综述：工程纳米颗粒（ENPs）的环境归趋、生物相互作用及毒性机制

《International Journal of Environmental Research and Public Health》：Environmental Fate, Biological Interactions, and Toxicity Mechanisms of Engineered Nanoparticles (ENPs)

　　

工程纳米颗粒（ENPs）正日益频繁地应用于工业和消费品中，涵盖工业、农业、生态和生物医学等领域。赋予纳米颗粒在产品设计中理想特性的独特物理化学性质，也影响其在环境中的归趋、与生命系统的相互作用以及毒性机制。基于溶解化学品的传统测试方法和毒理学范式难以充分评估ENP风险，主要原因在于其小尺寸、高比表面积（SA:V）、增强的反应性以及可在合成过程中调控的表面化学性质。纳米颗粒毒性取决于颗粒特性、环境转化、由此产生的暴露场景和生物效应之间的复杂关系。研究人员在此综述ENP毒性沿着“性质→转化→暴露→毒性”连续体的规律，重点关注颗粒性质如何影响与毒性相关的环境和生物转化。综述了尺寸、形状、表面化学、溶解性、氧化还原活性和聚集倾向等性质对迁移和生物可利用性、细胞摄取、生物分布和毒性机制的影响。讨论了聚集、氧化、溶解/硫化、老化和生态冠形成等转化对暴露和风险的影响。最后，讨论了氧化应激、离子毒性、膜损伤、炎症和遗传毒性等主要毒性机制与纳米-生物相互作用的关系。还综述了与ENP研究相关的分析挑战、当前风险评估方法的不足以及新兴的安全性设计（Safe-by-Design）方法。此外，讨论了工程纳米颗粒毒理学与微塑料/纳米塑料领域之间的联系，特别关注重叠的物理化学性质、转化、暴露和生物学机制。

论文主体部分围绕工程纳米颗粒（ENPs）的“性质→转化→暴露→毒性”连续体展开。第1节引言介绍了ENPs的定义、主要类型（金属基、碳基、量子点（QDs）、聚合物纳米材料等）及其在电子、生物医学、化妆品、农业等领域的广泛应用。全球生产量从2000年约10万吨增长至2020年超过160万吨，预计未来10-15年收入将超过1万亿美元。ENPs在环境中释放不可避免，需关注其归趋、运输和效应。由于小尺寸，ENPs表现出与常规化学物质不同的独特行为，其细胞活性主要由固有物理化学性质决定，如表面电荷、形状、聚集状态和表面化学，影响细胞摄取、生物分布和生物分子吸附（形成蛋白冠（protein corona））。传统化学风险评估框架需纳入纳米形态特异性行为，如OECD指南建议详细表征纳米材料物理化学性质、使用参考材料、纳米颗粒特异性样品制备和剂量测定，以及考虑颗粒数量或表面积而非仅质量浓度。环境与生物转化（溶解、聚集、氧化、冠形成）尚未完全纳入标准化测试，ENP危害应通过“性质→转化→暴露→毒性”连续体考虑。

第2节为文献综述与方法学，采用系统检索策略，重点关注2020年7月至2026年6月间同行评议文献，共保留155篇文献。研究按性质→转化→暴露→毒性框架分组，归纳关键发现。

第3节讨论纳米尺度性质决定的毒性行为。3.1节尺寸与形态：颗粒尺寸直接影响表面反应性、光学性质及跨细胞膜能力。小颗粒更易被细胞内化，表面积与体积比（SA:V）增大导致更多反应位点，诱导活性氧（ROS）生成、脂质过氧化等。尺寸影响细胞摄取机制（小颗粒<50 nm通过内吞作用），形状影响膜包裹动力学和细胞内定位，进而影响毒性。尺寸还影响生物分布（肝脏、脾脏蓄积）和清除（肾小球滤过或巨噬细胞系统）。3.2节表面化学与涂层：表面电荷、官能团和涂层决定颗粒与细胞膜、蛋白质的相互作用。正电性纳米颗粒易与负电性细胞膜结合，但可能引起膜损伤和ROS生成。蛋白冠（protein corona）形成受表面化学影响，可改变细胞识别、摄取和免疫反应。涂层稳定性影响离子释放和催化活性，从而影响毒性。3.3节溶解、离子释放与氧化还原活性：金属氧化物纳米颗粒（如Ag、ZnO、CuO）的溶解可释放金属离子，引起细胞损伤。过渡金属通过Fenton反应催化ROS产生，氧化还原循环持续产生ROS，导致DNA损伤和炎症。溶解与氧化还原活性相互增强。3.4节聚集：ENPs在环境中发生同质聚集或异质聚集（与天然胶体）。聚集改变粒径，影响沉降速率和生物可利用性。表面化学、天然有机质（NOM）和离子强度调控聚集-沉降平衡。聚集状态在生物介质中可变化，与冠形成同时发生，影响暴露途径和毒性。

第4节介绍环境转化对毒性的修饰。4.1节水溶液行为：离子强度和pH影响表面电荷和胶体稳定性，决定聚集和分散。高盐环境压缩双电层，促进聚集和沉降；低盐环境有利于分散。pH接近零电荷点（PZC）时聚集增强。溶解受表面控制和时间依赖，pH降低或配体存在可加速溶解，聚集减少溶解表面积。溶解速率随老化变化，导致毒性从颗粒主导转向离子主导。4.2节土壤与沉积物动力学：颗粒在土壤中经历老化（聚集、异质聚集、吸附、生态冠形成），通常降低迁移性和生物可利用性，但可能改变暴露途径。表面钝化（如硫化）降低反应性，减少急性毒性，但可能增加持久性。不完全转化或混合溶解度可导致残留毒性。长期研究（如洪水漫滩中尺度实验）表明即使转化后的银纳米颗粒仍可在生物区系中积累。4.3节大气途径与吸入相关转化：空气中纳米颗粒可来自一次排放或二次形成（气相前体物氧化成核）。二次颗粒粒径小（1-3 nm），可生长为大颗粒。大气氧化剂（臭氧、OH自由基、NOx）引发多相反应，改变表面化学和吸湿性，影响肺沉积和生物相互作用。超细颗粒（<100 nm）可深入肺泡区域。4.4节生态冠形成与老化：ENPs在环境介质中迅速吸附天然有机质、微生物副产物等形成生态冠（eco-corona），成为颗粒的新表面。生态冠可降低反应性和溶解速率，增强稳定性，延长悬浮时间，但可能促进细胞摄取或改变分布。冠是动态的，随老化演变，导致毒性随时间变化，可能从急性转为慢性。4.5节转化产物与次生相：氧化条件下形成氧化物涂层，钝化表面，降低溶解；还原条件下发生硫化（如Ag₂S），降低溶解度，减少急性毒性，但可能增加持久性。表面络合（与NOM、无机配体）影响胶体稳定性和生物相互作用。转化产物可能引入新作用机制，风险从急性离子介导转向慢性颗粒介导。

第5节讨论NP暴露途径与生态转移。5.1节微生物相互作用与功能干扰：微生物是首批接触ENPs的生物，暴露可改变群落组成，影响养分循环、有机物分解等生态系统功能。ROS和离子释放可损伤微生物膜、蛋白质和DNA，抑制酶活性，干扰群体感应和生物膜形成。5.2节初级生产者与食物网转移：藻类和植物通过表面吸附和内化摄取NPs，影响光合作用和生长。NPs可通过初级生产者向高营养级传递（如藻类→水蚤→鱼），但生物放大或稀释尚不确定。5.3节无脊椎动物与脊椎动物：水生无脊椎动物（甲壳类、蠕虫、软体动物）通过摄食和接触沉积物暴露，积累在消化系统，引起生长、繁殖和行为改变。鱼类和陆生动物也可通过摄食、皮肤接触等暴露，在肝脏、肾脏、脑等器官蓄积，引起氧化应激和炎症。环境转化（聚集、生物冠形成）改变生物可利用性，降低反应性但增加持久性。5.4节混合物与共胁迫：ENPs常与其他污染物共存，可吸附有机污染物和金属，改变其运输和生物可利用性，产生加性、协同或拮抗作用。环境条件（pH、温度、离子强度）影响转化，进而影响混合物毒性。评估需考虑多种因素。

第6节讨论NP-生物相互作用与人类健康。6.1节人类暴露途径：吸入是最有效途径，NPs可深达肺部，跨气-血屏障分布至肝、脾、肾、脑。摄入通过食物、水等，胃肠道环境（pH变化、消化酶、菌群）影响NPs稳定性和生物可及性。皮肤暴露通常渗透有限，但屏障受损时增加。暴露表征需报告颗粒数量浓度、质量浓度和表面积，区分名义剂量、递送剂量和内剂量。6.2节蛋白冠与纳米材料生理身份：进入体液后，NPs迅速吸附血浆蛋白形成蛋白冠，决定其生物身份。冠成分由NPs性质和环境条件决定，随时间演化（硬冠与软冠）。蛋白冠影响细胞摄取、分布、免疫识别（如调理素靶向肝脏/脾脏），可能隐藏或暴露反应位点，调节免疫应答。6.3节细胞摄取与器官分布：主动运输（内吞作用）是主要摄取途径，包括网格蛋白介导、小窝蛋白介导、巨胞饮和吞噬。吸入NPs可从肺进入血液，分布至远端器官。NPs可跨血脑屏障（通过受体介导转胞吞）和胎盘（取决于尺寸、组成、表面化学和妊娠阶段），但并非所有NPs均能自由穿越。6.4节免疫系统与炎症反应：蛋白冠决定免疫识别，可引发细胞因子释放和补体激活，导致炎症。长期暴露或清除不畅可导致慢性炎症，与巨噬细胞活化、氧化应激和持续信号传导相关。NPs可调节抗原呈递和细胞因子产生，具有免疫调节潜力，但尚无证据表明直接诱导自身免疫疾病。

第7节讨论毒性机制与人类健康终点。7.1节氧化应激与活性氧（ROS）：氧化应激是NP诱导毒性的常见机制，由ROS产生与抗氧化能力失衡引起。ROS攻击线粒体（电子传递链破坏）、膜脂（脂质过氧化），导致细胞凋亡。7.2节离子介导毒性：金属NPs释放的离子（Ag⁺、Zn²⁺、Cu²⁺）干扰蛋白质功能（与巯基结合）和钙信号通路，诱导线粒体通透性转变和细胞死亡。氧化应激与离子介导效应可同时发生。7.3节膜破坏与物理应激：NPs内吞后溶酶体酸性环境促溶解，导致溶酶体膜不稳定，组织蛋白酶泄漏引发细胞死亡。高长径比纳米材料（HARNs）如碳纳米管可引起持续炎症和纤维化，类似石棉效应。7.4节遗传毒性与慢性终点：NPs通过直接与DNA相互作用或间接通过ROS引起DNA链断裂和表观遗传改变（甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA表达）。长期暴露可能增加癌症风险，并引起神经毒性和内分泌干扰。7.5节亚致死、慢性与联合效应：重复低剂量暴露可导致氧化应激相关亚致死效应、代谢变化和免疫改变。联合暴露（与金属、有机污染物、PFAS）可产生复杂相互作用。发育/生殖效应在动物模型中有报道，但人类数据有限。

第8节讨论检测与表征。8.1节毒理学解释的关键性质：需表征尺寸分布、表面积、表面状态（电荷、涂层、氧化态、风化）、溶解行为、颗粒数量浓度。8.2节环境与生物基质中的分析技术：电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、单颗粒ICP-MS（spICP-MS）、场流分离（FFF）、透射电镜（TEM）、扫描电镜（SEM）、拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、SEM-EDS等。多方法结合是金标准。8.3节测量真实暴露的挑战：基质效应、检测限（小颗粒更难）、动态冠形成、区分工程NPs与天然/偶然NPs、溶解物种干扰、缺乏标准化方法导致数据可比性差。

第9节讨论风险评估与安全性设计策略。9.1节当前风险框架的局限性：传统框架基于质量浓度和短期测试，忽略纳米形态动态性（转化）。OECD指南已提出需考虑纳米形态特异性，但环境与生物转化尚未完全纳入。9.2节剂量度量与机制建模：需使用颗粒数、表面积等替代剂量度量，机制模型需纳入聚集、溶解、转化、冠形成等过程。环境归趋模型、暴露模型、剂量学模型和下一代风险评估框架正在整合转化依赖性参数。9.3节安全性设计（SbD）框架：通过设计降低危害，如调控表面反应性、控制溶解（合金化、包覆）、设计可降解/转化材料。需区分危害降低与风险降低，注意权衡。9.4节转化感知的SbD策略：表面涂层（惰性/仿生涂层）、溶解控制设计、触发转化策略（pH敏感、氧化还原响应）、材料替代。9.5节工程NPs作为天然NPs替代物的局限性：ENPs可模拟天然NPs（NONPs）的某些性质（尺寸、高SA:V、表面电荷、冠形成），但NONPs经长期环境风化，表面形态和化学异质性难以复制，ENPs更适合机理研究，环境归趋评估应基于NONPs本身。

第10节讨论微塑料/纳米塑料毒理学与ENP毒理学的相关性。10.1节共同的物理化学毒性决定因素：尺寸、形状、高SA:V、表面电荷、聚集、冠形成等共同影响塑料颗粒的毒性。纳米塑料（<100 nm）更易跨屏障和细胞摄取，类似ENPs。10.2节环境转化与老化：塑料颗粒经历氧化、光降解、碎裂、聚集、生态冠形成，改变表面性质，增加反应位点和细胞摄取。10.3节冠形成与生物身份：塑料颗粒也形成蛋白冠和生态冠，决定细胞识别、摄取、免疫应答和分布。10.4节共享毒性机制：氧化应激、炎症（TNF-α、IL-6、IL-1β）、遗传毒性（DNA链断裂、染色体损伤）在塑料颗粒暴露中均有报道。10.5节作为共污染物载体：塑料颗粒吸附重金属、农药、PFAS等，产生混合物毒性，需转化感知和混合物感知风险评估。

第11节结论与展望：ENPs需视为“动态系统”，物理化学性质和环境转化共同决定毒性。微塑料/纳米塑料与ENPs共享许多机理概念，但需注意差异。当前知识空白包括长期低剂量暴露效应、现场验证缺乏、表征与测试方法标准化不足、计算模型发展。通过实施SbD原则和整合转化感知框架，可推动纳米技术安全发展。