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银纳米材料形态依赖的毒性及其生态效应研究。系统评估了AgNSs、AgNCs、AgPLs三种形态对水体藻类C. vulgaris和S. obliquus的毒性机制，发现AgPLs在高浓度（5 mg/L）下对S. obliquus抑制率达76%，且具有最佳胶体稳定性（-23.07 mV）。低浓度（ng/L）下触发"低剂量刺激，高剂量抑制"的促激素效应，且细胞内银积累与形态及物种相关，S. obliquus敏感性高于C. vulgaris。研究揭示了形态-浓度-毒性关系，为纳米材料生态风险评估提供新依据。
魏宇|尚永昌|王振宇|杨月|张晨曦|邓宁灿|王凯轩|马婷|杨秀珍|徐淼|莫凡|李海波
东北大学资源与土木工程学院，中国沈阳，110819
摘要
银纳米粒子（AgNPs）的广泛应用导致它们不可避免地释放到淡水生态系统中，引发了生态方面的担忧。本研究通过化学合成方法制备了银纳米球（AgNSs）、银纳米立方体（AgNCs）和银纳米片（AgPLs），并探讨了这两种不同浓度（0–5 mg L?1 和 0–5000 ng L?1）下的AgNPs对两种藻类C. vulgaris和S. obliquus的形态依赖性生物毒性。结果表明，AgPLs的抑制作用最强：0.5 mg L?1的AgPLs使C. vulgaris的生长抑制了58%（比AgNSs/AgNCs高2.5–2.7倍）；5 mg L?1的AgPLs使S. obliquus的生长抑制了76%。透射电子显微镜（TEM）观察发现，AgPLs导致细胞内容物泄漏，AgNCs引起淀粉颗粒积累，而AgNSs仅破坏细胞壁。低浓度（ng L?1）的AgNPs对S. obliquus的叶绿素a表现出“低剂量刺激，高剂量抑制”的现象。AgPLs具有最高的胶体稳定性（ζ电位：?23.07 mV），且与细胞相关的Ag积累程度取决于其形态和藻种，其中S. obliquus比C. vulgaris更敏感。这些发现为AgNPs的毒性提供了数据支持，有助于通过考虑形态和物种特异性来进行生态风险评估。
引言
银纳米粒子（AgNPs）因其卓越的物理化学性质（如高抗菌活性、导电性）而在工业和消费品中得到广泛应用[1]、[2]、[3]、[4]。随着AgNPs生产和应用的指数级增长，它们通过工业排放、污水处理厂废水或产品降解不可避免地释放到淡水生态系统中，这引发了关于水生生态安全的重大担忧[5]。作为水生食物网中的初级生产者，淡水微藻（如C. vulgaris和S. obliquus）通过光合作用、养分循环和能量传递在维持生态平衡中起着关键作用[6]、[7]。因此，AgNPs对微藻的毒性不仅威胁其生存和生理功能，还会引发连锁的生态风险，使其成为评估工程纳米材料环境影响的重要指标[8]、[9]。
AgNPs对水生生物的毒性与其物理化学性质密切相关，包括粒径、表面电荷、表面修饰和形态[10]、[11]、[12]。其中，形态最近作为决定AgNPs环境行为和生物效应的关键因素受到了越来越多的关注[11]、[13]。然而，其在藻类毒性中的作用机制尚未完全阐明。先前的研究表明，不同形态的AgNPs具有不同的胶体稳定性、Ag+释放动力学和细胞内化效率[1]、[12]、[14]、[15]。这些因素直接影响了它们的生物利用度和毒性。例如，研究显示AgNPs通过氧化应激抑制了蓝细菌的生长[16]。然而，形态对这种毒性的影响尚未得到系统研究。Gottschalk等人（2009年）估计污水中的AgNPs环境浓度可达到127 ng L?1，但大多数现有研究集中在高浓度（mg L?1）暴露情景下，这可能无法准确反映现实世界的环境风险[17]、[18]。尽管有证据表明AgNPs对淡水微藻具有形态依赖性毒性，但大多数研究仅关注单一藻种或单一或多种浓度下的急性暴露，其中生长抑制占主导地位，剂量-反应关系大多是单调的[19]、[20]。值得注意的是，Deng等人（2022年）、Romero等人（2020年）和Zhou等人（2023年）系统地证明了AgNPs在ng L?1至mg L?1浓度范围内对C. vulgaris的形态依赖性毒性[21]、[22]、[23]。然而，这种高剂量情景可能无法充分代表实际环境暴露条件，也无法捕捉到低剂量下的潜在非线性生物反应。此外，关于这种“低剂量刺激，高剂量抑制”效应是否依赖于形态和物种特异性的系统研究也较为有限。尽管之前的研究（如Deng等人，2022年）报告了藻类对AgNPs的激素响应，但它们并未明确将这一现象与纳米粒子形态联系起来，也未比较不同物种之间的差异[21]。这阻碍了我们对AgNPs在多种暴露梯度下生态影响的全面理解。
相反，在淡水系统中越来越多地检测到与环境相关的AgNPs浓度（ng–μg L?1），在这种情况下可能发生慢性暴露、适应性反应和激素效应。特别重要的是，需要在mg L?1浓度下建立的依赖于形态的毒性模式是否在ng L?1浓度下仍然成立。此外，这些反应在不同细胞壁结构的藻种之间的差异尚不完全清楚。因此，目前缺乏系统性的研究，这些研究能够同时比较高浓度和环境现实低浓度范围内的多种AgNPs形态，并明确考虑物种特异性敏感性。这些因素阻碍了我们全面理解AgNPs在多种暴露梯度下的生态影响。
为了解决这些差距，本研究系统评估了三种代表性AgNPs对C. vulgaris FACHB-8和S. obliquus FACHB-417的形态依赖性生物毒性。具体而言，本研究旨在通过以下方式弥合急性毒性和环境相关性之间的差距：（i）比较mg L?1（急性）和ng L?1（环境相关）暴露范围内AgNPs的形态依赖性生长抑制；（ii）阐明亚细胞结构损伤和叶绿素a反应在不同暴露尺度上的差异；（iii）区分胶体稳定性和与细胞相关的Ag积累在驱动毒性中的作用；（iv）在相同暴露条件下直接对比C. vulgaris和S. obliquus的物种特异性敏感性和激素响应。本研究的结果有望为淡水生态系统中AgNPs的结构-活性关系提供新的见解，通过考虑形态和物种特异性来完善AgNPs的生态风险评估，并为设计更安全的工程纳米材料提供理论指导。
AgNPs的制备
本研究检测了三种形态的AgNPs：银纳米球（AgNSs）、银纳米立方体（AgNCs）和银纳米片（AgPLs）。这三种不同形态的AgNPs是通过化学还原法合成的，该方法的具体介绍如下[21]。
AgNPs的表征
使用多种分析技术对AgNPs的形态和组成特征进行了表征。SEM图像（图1a–c和图S2 a-c）显示了三种AgNPs形态之间的明显差异。AgNSs呈现球形几何结构，表面纹理均匀，粒径分布在50至80 nm之间[29]。AgNCs具有明确的立方体几何结构，边缘锐利，表面分布有许多小颗粒。
结论
总之，本研究探讨了AgPLs对C. vulgaris和S. obliquus的毒性。结果表明，AgPLs的毒性最强，其次是AgNCs和AgNSs。此外，S. obliquus的敏感性高于C. vulgaris，这可以归因于细胞壁结构和解毒能力的差异。
作者贡献声明
魏宇：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、项目协调、方法论设计、实验设计、数据分析、概念化。
尚永昌：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、项目协调、方法论设计、实验设计、数据分析、概念化。
王振宇：数据分析。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了关键技术研究与发展计划 [项目编号：2024YFC2909605]、沈阳科技计划项目 [项目编号：24-216-2-07]、中央高校基本科研业务费 [项目编号：N25BSS006] 和 [项目编号：N25ZLE003] 以及东北大学国家大学生创新创业培训计划 [项目编号：250052] 的支持。
