工程纳米材料的环境归趋与生态毒性风险：从环境转化到可持续修复与风险治理

《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：Environmental fate and ecotoxicological risks of engineered nanomaterials: From environmental transformation to sustainable remediation and risk governance

　　

工程纳米材料（ENMs）正日益被应用于工业、生物医学、农业和消费品领域，导致其持续释放进入环境系统。这引发了对生态安全和长期可持续性的严重关切。尽管纳米技术取得了进步，但由于异质生态系统中纳米尺度相互作用的复杂性，ENMs的环境行为、转化动力学和慢性生态毒理学影响仍未得到充分理解。本综述对主要类别ENMs的环境归宿进行了批判性评估，重点讨论了金属氧化物纳米颗粒和碳基纳米结构。特别关注了它们在水生和陆地环境中的运输、聚集、溶解、转化和生物有效性。所综述的文献表明，这些转化过程可以显著改变ENMs的移动性、持久性、生物有效性和毒性。机制证据强调氧化应激、膜不稳定、线粒体功能障碍和营养级传递是ENM诱导的生态毒性的重要途径。对环境浓度、毒性终点、监测技术和修复效果的定量比较进一步揭示了与真实暴露和风险表征相关的重大不确定性。新兴方法，包括纳米定量结构-活性关系（nano-QSAR）、概率暴露评估、机器学习辅助的危害预测和生命周期评估，为改进风险评估提供了机遇。然而，这些方法仍然受到有限数据集、不一致的表征和环境相关条件下验证不足的制约。修复策略，包括吸附、光催化过程、膜分离、植物修复、微生物固存和混合纳米-生物系统，显示出相当大的潜力。但在评估可持续性时，应考虑能源需求、二次废物、转化产物、再生和长期稳定性。因此，未来的ENM管理应整合预测性监测、转化意识风险评估、安全设计、循环性和协调一致的监管框架，以支持纳米技术的可持续发展。

**引言**

过去二十年来，纳米技术的发展导致工程纳米材料（ENMs）在各行业、生物医学、农业、环境、化妆品和消费品中的生产和使用日益增加。由于其高表面积、可调节的理化性质和催化活性，ENMs被认为是下一代技术应用开发的关键组成部分[Abbasi等，2023；Nath，2026]。在广泛研究的ENMs中，包括二氧化钛纳米颗粒（TiO? NPs）、氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）、银纳米颗粒（AgNPs）、碳纳米管（CNTs）和石墨烯衍生物[Chakraborty和Lynch，2025；Ayanda等，2024]。这些ENMs已广泛应用于涂料、个人护理产品、生物医学、传感器、抗菌剂、储能和环境修复领域[Ghosh等，2025；Raha和Ahmaruzzaman，2022；Gulati等，2022；Waris等，2023]。选择这些ENMs是基于其广泛使用、相关性以及在生态毒理学终点和环境归宿方面的广泛研究。其他ENMs，如量子点、二氧化硅、氧化铁、氧化铈和黏土纳米材料，虽已确认但并未在`**文本被截断**`中具体纳入。因此，ENMs的商业化大规模生产使这些材料释放到环境中成为可能，需要对其持久性、转化、运输特性和毒性进行评估。污水处理厂（WWTPs）是ENMs的重要环境汇和来源，这些ENMs来自家庭、工业和医疗操作[Lam和Le Luu，2025]。WWTPs中相当比例的纳米颗粒可以聚集或与污水污泥和生物固体结合，这些物质随后可被施用于农业用地[Yu等，2021]。因此，ENMs可以通过污泥制成的土壤改良剂、农业径流和灌溉系统进入陆地环境[Rath等，2024]。在水生环境中，ENMs的运输过程取决于盐度、pH值、有机物含量、离子强度和沉积物结合等参数，这些参数决定了ENMs的聚集、溶解度和生物有效性[Devasena等，2022]。此外，大气沉降影响ENMs的分布；特别是在城市和工业区域，由燃烧或工业过程产生的纳米颗粒可能沉积在陆地或水面上[Amin和Erfan，2025]。这些多重且相互关联的暴露途径使得环境归宿难以预测。重要的是，报告的环境浓度通常远低于许多实验室毒理学研究中所使用的浓度，这造成了将实验危害外推到环境真实风险时的重大不确定性[Northwick和Carlson，2025；Keller和Slaveykova，2025；Alsaleh，2025]。

目前评估ENMs环境风险的方法包括理化表征、基于实验室的生态毒理学检测、环境监测、预测建模和修复技术。传统毒理学方法提供了关于急性毒性、剂量-反应效应和生物终点的有用数据。然而，由于这些纳米颗粒的性质无法被认为是化学稳定且均匀的，将这些方法应用于ENMs是困难的[Feculak等，2025；Zhang等，2025；Khosrovyan等，2025]。在经历环境暴露时，ENMs可以发生聚集、团聚、溶解、沉积、氧化、硫化、形成冠层和老化。因此，这些物质的移动性、表面特性、生物有效性和毒性可能会发生变化[Mota等，2025；Sardoiwala等，2018]。此外，天然有机物（NOM）、微生物分泌物、离子强度、pH值以及许多其他环境参数也会影响ENMs的行为。分析技术和监测技术的进步增强了ENMs的表征和检测能力。计算方法，如纳米定量结构-活性关系（nano-QSAR）和概率建模，为危害和暴露评估提供了手段[Singh等，2026]。同样，吸附、膜分离、光催化、植物修复、微生物固存和混合修复系统在ENMs去除方面显示出潜力[Buglak等，2019]。然而，大多数研究使用名义浓度、简化基质、短期暴露期，且在暴露期间理化表征不足[Rasmussen等，2025]。此外，在修复研究中，关注点主要在于去除，而未考虑能源消耗、试剂、再生、二次废物产生、转化产物、规模放大和长期稳定性[Asati等，2024；Sharma和Kant，2026]。因此，尽管ENMs的评估和管理方法前景可观，但它们未能充分反映环境真实性和转化依赖的风险。

需要一个环境转化意识框架，整合环境归宿和运输、真实暴露、生物有效性、生态毒理学作用模式、风险评估和可持续修复。该框架需要考虑环境浓度和暴露情景与毒理学阈值的关系，方式上要考虑不确定性、转化、慢性暴露以及颗粒介导与离子介导效应之间的差异。同样，修复策略需要超越去除效率，还要考察能源和资源使用、二次废物产生、转化产物、再生和可持续性。需要加强经济合作与发展组织（OECD）指南、美国环境保护署（EPA）和欧盟化学品注册、评估、授权和限制制度（REACH）等监管机构之间的协调一致。通过这种整合，ENMs评估可以从单纯的危害表征和毒性测量推进到基于真实环境条件和可持续性的预测性风险管理。

本综述对环境相关的ENMs进行了全面和批判性的评估。本综述突出了ENMs的环境归宿、真实暴露、生态毒理学机制、监测方法、风险评估和修复。特别关注了纳米颗粒的转化、生物有效性和毒性机制之间的关系。通过废水排放的环境相关暴露途径、水生和陆地生物的暴露以及与转化相关的毒性得到了强调。最近，人工智能和环境预测模型在ENMs风险评估中的应用已经出现[30]。除此之外，本综述还评估了现有环境监测技术的不足之处。这与国际可持续性关切相一致，包括环境保护、可持续生产、清洁水基础设施和生态系统（可持续发展目标6、12、14和15）。通过这种方式，通过整合基于机制的信息与风险评估和环境管理，本综述旨在为ENMs的生态效应制定未来视角。

**章节节选**

**工程纳米材料的来源、释放途径和环境分布**
ENMs的环境扩散模式高度依赖于来源、释放量以及释放到环境后的转化特性。了解释放途径和运输动力学对于评估ENMs的持久性、移动性和生态暴露至关重要。图1强调了影响ENMs环境归宿的主要来源、释放、分布和转化过程。

**聚集和团聚动力学**
ENMs的环境归宿显著受到聚集/团聚机制的影响，包括流体力学尺寸、沉积速度、胶体稳定性和移动性[Zhang，2019]。胶体稳定时的离子强度较低，而较高的离子强度会增加聚集速率[Li等，2024；Amiri和Behin，2025；Islam，2025]。聚集程度显著取决于ENMs的类别和环境基质。二氧化钛纳米颗粒表现出对`**文本被截断**`的亲和力。

**水生和陆地系统中的摄取途径和环境暴露**
ENMs的环境摄取受暴露途径、转化状态和生物有效性的支配[Tang等，2025]。水生摄取主要通过膜相互作用、摄入和内吞作用发生[Ramzan等，2022]。由于纳米颗粒具有更大的表面积与体积比，其较小的尺寸与细胞摄取增加相关[Yusuf等，2023]。然而，细胞摄取高度依赖于ENMs的聚集状态、表面电荷等特性`**文本被截断**`。

**传统表征方法**
由于浓度低、基质复杂和转化依赖的异质性，ENMs的可靠环境检测仍然是主要的分析挑战。透射电子显微镜（TEM）已被广泛应用于环境基质中TiO?、AgNPs、CNTs和石墨烯的检测[Borowska和Jankowski，2023]。TEM受限于其低样品通量、复杂的样品制备、干燥效应以及缺乏环境代表性[Faraz等`**文本被截断**`]。

**传统风险评估的局限性**
传统风险评估旨在考虑溶解化学物质和散装污染物，无法有效解决ENMs的动态特性[Ellis等，2026]。环境转化不断影响ENMs的生物有效性和危害潜力[Hong等，2021]。这表明在实验室制备的纳米材料上进行的风险评估与对环境中转化的ENMs的评估往往存在显著差异[Yahyaoui等，2017]。

**吸附和膜基去除技术**
吸附和膜过滤仍然是ENMs去除研究中最为广泛的方法之一，得益于其高效的分离能力[Castro和Abejón，2024]。生物炭和碳基吸附剂等吸附剂通过静电吸引、离子交换和表面络合来去除ENMs[Ahuja等，2022]。生物炭基吸附剂因其相对较低的成本、多孔特性和环境友好性而备受青睐。一些`**文本被截断**`。

**现有监管框架的局限性和纳米特异性治理缺口**
现有监管框架面临在容纳ENMs动态理化性质、环境转化和暴露行为方面的挑战。OECD、EPA和REACH等框架是为常规散装物质设计的，未能充分为特性高度动态的ENMs提供监管[Schwirn等，2020]。现有生态毒理学指南可能需要进一步调整，以考虑纳米颗粒特异性暴露`**文本被截断**`。

**人工智能驱动的环境风险预测和智能监测系统**
未来利用人工智能进行的环境风险评估应侧重于数据质量、建模中的转化意识以及环境验证，而不仅仅是关注算法复杂度[Yu等，2022；Ha等，2025]。目前许多模型无法准确模拟ENMs的聚集、溶解、冠层形成、老化等环境诱导转化过程。未来用于纳米毒理学的模型因此应采用`**文本被截断**`。

**结论**
工程纳米材料（ENMs）表现出与环境常规污染物不同的环境行为，因为聚集、溶解、冠层形成、老化和环境分配可以持续改变其移动性、持久性、生物有效性和生态毒性。所综述的文献表明，环境转化因此是ENMs在水生和陆地系统中归宿和生物效应的关键决定因素。然而，环境相关性`**文本被截断**`。

**人工智能工具使用说明**
在本文撰写过程中，仅使用了人工智能工具进行语言润色和语法编辑。所有科学内容、文献来源、定量值和技术解释均由作者独立审阅和验证，作者对稿件的准确性、原创性和完整性承担全部责任。

**CRediT作者贡献声明**
Rishi Kant：写作——审阅与编辑、写作——原稿撰写、可视化、验证、监督、资源、项目管理、调查、形式分析、数据整理、概念化。
Neeraj Virdi：写作——原稿撰写、可视化、资源、调查、形式分析、数据整理、概念化。

**知情同意**
不适用，因为本研究不涉及人类参与者或个人数据。

**伦理声明**
本研究不涉及人类参与者、动物或可识别的个人数据。因此，无需获得伦理批准和知情同意。

**资金**
本研究未获得公共、商业或非营利部门的任何专门资助。

**利益冲突声明**
作者声明，他们不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

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