综述：纳米悖论：应对纳米毒性，促进可持续农业、循环经济和可持续发展目标

本文聚焦纳米技术，探讨其在农业等领域的应用及纳米毒性问题。详细阐述了工程纳米材料（ENMs）的细胞和基因毒性机制、环境风险评估，提出多种缓解纳米毒性策略，旨在平衡其利弊，推动纳米技术可持续发展。

引言

从线性经济向循环经济（CE）转变的趋势愈发明显，循环经济基于可持续性原则，在实现联合国可持续发展目标（SDGs）中发挥着关键作用。到 2030 年，循环经济预计将带来 4.5 万亿美元的经济增长。然而，预计到 2050 年，全球 93 亿人口将需要粮食产量增加 60% ，发展中国家的产量需翻倍，其中仅谷物产量预计到 2050 年将增加近 10 亿吨。SDG2 聚焦可持续农业，强调通过创新技术实现粮食安全。

纳米技术在推进 SDGs、可持续农业和支持循环经济方面展现出巨大潜力。纳米材料（NMs）因独特的纳米级特性，在多个领域广泛应用，如农业中的纳米农药、纳米肥料，以及电子、能源等行业。欧洲联盟已将纳米技术视为满足全球粮食和能源需求的 “关键使能技术”。

不过，纳米材料的广泛应用引发了对纳米毒性的担忧。纳米材料可能对植物、人类健康和环境造成潜在危害，由此催生了 “纳米毒理学” 这一研究领域。纳米毒理学主要评估纳米材料的基因毒性、细胞毒性及其环境风险评估（ERA），对于确保纳米技术的安全应用至关重要。目前，虽然有相关法规对纳米材料安全进行监管，但仍需进一步完善风险评估体系123。

工程纳米材料进入生物系统的途径和运输

纳米材料进入植物的途径受其结构特征影响，可通过叶片、根部或种子萌发进入植物。在叶片方面，纳米颗粒可通过角质层或气孔吸收，小于 5nm 的颗粒能通过亲水和疏水通道扩散，较大颗粒则通过气孔进入并在表皮和维管组织积累。不同大小的纳米材料在植物体内运输途径不同，10 - 50nm 的纳米材料经共质体运输，50 - 200nm 的则经质外体运输。影响叶片吸收纳米材料的因素众多，包括应用方法、纳米材料的大小、浓度、气候以及叶片自身的形态和化学成分等45。

纳米材料进入植物根部时，先吸附在根表面，根毛释放的带负电物质会吸引带正电的纳米颗粒。纳米材料可通过小孔、内吞作用或与转运蛋白结合进入根组织，进入后经质外体或共质体途径运输。种子也能通过细胞间隙和子叶扩散吸收纳米材料。不同植物对纳米材料的吸收和转运存在差异，例如，带负电的碳点纳米材料在棉花和黄瓜中的转运效率高于带正电的同类材料6。

纳米材料进入人体主要有摄入、吸入和皮肤渗透三条途径。摄入后，纳米材料在胃肠道的吸收受其大小和化学成分影响；吸入时，不同大小的纳米颗粒会沉积在呼吸道的不同部位，小颗粒甚至可进入肺泡并进入血液循环；皮肤渗透方面，某些纳米材料可通过毛囊或受损皮肤进入人体，4nm 左右的纳米材料能穿透完整皮肤，而大于 45nm 的则只能透过受损皮肤。纳米材料进入细胞的机制包括直接扩散、内吞作用、通道和转运蛋白介导的运输、胞间连丝运输以及根分泌物促进的运输等7。

工程纳米材料的基因毒性

基因毒性指物质导致 DNA 损伤、引发染色体畸变和突变的能力。评估纳米材料基因毒性的体内和体外实验方法众多，如洋葱（Allium cepa）试验可检测染色体异常，艾姆斯（Ames）试验用于测试纳米材料诱导突变的潜力，彗星试验能量化 DNA 损伤，微核试验可评估染色体不稳定性和损伤。美国环境保护署（EPA）的 “基因 - 毒素” 计划对多种植物的标准基因毒性测试进行审查8910。

纳米材料诱导基因毒性的机制包括直接和间接两种。直接基因毒性源于纳米材料与 DNA 的物理相互作用，影响碱基配对、磷酸化等过程，导致 DNA 损伤。例如，银和二氧化钛纳米材料可引发 DNA 损伤和链断裂。间接基因毒性则是纳米材料与参与复制、转录等过程的核蛋白相互作用的结果。此外，纳米材料产生的活性氧（ROS）也是影响基因毒性的关键因素，ROS 可导致氧化应激，破坏细胞正常的氧化还原平衡，引发 DNA 损伤和细胞毒性。不同纳米材料对植物的基因毒性表现各异，如银纳米材料可诱导多种植物产生氧化应激和 DNA 损伤111213。

工程纳米材料的细胞毒性

纳米材料诱导的细胞毒性表现为细胞结构和过程的破坏。评估细胞毒性可采用体内和体外模型，植物模型可用于评估系统反应和器官特异性效应，此外还有计算机模拟等替代策略。

纳米材料进入细胞后，常与线粒体和叶绿体等细胞器相互作用，干扰氧化还原过程，引发氧化爆发，导致 ROS 水平升高。ROS 会影响细胞内多个细胞器，造成膜损伤、蛋白质修饰和 DNA 损伤。例如，银离子释放后会在细胞内积累，导致线粒体功能障碍，银纳米材料还会产生 ROS，进而损伤核酸和蛋白质，阻碍细胞增殖并导致细胞死亡。细胞会激活抗氧化机制来应对 ROS 的产生141516。

影响纳米毒理学结果的因素

纳米材料的物理（大小、形状）和化学（组成、电荷）性质对其细胞毒性影响显著。较小的纳米材料（1 - 10nm）因高比表面积更易进入细胞和细胞器，细胞内化和细胞毒性更强；纳米材料的形状也会影响其与细胞的相互作用，如非球形纳米材料的内化效率更高。表面电荷影响纳米材料的稳定性、与细胞膜的相互作用及细胞摄取，带正电的纳米材料通常毒性更强。表面功能化和表面涂层能改变纳米材料的理化性质和毒性，不同的表面稳定剂会使纳米材料表现出不同的毒性水平。此外，纳米材料的聚集和溶解行为也会影响其细胞相互作用和毒理学性质171819。

剂量 - 反应关系是纳米毒理学的关键因素，一般来说，较高剂量的纳米材料会产生更大的纳米毒性，但该关系可能呈现非线性。细胞和组织类型特异性也会导致纳米材料的细胞毒性存在差异，不同细胞的代谢特征、功能和防御机制不同，对纳米材料的反应也不同。纳米材料与其他化学物质、生物因素等的相互作用会产生协同或拮抗效应，影响其细胞毒性，例如，某些农药会改变纳米材料的基因毒性。此外，环境条件如酸碱度、光照等也会调制纳米材料的毒性202122。

生物冠和生态冠的形成对理解纳米毒性至关重要。生物冠是纳米材料与生物系统相互作用时，周围吸附的生物分子层；生态冠则是与环境成分相互作用形成的。它们的形成会影响纳米材料的稳定性、细胞摄取、细胞内分布和毒性。例如，在植物系统中，生物冠和生态冠的形成会改变纳米材料的生物活性和毒性。此外，纳米材料的表面原子排列也会影响其与生物系统的相互作用和纳米毒性，如二硫化钼（MoS₂）纳米片的表面原子排列不同，其毒性也有所差异2324。

植物中工程纳米材料的基因和细胞毒性

纳米材料在植物中的纳米毒性研究广泛，涉及多种纳米材料和植物物种。纳米肥料和纳米农药在农业中的应用已显示出基因和细胞毒性，其毒性受纳米材料浓度、暴露时间和大小等因素影响25。

银纳米材料可诱导多种植物产生氧化应激和 DNA 损伤，影响细胞分裂和根生长，还会导致染色体畸变和微核形成。金纳米材料在生物医学等领域应用广泛，但也对植物具有潜在基因毒性，可诱导 DNA 损伤和遗传突变。二氧化钛纳米材料虽广泛应用于消费品中，但其对植物的基因毒性也备受关注，不过在减轻其他污染物毒性方面有一定作用。氧化铜和铜纳米材料在水净化等领域有应用，对植物的花粉萌发和根生长等过程有影响，还具有基因和细胞毒性。氧化铁纳米材料的基因毒性呈浓度依赖性，在帮助植物应对干旱和镉毒性方面有一定作用。氧化铈纳米材料的毒性与其表面化学性质有关，表面 Ce³⁺含量影响其生物活性。氧化锌纳米材料在多个行业应用广泛，对植物的毒性研究表明，其在高剂量下会产生细胞毒性，影响光合作用和抗氧化效率等262728。

环境风险评估（ERA）和纳米毒性的缓解

评估纳米材料对生态系统的影响并确保其安全应用至关重要。纳米材料可在生产、使用和处置过程中进入环境，与生物群落和其他污染物相互作用，引发毒性反应。其毒性受生物累积潜力和环境持久性影响，还可能在环境中发生转化，影响食物链。例如，金属纳米材料在水生生态系统中会生物累积，干扰微生物过程。

评估纳米材料环境风险的方法包括现场或实验室测试、计算毒理学分析等。近年来，人工智能和机器学习的发展提升了纳米毒性的计算机评估能力。建立结构化的风险评估框架，结合实验数据、现场研究和计算模型，有助于提高 ERA 的效率。同时，开发生物累积数据库并将其与 ERA 框架整合，能为监管决策提供依据293031。

缓解纳米毒性的策略主要包括操纵表面化学和性质、控制离子释放动力学、使用抗氧化剂、激素介导的纳米毒性缓解、利用有机分子以及应用组学技术等。表面涂层可改变纳米材料的行为，降低毒性，但效果因多种因素而异。控制金属纳米材料的离子释放动力学有助于理解其生物相互作用和毒性。抗氧化剂可减轻纳米材料诱导的 ROS 产生，缓解纳米毒性。植物激素能调节植物对纳米材料的反应，减轻毒性。有机分子如查尔酮、腐殖酸等可降低纳米材料的毒性。组学技术为评估纳米毒性提供了多分子终点的平台，有助于揭示纳米材料与植物相互作用的复杂机制，但还需结合生物信息学工具提高数据的可比性和全面性323334。

结论

纳米技术为实现循环经济带来希望，但纳米毒性及其缓解方面的知识缺口仍是重大挑战。目前对纳米材料的细胞和基因毒性机制理解尚不完整，缺乏长期毒性研究数据，环境风险评估也有待加强。标准化测试程序和统一政策框架的制定进展缓慢，纳米材料在商业环境中的实地验证和长期实验也很必要。通过跨学科合作、公众参与和能力建设，有望平衡纳米技术的创新与安全，推动其对可持续发展的贡献3536。

未来展望

为降低纳米毒性风险，应在纳米材料的整个生命周期中实施 “设计安全” 原则。目前纳米毒理学评估主要依赖体外系统，未来需结合体内实验和计算机毒理学分析，以更好地理解纳米材料的系统效应。研究应重点关注识别潜在危害和敏感生物标志物、改进风险评估方法、设计低毒纳米材料以及建立纳米废物处理方法。全球毒性数据库有助于传播信息，促进统一监管。跨学科合作、持续监测和新兴技术的应用将推动纳米技术的可持续发展3738。