聚合物包覆银纳米颗粒的环境行为与生物效应：通过电絮凝实现总银去除及遗传毒性和氧化应激反应的缓解

《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：Environmental behavior and biological effects of polymer-coated silver nanoparticles: total silver removal and mitigation of genotoxic and oxidative responses by electrocoagulation

　　

# 摘要

银纳米颗粒（AgNPs）在商业和技术应用中广泛使用，但其环境行为、生物效应以及从水系统中的去除仍然是重要的关注点。本研究评估了以聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和羧甲基纤维素钠（CMC）稳定化的聚合物包被AgNPs，整合了胶体稳定性、生物响应以及通过电凝聚实现的总银去除效果。透射电子显微镜（TEM）分析证实，AgNPs主要呈球形，粒径范围为3至55纳米。将这些分散液暴露于模拟环境条件中，包括腐殖酸、盐、温度、pH值、曝气及辐射。CMC提供了更大的胶体稳定性，而PVA包被的AgNPs对环境变化更为敏感。选用AgNP3-PVA进行与洋葱（Allium cepa）的生物测定。未处理的AgNP3-PVA分散液诱导了DNA损伤，其中DI = 216.0 ± 9.01，DF = 75.76 ± 5.23%。环境条件化增加了DNA损伤和过氧化氢酶活性，而脂质过氧化则取决于条件，其中Na?SO?产生了最高的TBARS值（15.55 ± 0.19 μmol TBARS g?1鲜重）。采用两因素中心复合设计优化了电凝聚工艺。模型具有显著性（R2 = 0.9833；校正R2 = 0.9695；失拟p = 0.161），在0.47 A和22.11分钟的条件下进行验证，实现了99.9%的总银去除率，接近预测值99.732%。经处理的分散液在洋葱中显示出较低的DNA损伤和脂质过氧化，表明所评估的生物响应得到缓解。这些结果表明，在评估受AgNP污染的水系统时，整合胶体稳定性、互补的生物终点和治疗性能具有重要意义。

# 引言

银纳米颗粒（AgNPs）是最广泛研究和应用最多的金属纳米材料之一，这主要归因于其抗菌性能、化学稳定性、催化活性以及独特的光学和电学特性。这些特性促进了其在纺织品、包装材料、医疗器械、化妆品、传感器及其他技术设备中的整合。然而，AgNPs的日益使用也增加了其在制造、使用、清洗、处置或不当废物处理过程中释放到水系统中的可能性。因此，了解其环境行为及其对生物体的潜在影响变得愈发重要（Durán等人，2018；Levard等人，2012；Sati等人，2025）。

在水环境中，AgNPs并不一定保持合成后立即观察到的相同特性。pH值、离子强度、盐组成、天然有机物的存在、氧化、温度和辐射等因素可以改变其胶体稳定性，促进聚集、溶解、表面氧化，或改变纳米颗粒和溶解银物种的生物利用度。此外，包被或稳定剂类型在决定AgNPs与周围介质之间的相互作用中起着关键作用，从而影响其表面电荷、迁移性、持久性和潜在毒性（Badawy等人，2010；Levard等人，2012；Liu和Hurt，2010；Yang等人，2024a）。最近的研究表明，耦合转化过程，包括聚集、氧化溶解、硫化、氯化、与天然胶体的异质聚集、与溶解成分的络合，以及颗粒迁移性和沉降的变化，主导了银纳米材料在水系统中的环境归宿。这些过程受水化学强烈影响，包括pH值、溶解氧、电解质组成、离子强度、光照、温度和天然有机物。因此，不能仅根据新合成颗粒的性质来充分评估AgNPs的环境行为，因为分散液的物理化学状态在暴露于环境相关应力因素后可能会发生显著变化。

表面包被或封端剂在决定AgNPs的稳定性、转化和生物相互作用中起着核心作用。聚合物包被通常在AgNPs合成过程中使用，以限制颗粒生长、减少聚集，并调节纳米颗粒与周围介质之间的相互作用。在本研究中，选取聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和羧甲基纤维素钠（CMC）作为具有不同官能团和稳定化特性的代表性亲水稳定剂。PVA含有大量羟基，可能提供空间位阻稳定作用；PVP作为封端剂被广泛使用，因其通过极性官能团与金属银表面相互作用；CMC是一种含羟基和羧酸基团的阴离子多糖衍生物，可能有助于电空间位阻稳定作用。比较这些包被可以评估聚合物化学如何调节AgNPs在模拟环境条件下的胶体稳定性和生物响应。

天然有机物（NOM）是影响水系统中纳米材料行为的另一个关键因素。NOM是一种异质性混合物，可能包括腐殖质和富里酸、蛋白质、多糖、脂质以及藻类或微生物胞外聚合物。在这些成分中，腐殖酸常作为模型腐殖质组分使用，因为它含有氧化官能团，如羧基和酚羟基，可与金属纳米颗粒、溶解离子和聚合物包被发生相互作用。在本研究中，选择腐殖酸作为代表性模型有机物，以评估富腐殖质环境如何影响聚合物包被AgNPs的胶体稳定性和生物响应（Yang等人，2024b）。

在天然水中，NOM含量通常以溶解态或总有机碳来报告，而不是以腐殖酸、蛋白质或低分子有机酸等单个NOM分组的浓度来报告，因为NOM组成在不同水体之间存在显著差异。NOM丰富的系统可能含有较高的DOC水平；例如，湿地水的DOC浓度通常在10至100 mg L?1之间，在某些地点甚至超过100 mg L?1，而热带腐殖质泻湖的DOC值可能从不到12至超过110 mg L?1。在此背景下，本研究中使用的100 mg L?1腐殖酸条件被采用为强化模型富腐殖质负荷，以研究在严重NOM相关应力下AgNP-有机物相互作用（Kurek等人，2024；Scofield等人，2015）。

这些转化过程特别相关，因为AgNP毒性不仅取决于总银浓度，还取决于粒径、分散稳定性、Ag?离子释放、介质组成以及与生物结构的相互作用。在植物系统中，AgNPs可诱导细胞毒性和遗传毒性改变，包括DNA损伤、细胞周期变化和氧化应激响应。AgNPs还可能影响根系生长、膜完整性、光合过程、抗氧化酶活性和DNA完整性，氧化应激通常被认为是将纳米颗粒暴露与细胞损伤联系起来的关键机制。这些发现支持使用互补的终点，如DNA损伤、脂质过氧化和抗氧化酶活性，来评估AgNPs环境转化后的条件依赖性生物效应。在此背景下，洋葱（Allium cepa）生物测定是一种敏感且广泛使用的工具，用于评估遗传毒性和氧化效应，因为它可以将细胞和生化改变与环境污染物（包括金属纳米材料）的暴露联系起来（Kumari等人，2009；Noori等人，2024；Palácio等人，2021）。

除评估AgNPs的行为和毒性外，还需要研究能够将其从水介质中去除并降低其残余毒性的技术。电凝聚已成为处理含金属和胶体颗粒废水的一种有前景的替代方案，因为它通过金属阳极的阳极溶解在原位产生混凝剂物种（Holt等人，2005；Mollah等人，2001）。使用铁电极时，形成的氢氧化物和氧氢氧化物可以促进水的失稳化、吸附、共沉淀以及从水相中去除污染物（Bazrafshan等人，2015；Hakizimana等人，2017）。本研究中选用电凝聚，因为AgNP分散液表现为其稳定性可被原位产生的混凝剂物种破坏的胶体系统。在使用铁电极进行电凝聚过程中，阳极溶解释放Fe2?/Fe3?物种，这些物种可水解并形成氢氧化铁和氧氢氧化铁。这些物种可能促进电荷中和、吸附、扫捕絮凝、共沉淀，以及含银颗粒态或溶解态物种的物理截留。因此，电凝聚特别适合评估含AgNP分散液中总银的去除，并确定这种去除是否伴随着遗传毒性和氧化应激响应的缓解。先前的研究已证明电凝聚去除不同稳定剂包被的AgNPs的可行性。然而，工艺效率可能取决于包被类型和所处理分散液的特性（Bortoli等人，2020）。

优化方法在水和废水处理研究中越来越常被使用，以识别在考虑操作约束（如能耗、试剂需求、电极消耗、传质和治疗成本）的同时最大化污染物去除的操作条件。在电凝聚系统中，施加电流和电解时间特别重要，因为它们直接影响混凝剂生成、电极溶解、能耗和治疗效率。基于中心复合设计的响应面方法学允许以较少的实验评估线性、二次和交互效应，并可以确定与最大响应相关的操作区域。因此，本研究采用两因素中心复合设计，在评估优化处理条件是否也能缓解洋葱中的遗传毒性和氧化应激响应之前，优化了从选定的含AgNP分散液中去除总银的过程（Tavakoli等人，2026；Yang等人，2026；You等人，2027）。

尽管在AgNP评估方面取得了进展，但仍需要进行将模拟环境条件下的胶体稳定性、测试生物体的遗传毒性和氧化应激响应以及处理技术效率整合在同一方法中的研究。这种整合之所以重要，是因为仅通过物理化学方法去除总银并不一定降低处理后介质的生物效应。因此，同时评估AgNPs的环境行为、其毒性以及处理后的响应，可能提供对这些纳米材料相关风险和缓解机会更为全面的理解。本研究的创新之处在于将聚合物依赖的胶体稳定性、条件依赖的生物响应和电凝聚辅助的缓解整合在同一实验框架中。而非将AgNP稳定性、毒性或处理性能作为孤立的终点进行评估，本工作通过首先比较PVA、PVP和CMC包被AgNPs在模拟环境条件下的表现，然后针对对环境最敏感的系统评估洋葱中的遗传毒性和氧化应激响应，最后确定优化的电凝聚是否降低了总银浓度和残余生物效应，从而将这些方面联系起来。

在此背景下，本研究旨在评估聚合物包被AgNPs在水介质中的环境行为、生物效应以及电凝聚辅助的缓解效果。具体目标为：

- 评估PVA、PVP和CMC包被AgNPs在模拟环境条件下的胶体稳定性，包括腐殖酸、盐、温度、pH值、曝气和辐射条件；
- 比较聚合物包被对AgNP稳定性的影响，并选择对环境最敏感的系统进行生物学评估；
- 研究暴露于经环境条件化处理的AgNP分散液后洋葱根部的DNA损伤、脂质过氧化和过氧化氢酶活性；
- 利用响应面方法学优化使用铁电极的电凝聚工艺，以从选定的含AgNP分散液中去除总银；以及
- 确定优化的电凝聚处理是否缓解了洋葱中残余的遗传毒性和氧化应激响应。

# 片段节选

## 试剂与聚合物包被银纳米颗粒的制备

聚合物包被银纳米颗粒通过以NaBH?化学还原AgNO?合成，使用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚乙烯醇（PVA）或羧甲基纤维素钠（CMC）作为稳定剂。该方法基于Lee和Meisel（1982）描述的程序，并对金属前驱体浓度和用于稳定胶体分散液的聚合物类型进行了适应性调整。

首先，配制了两种水溶液AgNO?溶液，分别标记为P1和P2。

## 聚合物包被AgNPs的合成与理化表征

PVA、PVP和CMC包被的AgNPs胶体分散液通过以NaBH?化学还原AgNO?获得，共得到六个实验系统：AgNP3-PVA、AgNP5-PVA、AgNP3-PVP、AgNP5-PVP、AgNP3-CMC和AgNP5-CMC。AgNPs的形成最初通过分散液的颜色变化来指示，并通过紫外-可见光谱中约400 nm处的表面等离子体共振吸收带来证实。这些结果仅用于合成的初步确认。

## 结论

聚合物包被AgNPs的环境行为受到稳定剂和水介质物理化学条件的强烈影响。CMC包被的AgNPs在模拟环境条件下表现出更大的胶体稳定性，而PVA包被的AgNPs对盐的添加、pH变化、氧化和辐射暴露更为敏感。这些发现证实，聚合物化学在AgNP稳定性中起着决定性作用，新合成的……

# CRediT作者贡献声明

Soraya Moreno Palácio：可视化、验证、监督、资源、项目管理、方法论、调查、经费获取、形式分析、概念化。Daieni Alves Vieira Amado：可视化、验证、软件、方法论、调查、形式分析、数据整理。Isabella Cristina Dall'Oglio：写作—审阅与编辑、可视化、验证。Camila de Oliveira Cardoso Nascimento：形式分析、数据整理。

Aparecido Nivaldo Módenes：撰写—资金支持

本工作由国家科学与技术发展委员会（CNPq）资助（拨款编号303729/2021–0和157356/2025–6），并由巴西高等教育人员提升协调办公室（CAPES）资助（财务代码001）。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢巴拉那州西部大学托莱多校区多用户分析中心（CAM/NBQ）提供TXRF光谱仪的使用权限及分析技术支援。

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