讨了工程纳米颗粒(ENPs)在水环境中的物理、化学及生物转化过程及其生态毒性效应，重点揭示了转化产物特性变化如何通过调控金属离子释放速率、表面电荷(ζ电位)和生物分子冠层(ecocorona)形成等机制影响水生生物响应，为人工智能(ML/AI)预测纳米材料环境行为提供了关键数据库。

　　

工程纳米颗粒的环境转化与生物效应

纳米科技的迅猛发展使得工程纳米颗粒(ENPs)在医疗、电子和农业等领域的应用激增，年产量已突破160万吨。这些材料进入水体后会发生系列转化，彻底改变其环境行为与生物效应。

转化类型与机制

ENPs在水环境中经历三重转化：

1. 物理转化：聚集作用形成微米级团聚体，显著降低生物可利用性。如银纳米颗粒(Ag ENPs)团聚后对大肠杆菌(E. coli)的毒性降低25%。
2. 化学转化：硫化物(S^2-
   )、磷酸盐(PO₄
   ^3-
   )等无机配体引发核心金属价态变化。典型如Ag ENPs转化为Ag₂
   S后，溶解速率下降80%，使斑马鱼胚胎死亡率从45%降至12%。
3. 生物转化：生物分子(蛋白质/多糖)在颗粒表面形成动态冠层。牛血清蛋白(BSA)冠层使ZnO ENPs的ζ电位从+25mV变为-18mV，抑制植物细胞摄取效率达60%。

微环境特异性转化

不同生物界面创造独特转化微环境：

• 微生物区：Pseudomonas分泌的柠檬酸将CeO₂
  ENPs还原为Ce³⁺
  ，溶解率提升19%。
• 植物根际：玉米根系分泌物使CuO ENPs溶解量增加4倍，引发更严重的根尖细胞膜脂质过氧化。
• 动物消化系统：大型溞(D. magna)肠道将Ag ENPs转化为Ag₂
  S纳米桥结构，生物蓄积量比原始颗粒降低33%。

毒性调控新范式

转化通过三重机制重构毒性：

1. 离子释放闸门效应：硫化物外壳将Zn²⁺
   释放速率从5.2μg/h降至0.8μg/h，使水蚤96h-LC₅₀
   值提高8倍。
2. 表面识别密码：血清蛋白冠层激活斑马鱼巨噬细胞TLR4受体通路，触发特异性炎症反应。
3. 氧化还原跷跷板：CuS ENPs虽抑制离子释放，但表面缺陷位点促进羟基自由基(·OH)生成，造成独特的DNA氧化损伤模式。

未来挑战与智能预测

当前数据库存在多重空白，包括复杂纳米复合材料转化数据、动态环境下的多次转化序列等。通过机器学习分析已有1,600+组转化参数，可建立ENPs"转化-毒性"预测模型，为纳米产品的生态安全设计提供新范式。