纳米毒理学评价：稻壳硅负载生物合成三氧化钼纳米颗粒的体外安全谱、生态毒性与植物毒性

《Microbiological Research》：Nanotoxicological evaluation of biosynthesized molybdenum trioxide nanoparticles supported on rice husk silica: In vitro safety profile, ecotoxicity, and phytotoxicity

　　

本研究评估了SiO₂/MoO₃-NPs纳米复合材料的纳米毒性，其中基质（SiO₂）来源于稻壳残渣，纳米增强相（MoO₃-NPs）采用南洋杉（*Araucaria angustifolia*）提取物进行生物合成。研究人员在VERO细胞中评估了体外安全谱，并研究了土壤毒性及对卷心菜（*Brassica oleracea*）种子的植物毒性。细胞活力与增殖（MTT法）、氧化应激（ROS生成）、一氧化氮（NO生成）及DNA损伤（dsDNA）数据表明，SiO₂具有生物相容性，而MoO₃-NPs引发了更显著的生物学响应，在100 μg mL^-1（48 h）条件下表现出高达85%的抗炎效应。就植物毒性而言，MoO₃-NPs对光合色素表现出 hormetic 效应（毒物兴奋效应），在25 μg mL^-1时产生刺激作用，而在高剂量（50和100 μg mL^-1）下抑制根系生长。SiO₂/MoO₃-NPs纳米复合材料表现出中间行为，表明硅基质具有调节作用，可降低MoO₃-NPs的纳米毒性。因此，纳米材料杂化是最大限度减少环境和生物风险的一种有前景的策略，能够实现可持续纳米技术的安全开发。因此，纳米材料杂化被证明是降低环境和健康风险的有效途径，确保可持续纳米技术开发的安全进展。

**论文解读：SiO₂/MoO₃-NPs纳米复合材料的综合毒理学评价**

**一、研究背景与科学问题**

近年来，纳米材料凭借其高比表面积、独特的理化性质（如尺寸、形状、表面电荷及功能化能力）在生物医学、环境科学、制药和农业等领域展现出广阔的应用前景。然而，纳米材料在生产、处理及处置过程中的大规模增长引发了其对生物体和环境潜在负面效应的担忧。已有研究表明，纳米颗粒可通过过量产生活性氧（reactive oxygen species，ROS）、生物蓄积、细胞损伤及代谢改变等方式对非靶标生物（如微藻、无脊椎动物和环境微生物）造成不利影响，从而损害生态完整性。此外，植物作为生态系统的基础，暴露于纳米材料后可能影响其萌发、根系生长、地上部发育及生理响应，然而其吸收和转运机制尚不完全明确。因此，系统评估纳米材料的生态毒性、植物毒性及体外细胞毒性，对于确保纳米技术的安全与负责任发展至关重要。然而，目前关于生物合成三氧化钼纳米颗粒（MoO₃-NPs）负载于稻壳硅（SiO₂）基质形成的纳米复合材料（SiO₂/MoO₃-NPs）的综合毒理学评价尚未见报道。本研究旨在填补这一空白，采用多维度评估策略，系统考察该纳米复合材料的体外安全谱、土壤毒性及植物毒性。

**二、研究内容与总体结论**

研究人员以稻壳残渣为硅源制备SiO₂基质，利用南洋杉（*Araucaria angustifolia*）提取物生物合成MoO₃-NPs，并通过浸渍法制备SiO₂/MoO₃-NPs纳米复合材料。在VERO细胞系（ATCC CCL-81，来源于巴西里约热内卢细胞库）中评估了三种材料的体外安全谱；在玄武岩土壤中添加腐殖质进行土壤毒性试验；以卷心菜（*Brassica oleracea*）种子为受试生物开展生态毒性和植物毒性研究。研究结果表明，SiO₂呈现良好的生物相容性，MoO₃-NPs表现出更强的生物学反应，而SiO₂/MoO₃-NPs复合材料呈现中间行为，表明硅基质对MoO₃-NPs的毒性具有调节作用。该研究证实纳米材料杂化是降低环境和生物风险的有效策略，为可持续纳米技术的安全开发提供了重要依据。论文发表在《Microbiological Research》。

**三、主要技术方法**

本研究采用的主要技术方法包括：（1）材料合成：热法合成SiO₂、南洋杉提取物生物合成MoO₃-NPs、浸渍法制备SiO₂/MoO₃-NPs；（2）材料表征：衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）、扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDS）、比表面积（S_BET）、孔体积（V_p）与孔径（D_p）、X射线衍射（XRD）、Zeta电位（ZP）、多分散指数（PDI）与平均水合粒径（MHS）、零电荷点（pH_ZCP）、漫反射光谱（DRS）及表面酸位点；（3）体外安全评价：VERO细胞培养，MTT法检测细胞活力/增殖，DCFH探针检测ROS生成，Griess法检测NO生成，dsDNA释放检测DNA损伤；（4）土壤毒性：场发射枪扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（FEG-SEM with EDX）分析土壤元素变化，pH动态监测；（5）植物毒性：卷心菜种子萌发试验，根长测定，叶面积分析，分光光度法测定叶绿素a（Chl a）、叶绿素b（Chl b）及类胡萝卜素（Car）含量。

**四、研究结果**

**4.1 体外安全谱**

MTT结果显示，SiO₂在所有浓度和时间点均维持细胞活力与对照相当，表明其良好的细胞相容性。ROS检测显示，SiO₂在低浓度（12.5 μg mL^-1）24 h时引起约253%的氧化应激轻微升高，但48 h和72 h后恢复至生理水平，表明无持续性氧化损伤。NO生成水平保持稳定，未诱发炎症反应。dsDNA损伤检测显示，低浓度下出现轻微细胞损伤，但高浓度下损伤水平接近对照，且随时间推移呈恢复趋势。

MoO₃-NPs在MTT实验中未引起细胞活力的显著降低。ROS水平在整个实验期间维持在对照以下，仅在24 h时部分浓度出现约20%的轻微升高。NO水平保持稳定，未激活显著的炎症或亚硝化通路。dsDNA检测显示48 h时25 μg mL^-1浓度组出现统计学显著差异，72 h时12.5和25 μg mL^-1浓度组显示中度细胞损伤增加，但总体损伤处于亚致死和可能可逆的水平。

SiO₂/MoO₃-NPs复合材料在所有检测参数中均表现出最高的生物稳定性。MTT实验证实细胞活力/增殖与对照无显著差异；ROS水平在各浓度和时间点均接近对照；NO生成和dsDNA均无显著变化。这表明SiO₂基质有效稳定了MoO₃-NPs的表面反应性，降低了氧化应激的诱导并减少了细胞损伤。

**4.2 土壤毒性与卷心菜生态毒性**

经31天暴露后，SiO₂处理组的芽大小保持稳定，根系长度随浓度增加呈逐渐增长趋势（100 μg mL^-1时最显著），叶片长度在12.5和50 μg mL^-1浓度下出现统计学显著缩短。MoO₃-NPs在25 μg mL^-1时引起芽大小轻微下降，叶片长度在12.5–50 μg mL^-1范围内显著减少，而根系生长呈波动性变化。SiO₂/MoO₃-NPs复合材料表现出中间毒性特征，对芽和根系生长的影响较温和，对叶片生长的抑制作用弱于纯MoO₃-NPs。

光合色素分析显示，SiO₂在12.5 μg mL^-1时使Chl a（1438.64 μg g^-1）和Chl b（463.98 μg g^-1）较对照升高，但在25和50 μg mL^-1时显著降低，100 μg mL^-1时部分恢复。MoO₃-NPs呈现典型的双相hormetic效应：12.5 μg mL^-1时色素水平下降，25 μg mL^-1时急剧升高（Chl a达2463.04 μg g^-1，Chl b达892.01 μg g^-1，Car达162.98 μg g^-1），50和100 μg mL^-1时逐渐回落但仍高于或接近对照。SiO₂/MoO₃-NPs复合材料在12.5 μg mL^-1时轻微刺激色素合成，随后随浓度升高逐渐降低，100 μg mL^-1时Chl a降至948.77 μg g^-1，Car出现部分恢复。

土壤pH监测显示，SiO₂引起轻微的pH下降后趋于稳定；MoO₃-NPs导致更明显的酸化趋势，可能与Mo⁶⁺离子部分溶解有关；SiO₂/MoO₃-NPs复合材料的pH变化介于两者之间，表明硅基质对钼物种的释放具有调节作用。SEM-EDS元素分析显示，纳米颗粒的掺入改变了土壤表面化学计量学特征，SiO₂处理使硅含量升至15.7–15.8%，MoO₃-NPs处理导致铁、钙含量振荡，表明存在阳离子交换和矿物重组过程。

**4.3 植物毒性**

经10天暴露后，SiO₂在所有浓度下均未引起根长的显著变化，显示惰性行为。MoO₃-NPs呈明显浓度依赖性抑制效应：12.5 μg mL^-1时无显著影响，而25、50和100 μg mL^-1时根长分别显著缩短至48.58±20.25、60.51±11.65和28.73±14.23 mm。SiO₂/MoO₃-NPs复合材料的根长在各浓度下均与对照相近，未出现纯MoO₃-NPs的显著抑制效应，表明硅基质通过降低表面反应性和控制ROS释放有效减轻了植物毒性。

**五、讨论与结论**

讨论部分指出，纳米材料的毒性高度依赖于其化学组成和呈现形式。SiO₂的低溶解性、低离子释放和有限的氧化还原能力使其在生物环境中表现出良好的惰性。MoO₃-NPs的高表面反应性使其更易诱导氧化性损伤，但100 μg mL^-1处理48 h时可将ROS生成降低85%，显示出潜在的抗炎活性。SiO₂/MoO₃-NPs复合材料中，硅基质作为稳定化载体促进了MoO₃-NPs的均匀分散，降低了颗粒聚集和高表面反应性带来的细胞毒性，同时调节了土壤中的pH变化和植物毒性效应。

研究结论：对SiO₂、MoO₃-NPs及其纳米复合材料SiO₂/MoO₃-NPs的生物和环境效应研究表明，毒性高度依赖于化学组成和材料的呈现形式。就细胞毒性而言，从稻壳中获得的SiO₂在VERO细胞模型中被证明是一种基本惰性且具有生物相容性的材料。另一方面，生物合成的MoO₃-NPs表现出更高的反应活性，引发更复杂的细胞响应，在100 μg mL^-1浓度下48 h内能够将ROS生成降低85%，从而发挥可能的抗炎作用。基于pH变化分析的土壤毒性显示，MoO₃-NPs引起更强烈的酸化，而纳米复合材料中硅基质的存在对此起到了调节作用。就植物毒性而言，MoO₃-NPs对*Brassica oleracea*的光合色素表现出hormetic效应，并在高浓度下抑制根系生长。SiO₂/MoO₃-NPs纳米复合材料表现出中间行为，硅基质调节了植物毒性效应并促进了更高的生理稳定性。这些结果强化了使用多孔载体（如绿色二氧化硅）作为纳米材料设计基本策略的观点，有助于钼基技术的安全实施以及纳米材料在农业和生物医学应用中的负责任使用。