離子液體生態毒理研究進展

褚玲瓏，趙曉祥

東華大學環境科學與工程學院，上海 201620

離子液體(ionic liquids, ILs)是由離子組成的有機鹽，近室溫下呈現液態，也稱為室溫熔融鹽或低溫熔融鹽。離子液體具有諸多優良特性，如低蒸汽壓、不揮發、強導電性和高穩定性等，可溶解許多無機鹽和有機物[1-2]，被看作繼水和超臨界二氧化碳后又一大類“綠色溶劑”[3]。

離子液體在多領域均有應用，例如，在化學領域可以作為理想的分離提純溶液，被稱為“液體分子篩”[4]；在物理領域可以作為表面潤滑劑；在生物領域，研究發現含有六氟磷酸([PF6])的離子液體能顯著提升抗菌劑整體膜結構的抗菌能力[5]。除此之外，離子液體也可以應用于有機合成、納米技術和高分子材料等方面[6-7]。

由于離子液體的廣泛應用及其較高的水溶性，使其不可避免地進入到環境中[1,8]。離子液體化學穩定性和熱穩定性高，難以被降解，導致它在環境的積累和擴散，對生態系統具有潛在危害。目前存在有生物降解、毒性和腐蝕性等問題[9]。

近年來，有關離子液體的生態毒性研究不斷增多，涉及微生物、植物、動物、細胞及DNA等多方面，研究發現離子液體的潛在毒性可能會對生態環境造成影響。本文詳細闡述了離子液體的性質，并從多角度綜述其對生物的毒性作用及其毒性影響因素。探明不同結構的離子液體對生態環境的影響作用，一方面可以控制其使用和排放劑量，避免對各類生物和生態環境帶來危害；另一方面可以設計合成具有相同使用效果，但對生物毒性更低的離子液體。以期為離子液體的毒性評估、合理使用和設計合成提供有效參考，真正成為“綠色溶劑”，推動“綠色化學”發展。

1 離子液體的結構與性質(Structure and properties of ionic liquids)

離子液體由各種有機陽離子和有機或者無機陰離子組成，陰離子和陽離子種類多樣(表1)，其組合會更加多樣，因此在未來大量潛在的離子液體將會被設計開發出來[10]。了解離子液體結構和性質之間的特定關系，有利于我們用結構來調節離子液體的性質，以適應特定的需求和應用。

表1 常見組成離子液體(ILs)的陽離子與陰離子Table 1 Common cations and anions that form ionic liquids (ILs)

近年來，諸多研究對離子液體的物理和化學性質進行表征和預測[11-15]，發現離子液體的物理和化學性質，受陽離子和陰離子的性質和大小以及庫侖相互作用和范德華相互作用之間的平衡，以及氫鍵和π-π相互作用的影響[16-19]。這些研究結果對于選擇和設計特定應用的離子液體大有裨益。

一般情況下，離子液體普遍擁有較低的熔點[14-15,19]。不同結構的離子液體熔點不同，含有天然產物的離子液體具有較高的熔點，其中最低的熔點會在0 ℃以下[20]。陽離子和陰離子都會影響離子液體的熱穩定性[21-22]，其中陰離子的影響高于陽離子，含有鹵化物離子會大大降低其熱穩定性(<300 ℃)[23]。離子液體的黏度也可以控制和調節，受范德華作用和氫鍵的影響，隨烷基鏈延長、烷基鏈分叉或氟化作用的增加，離子液體的黏度會增加。當溫度略有升高或存在少量有機溶劑時，離子液體的黏度會降低[24]。此外，陰離子對離子液體的黏度有很大的影響[14,19,25-27]。離子液體蒸氣壓與離子的排列方式有關，每一個離子都被一個對稱的相反電荷殼包圍，使靜電自由能最小化[18]。除了以上這些性質與離子液體的結構有關之外，離子液體的密度和電導率則控制在一定范圍內變化，在室溫和一個大氣壓下，大多數離子液體的密度范圍為0.9～1.7 g·cm-3[18,25-30]，電導率范圍為1～100 mS·cm-1[19,28,31]。

2 離子液體的生態毒理研究(Ecotoxicology of ionic liquids)

2.1 離子液體對微生物的毒性(Toxicity of ionic liquids to microorganisms)

微生物在自然環境中無處不在，尤其是在土壤中，存在許多環境必需的微生物，一旦受到離子液體的污染，對于整個生態系統和食物鏈都會造成嚴重影響，因此大部分對微生物的毒性研究均集中于土壤微生物。離子液體會改變土壤中細菌群落結構[32-33]，抑制各類微生物的生長，影響生態環境中的穩態。對于不同結構的離子液體，其對于微生物的影響存在差異[34]，不同的陰離子和陽離子之間還會互相影響彼此的毒性效應[35]。

(1)土壤微生物

離子液體能夠被用作除草劑的溶劑，使用于土壤中，導致土壤受到離子液體污染。用作除草劑的離子液體(HILs)對農業土壤中本地細菌群落結構具有一定影響[36-37]。對經過HILs處理的土壤進行下一代測序，發現變形菌門均為優勢門，放線菌增加，擬桿菌門豐度顯著高于厚壁菌門豐度。離子液體會改變土壤微生物群落結構和多樣性[32-33]。1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽([Omim]PF6)6.0 mg·kg-1和8.0 mg·kg-1處理土壤后，Biolog-ECO板試驗的平均孔顯色(AWCD)低于其他處理，Biolog分析的多樣性指數顯著降低。采用實時聚合酶鏈反應(RT-PCR)測定氨氧化古菌(AOA-)和氨氧化細菌(AOB-)氨單加氧酶(amoA)基因的豐度，4.0、6.0和8.0 mg·kg-1處理中，AOA-和AOB- amoA基因豐度受到[Omim]PF6的抑制[38]。用1-丁基-3-甲基咪唑溴銨([C4mim]Br)、1-己基-3-甲基咪唑溴鹽([C6mim]Br)和1-癸基-3-甲基咪唑溴鹽([C10mim]Br)對褐土進行暴露試驗后，均導致可培養微生物豐度下降。離子液體暴露抑制脲酶活性，促進酸性磷酸酶和β-葡萄糖苷酶活性。土壤微生物多樣性和AOB-amoA和AOA-amoA基因的豐度顯著降低。通過綜合生物標志物反應(integrated biomarker response, IBR)指數的比較，離子液體對土壤微生物的毒性大小順序如下：[C10mim]Br>[C6mim]Br>[C4mim]Br。在所有收集的生物標志物中，AOA-amoA基因的豐度對離子液體的暴露是最敏感的，極易受到離子液體的影響[39]。

(2)費氏弧菌

除了土壤中的微生物之外，離子液體同樣也會抑制其他細菌的生長，其中費氏弧菌的相關研究較多。費氏弧菌是一類能夠發射可見熒光的細菌(發光細菌)，可以用作測定環境中毒物毒性的指標。

(3)其他

除了上述微生物之外，離子液體對于其他許多微生物均具有一定毒性[44]。在一定濃度下，所有離子液體對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌均有毒性，離子液體烷基鏈長度的增加與毒性的增加相對應，含吡啶陽離子的離子液體比含咪唑的同系列離子液體表現出更強的抑制作用[45]。具有短烷基側鏈的咪唑基離子液體，如[Emim]Cl和[Bmim]Cl對大多數微生物都是具有毒性的[44]。

2.2 離子液體對植物的毒性(Toxicity of ionic liquids to plants)

高等植物從土壤中吸收水分時，其根部可能存在暴露于離子液體中的風險，使其受到離子液體毒性的影響，而像藻類等低等植物，生長于水環境中，對離子液體毒性更加敏感。植物屬于食物鏈較為底層的生物，如果受到離子液體的污染，會通過生物富集和生物積累作用對整個生態系統產生嚴重影響，甚至危害到人類。

2.2.1 高等植物

在離子液體對高等植物的毒性研究中，以農作物作為實驗對象的報道較多。小麥和水稻是我國主要的糧食作物，并且在種植時需要大量的水，易遭受水中離子液體污染。蠶豆營養價值較高，富含蛋白質、糖、礦物質、維生素、鈣和鐵，是糧食作物和動物飼料，具有十分重要的價值，在我國種植廣泛，是世界上第三大重要的冬季食用豆作物。同時小麥、水稻和蠶豆可被加工成各式各樣的食物進入人體，因此它們發育的正常與否直接關系到人體健康。本文通過總結農作物、中藥植物及其他植物的離子液體毒性研究，分析其致毒機制，如圖1所示。

圖1 離子液體對高等植物毒性機理示意圖注：ROS表示活性氧自由基，ILs表示離子液體，H2O表示水，H2O2表示過氧化氫，CAT表示過氧化氫酶，POD表示過氧化物酶，SOD表示超氧化物歧化酶，MDA表示丙二醛。Fig. 1 Schematic diagram of ionic liquid toxicity to higher plantsNote: ROS stands for reactive oxygen free radical, ILs stands for ionic liquids, H2O stands for water, H2O2 stands for hydrogen peroxide, CAT stands for catalase, POD stands for peroxidase, SOD stands for superoxide dismutase, and MDA stands for malondialdehyde.

(1)農作物

離子液體會通過破壞細胞結構和抑制葉綠體生長來抑制農作物的生長，同時使農作物體內產生氧化應激[46]。不同陰離子、陽離子和烷基鏈長度的離子液體對農作物的毒性程度不同[47]。

數種離子液體對小麥幼苗顯示有毒性作用。使用3種不同陰離子的咪唑離子液體：1-辛基-3-甲基咪唑氯鹽([C8mim]Cl)、1-辛基-3-甲基咪唑溴鹽([C8mim]Br)和1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([C8mim]BF4)污染褐土后培養小麥幼苗，3種離子液體均對小麥幼苗生長有抑制作用，誘導活性氧(ROS)的產生，小麥幼苗遭受氧化應激[46]。[C8mim]Cl、[C8mim]Br和[C8mim]BF4暴露后使得小麥體內抗氧化酶活性增強，表明氧化損傷可能是離子液體對小麥產生毒性的主要潛在機制。Chen等[48]將5種離子液體加入小麥幼苗水培液中，發現隨著離子液體濃度的增加，小麥幼苗枝條和根系變短，干質量降低。處理組的小麥幼苗葉片抗氧化酶活性降低，丙二醛(MDA)含量升高。采用透射電子顯微鏡(TEM)觀察，發現離子液體對小麥細胞結構的影響程度與研究測定的其他指標的總體趨勢一致。離子液體通過擾亂植物代謝生理和改變細胞結構來影響植物的生長。不同陰離子的咪唑基離子液體的毒性程度不同。有學者將研究重點放在離子液體濃度范圍、陰離子種類和陽離子鏈長度對小麥幼苗毒性的影響[47]。發現離子液體對小麥種子生長有明顯的抑制作用，尤其是在濃度較高、含氟陰離子存在和陽離子烷基鏈長度較長的情況下。與非功能化類似物相比，氧功能化離子液體對小麥的毒性顯著降低。

離子液體處理會抑制水稻幼苗生長發育，并且隨著離子液體濃度的增加，水稻葉綠體的生長抑制率增加，光反應活性降低。葉綠體內超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)活性會隨離子液體濃度的增加先升高后降低，表明其對水稻生長及光合系統均有毒性[49]。有報道發現3種不同烷基鏈長度的咪唑離子液體([C2mim]Br、[C4mim]Br和[C8mim]Br)會在水稻幼苗中積累，主要集中在根部，而莖和葉中只有少量離子液體轉運和積累[50]。離子在水稻中的積累和轉運取決于離子液體的濃度和烷基鏈長度。根、莖、葉中離子液體含量隨烷基鏈長度的增加而降低。離子液體對水稻生長的毒性作用也與烷基鏈長度有關。不同離子液體均顯著提高了水稻組織中MDA的含量，降低了葉綠素含量。離子液體對水稻幼苗光合作用的影響，會導致水稻對有機物的合成減少，最終使水稻的產量下降。同時，累積在水稻中的離子液體，會隨著食物鏈進入人體，影響人體健康。

Liu等[51]研究了蠶豆幼苗受到土壤中1-癸基-3-甲基咪唑溴鹽([Demim]Br)、1-癸基-3-甲基咪唑氯鹽([Demim]Cl)和1-癸基-3-甲基咪唑硝酸鹽([Demim]NO3)毒性的影響。低濃度下(1、5和25 mg·kg-1)，離子液體對蠶豆幼苗生長影響不大；而50 mg·kg-1濃度下對幼苗的莖長、根長、干質量和色素含量均有顯著影響。同時，ROS水平也顯著升高，導致細胞脂質過氧化、DNA損傷和氧化損傷。3種咪唑離子液體(1-己基-3-甲基咪唑溴鹽、1-己基-3-甲基咪唑硝酸鹽和1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽)在0～2 500 mg·kg-1條件下對蠶豆生長有抑制作用，根據EC50值，[C6mim]BF4毒性最強[52]。在選定的離子液體濃度(0、1、10、100和500 mg·kg-1)下，測定10 d內蠶豆的生理指標。發現離子液體對蠶豆產生了氧化損傷，氧化應激可能是蠶豆中毒的主要潛在機制。此外，根據生理實驗數據，計算IBR來比較3種離子液體的毒性，其毒性順序為[C6mim]NO3<[C6mim]Br<[C6mim]BF4。

離子液體對于其他農作物的毒性也有報道。有學者研究了5種離子液體及其濃度變化對3種農作物發芽和生長狀況的影響[53]。就種子發芽這一生態毒理指標而言，不同作物對離子液體毒性的敏感程度不同，其次序為：黃瓜>玉米>白菜。在一定濃度下，離子液體對白菜、黃瓜和玉米均具有一定的毒害作用。對于所考察的5種離子液體，陰離子為鹵素的1-乙基-3-甲基咪唑溴鹽([Emim]Br)和1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽([Bmim]Cl)對植物發芽和生長的抑制作用遠大于陰離子為烷基硫酸酯和烷基磷酸酯的同類離子液體1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯鹽([Emim][ES])、1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯鹽([Emim][DEP])和1,3-二甲基咪唑磷酸二甲酯鹽([Mmim][DMP])。這種毒性順序可能與鹵素離子對細胞膜較強的穿透能力和由于離子液體的穩定性所造成的陰陽“離子對”的共遷移有關。在3種咪唑基離子液體([C4mim]Cl、[C4mim]BF4和[C8mim]Cl)對玉米幼苗生長性能和生化成分影響[54]的研究中發現，離子液體處理降低了種子的萌發率、根和枝的質量、葉面積、相對含水量和光合色素產量。隨著離子液體濃度的增加，玉米幼苗的抗氧化活性降低，因此在離子液體脅迫條件下，玉米幼苗不能有效地清除自由基，從而受到氧化損傷。當離子液體濃度從50 mg·L-1增加到350 mg·L-1時，酚類物質的含量有所增加。從丁基到辛基增加咪唑陽離子上的烷基鏈長度，會增強離子液體對玉米幼苗生長的危害。高濃度(250 mg·L-1和350 mg·L-1)的離子液體對玉米種子萌發和幼苗生長的危害大小依次為：[C4mim]BF4>[C8mim]Cl>[C4mim]Cl。

1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽([Bmim][PF6])和1-丁基-2,3-二甲基咪唑六氟磷酸鹽([BMmim][PF6])取代基數量的差異并不影響其對春大麥和蘿卜的毒性大小，對植物的根長和鮮質量抑制作用差異不大[55]，但蘿卜比春大麥對試驗離子液體的抗性更強。離子液體會導致植物體內所有同化色素含量降低，誘導氧化應激，表現為植物體內MDA含量升高，H2O2和抗氧化酶(SOD、CAT和POD)水平發生變化。2種植物氧化應激的最佳生物標志物是葉綠素含量的變化和POD活性的增加。[Bmim][PF6]和[BMmim][PF6]均使春大麥和蘿卜體內積累了大量的氟離子，進一步增加了對2種植物的毒性。另一研究中，隨著離子液體在土壤中的濃度不斷增加，春大麥和蘿卜幼苗表現出典型的植物毒性癥狀。2種植株的莖長和根長均顯著降低，鮮質量下降，干質量增加[56]。在春大麥中，對萌發的影響趨勢與小麥相同，但對幼苗生長的影響趨勢不同，醚基化離子液體的毒性更明顯，烷基化在N-3位置的咪唑原子會顯著降低陽離子的毒性[57]。

黑麥草作為各地普遍引種栽培的優良牧草，對于放牧業有重要意義。Habibul等[58]研究了不同烷基鏈長度(如[C2mim]+和[C8mim]+)的咪唑類離子液體對黑麥草的毒性。黑麥草能高效去除這2種離子液體，且[C2mim]+的吸收效率和積累量高于[C8mim]+，證實了植物對離子液體的同化作用取決于離子液體的烷烴鏈長度。同時，黑麥草吸收的離子液體滯留在根中，其從根向莖的轉移受到限制。[C8mim]+對黑麥草的生長抑制作用更強，說明離子液體的長烷基鏈對植物生長有負面影響。

(2)中藥植物

菘藍作為我國廣泛種植的中藥植物，暴露于離子液體中，將會影響菘藍發芽率，其鮮質量、干質量和希爾反應活性，隨離子液體濃度的增加而不斷降低，呈效應-劑量關系。通過透射電鏡觀察發現，細胞壁模糊，淀粉顆粒堆積，葉綠體結構受損。這些變化將影響菘藍的光系統Ⅱ的功能和電子傳遞效率。植物體內超氧陰離子積累刺激抗氧化酶(SOD、POD和CAT)活性，引起脂質過氧化，MDA含量增加。同時還降低了靛玉紅和總黃酮的含量，從而降低了板藍根的藥效作用。最后發現1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽([C4mim]Cl)毒性大于1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([C4mim]BF4)[59]。

(3)其他植物

擬南芥因為對毒物敏感、自花授粉易培養和基因高度純合，成為生態毒理研究的理想模式生物。因此，除了農作物和中藥植物之外，離子液體對于其他植物的毒性研究主要集中于擬南芥。離子液體不僅會通過破壞擬南芥的細胞結構、生化反應來抑制其生長，還會對其蛋白質表達產生影響。

Jin等[60]用3種離子液體([C8mim]Cl、1-癸基-3-甲基咪唑氯鹽([C10mim]Cl)和1-十二烷基-3-甲基咪唑氯鹽([C12mim]Cl))對擬南芥進行毒性機理研究。隨著離子液體濃度的升高和離子液體烷基鏈長度的延長，ROS水平升高，導致MDA含量和抗氧化酶(SOD、CAT、谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)和POD)活性升高。但高濃度的離子液體可降低SOD、CAT和GPX活性?；诨虮倔w論(GO)和KEGG通路分析差異表達蛋白，細胞醛代謝過程、線粒體和線粒體呼吸鏈、谷胱甘肽轉移酶和氧化還原酶活性以上調的方式富集，作為擬南芥抵御外界脅迫的防御機制。葉綠體、光合膜、類囊體、核糖體結構成分和跨膜轉運蛋白等均作為下調蛋白富集。代謝途徑、碳代謝、氨基酸生物合成、卟啉和葉綠素代謝均顯著下調。另一研究發現，這3種咪唑氯鹽離子液體還會對擬南芥生長和光系統產生影響[61]。根長、鮮質量、細胞膜透性和全株葉綠素含量均顯著受脅迫影響。擬南芥葉片背面發生葉脈清凈、葉褪綠和褐變現象，且呈劑量-效應關系。隨著烷基鏈長度的增加，[C8mim]Cl和[C10mim]Cl處理均影響光合系統Ⅱ(PSⅡ)的葉綠素熒光參數，阻礙電子轉移，破壞光化學能量轉換。[C12mim]Cl處理下新生葉片的葉綠素熒光無顯著變化，但對衰老葉片有嚴重影響。[C8mim]Cl、[C10mim]Cl和[C12mim]Cl處理的衰老葉片淀粉顆粒和嗜氧小球數量增多，體積增大，出現胞漿分解和葉綠體腫脹現象，而[C12mim]Cl處理的新生葉片未發生明顯損傷，可能是植物啟動自身保護機制的結果。除此之外，離子液體還會影響擬南芥幼苗根系向地性[62]。隨著離子液體[C6mim]Br濃度的增加，根系生長和重力響應受到顯著抑制。[C6mim]Br影響了根冠淀粉體的數量和分布，干擾了生長素外排載體PIN2和PIN3的部署，從而在重力刺激下削弱生長素流動，導致擬南芥幼苗根系向地性不足。

2.2.2 低等植物

由于藻類是淡水食物鏈中動物所需有機物的主要生產者，它們對于提供和維持其他較高營養水平的能量至關重要。藻類的生命周期很短，能對環境變化做出快速反應，且普遍存在，使其成為毒理學研究的理想生物。研究發現，離子液體會破壞藻細胞結構，影響細胞內的各種功能，抑制藻細胞增殖，使細胞產生氧化應激，最終導致藻細胞死亡，致毒機制如圖2所示。

(1)斜生柵藻

離子液體會對斜生柵藻的生長、光合色素含量、葉綠素熒光和細胞超微結構產生影響。3種不同甲基取代基的咪唑氯鹽離子液體(1-癸基咪唑氯鹽([C10im]Cl)、[C10mim]Cl和1-癸基-2,3-二甲基咪唑氯鹽([C10Dmim]Cl))處理顯著抑制了藻類的生長。葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素含量下降，影響了光合反應。PSⅡ的葉綠素熒光參數，包括最小熒光產量(F0)、PSII潛在效率(Fv/F0)、PSII光化學最大量子效率(Fv/Fm)、光化學量子產量(Y(Ⅱ))和非光化學猝滅系數(NPQ)均受到影響。這說明，離子液體可以破壞PSⅡ，抑制光合作用的初級反應，阻斷電子傳遞過程，導致散熱能力的喪失[63]。藻細胞的光合速率和呼吸速率也因離子液體處理而降低。[C10mim]Cl處理后，葉綠體腫脹和層狀結構基本消失，淀粉粒和液泡數量均增加。離子液體會增加其細胞膜通透性，對藻類細胞結構有破壞作用[64]。在研究中發現一甲基取代的離子液體的毒性大于非甲基取代的離子液體，非甲基取代的離子液體的毒性大于二甲基取代的離子液體[65]。離子液體會引起斜生柵藻的氧化應激反應[66]，ROS水平與離子液體濃度呈正相關。在離子液體處理下，抗氧化酶的活性以及抗壞血酸和谷胱甘肽的含量均發生了濃度依賴性的變化。脯氨酸積累量隨離子液體濃度的增加而增加。IBR指數分析表明，8種氧化應激反應指標的毒性順序為：[C10im]Cl<[C10Dmim]Cl<[C10mim]Cl。蛋白質組學分析表明，離子液體影響了斜生柵藻蛋白質的類型和分布，葉綠體和PSⅡ作為細胞組分受到影響。IBR指數和蛋白質組分析表明，氧化應激反應是離子液體應激的主要生物標志物之一。

有學者證實了1-烷基-3-甲基酒石酸咪唑等手性離子液體對斜生柵藻產生的對映選擇性氧化應激[67]。離子液體對藻類具有對映選擇性毒性，這種對映選擇性最初隨著碳鏈長度的增加而持續存在，但隨著碳鏈長度的增加而不再表現出來，是由于陽離子部分毒性權重的變化[68]。陽離子和陰離子會影響離子液體對斜生柵藻的毒性大小，咪唑類離子液體的生長抑制作用強于吡啶類離子液體，硝酸鹽類離子液體和溴化類離子液體的生長抑制作用強于氯類離子液體[69]。

(2)小球藻

1-烷基-3-甲基-咪唑氯鹽[Cnmim][Cl] (n=4,6,8)處理小球藻后，藻細胞增殖都受到抑制，但是藻類的細胞大小、復雜性和膜通透性都有所增加。四尾柵藻比小球藻對離子液體的敏感性更低，對離子液體表現出更好的抗性[70]。離子液體對小球藻的毒性隨烷基鏈長度的增加而增加[71]，而陰離子對其毒性影響不大。此外，葉綠素a含量和葉綠素熒光參數(Fv/Fm和ΦPSⅡ)的變化表明，離子液體均會破壞藻的光合系統，導致其光合效率降低?？扇苄缘鞍缀康脑黾雍涂寡趸富钚缘奶岣呖赡苁窃撛鍖﹄x子液體暴露的積極響應機制。當暴露于離子液體時，小球藻中MDA含量顯著增加，說明ROS在藻細胞中積累導致藻類生物膜和葉綠體的損傷[72]。2種不同陽離子型離子(1-己基-3-甲基吡啶氯離子([C6Py]Cl)和1-己基-3-甲基咪唑氯離子([C6mim]Cl))會引起小球藻細胞變形、質壁分解、細胞膜和細胞壁損傷，影響細胞器結構。隨著離子液體濃度的升高，ROS濃度升高，SOD和CAT活性先升高后降低，表明抗氧化防御系統被激活以對抗ROS。與[C6Py]Cl相比，[C6mim]Cl對小球藻的毒性更大[73]。

(3)羊角月牙藻

對比幾種離子液體和傳統有機溶劑對羊角月牙藻生長的影響，發現離子液體毒性與培養時間和其結構密切相關，培養時間增加會增加毒性作用。在測試的離子液體中，1-丁基-1-甲基吡咯溴鹽的毒性最小，其毒性水平與二甲基甲酰胺相似。盡管離子液體被認為是綠色溶劑，但一般來說，離子液體的毒性比所檢測的有機溶劑約大2個或4個數量級[74]。

(4)硅藻

離子液體對硅藻光合作用均有抑制作用，會使得硅藻葉綠素a含量顯著降低，PSⅡ反應中心受損，發生顯著的生理生化反應，以抵御離子液體對其的損傷作用。例如，可溶性蛋白質含量和SOD和CAT活性顯著增加，形成一個保護機制以應對離子液體的毒性[75-76]。陽離子和陰離子的種類會影響離子液體對硅藻的毒性。

2.3 離子液體對動物的毒性(Toxicity of ionic liquids to animals)

目前，在離子液體對動物的毒性研究方面，研究對象主要分為脊椎動物和無脊椎動物。前者包括斑馬魚、泥鰍、鰱魚、鯉魚和小鼠等；后者包括蚯蚓、家蠶、水蚤和尖膀胱螺[77]等。在眾多研究中發現，離子液體對動物的毒性主要體現在對其的生長、運動行為、發育和遺傳等具有不良影響。

2.3.1 離子液體對脊椎動物的毒性

(1)魚類

離子液體的高水溶性使其容易進入水體，對水生生物造成不利影響。魚類是水中最為常見的生物，同時也是食物鏈中重要的一環。離子液體對魚類的毒性大小受烷基鏈長度的影響較大。其對魚類的影響表現為損傷腸道和肝膽健康后，導致魚類攝食不規律并發生逃逸現象，存在致死和影響胚胎發育的毒性作用[78]。

斑馬魚和人類基因有著87%的高度同源性，這意味著其實驗結果大多數情況下適用于人體，可作為模式生物。在離子液體對斑馬魚的急性毒性研究中[79]，發現斑馬魚對離子液體具有較高的敏感性。在評估3種離子液體對斑馬魚的毒性時，發現斑馬魚暴露于離子液體28 d后，ROS和MDA含量增加，酶活性特別是SOD活性受到抑制[80]。離子液體的毒性隨著碳鏈長度的增加而增強，但斑馬魚暴露于不同陰離子處理組的50%致死濃度(LC50)值相近，即離子液體對其毒性相近。對1-乙基-3-甲基咪唑離子液體([C2mim]R, R=Cl, Br, BF4)和1-烷基-3-甲基咪唑溴鹽([Cnmim]Br,n=2,4,8,10,12)進行毒性研究[81]，發現烷基鏈的長度會影響上述離子液體對斑馬魚毒性大小，且影響作用大于陰離子。在利用死亡率(包括LC50)、致畸性、運動和神經毒性以及孵化率來研究離子液體對斑馬魚胚胎發育的潛在急性毒性[82]時，發現當氯化膽堿([Chol]Cl)的濃度達到200 mg·L-1時，[Chol]Cl對斑馬魚神經肌肉發育有顯著影響。除了模式生物魚之外，也有學者對鯉魚、鰱魚等食用魚以及孔雀魚等觀賞魚進行離子液體的毒理研究。Chang等[83]發現1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽([C8mim][PF6])可破壞普通鯉魚的腸道物理屏障、損害免疫屏障并改變腸道微生物群，對魚的腸道健康狀況會產生負面影響，可能對魚的健康構成嚴重風險。Ma等[84]用[C8mim]Br處理鰱魚后，顯著提高了鰱魚體內血清乳酸脫氫酶(LDH)、天冬氨酸轉氨酶(AST)、丙氨酸轉氨酶(ALT)、酸性磷酸酶(ACP)和堿性磷酸酶(AKP)活性，表明[C8mim]Br處理引起了鰱魚器官損傷。長期暴露還改變了魚腦、鰓、腸、腎、肝和肌肉中SOD、CAT活性和谷胱甘肽(GSH)水平，增加了MDA水平，可能導致了魚器官內的氧化應激。進一步研究發現，[C8mim]Br處理提高了紅霉素-N-去甲基化酶(ERND)和谷胱甘肽S-轉移酶(GST)的活性，這2種酶可能參與了[C8mim]Br在魚肝臟中的代謝。慢性[C8mim]Br暴露顯著促進了誘導型一氧化氮合酶(iNOS)、白細胞介素-1β(IL-1β)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和核因子-κB(NF-κB)的表達，并改變了轉化生長因子-β(TGF-β)的水平，表明離子液體可能導致魚肝臟炎癥。此外，還改變了魚肝臟中琥珀酸脫氫酶(SDH)活性，促進caspase-9和caspase-3的活性，表明慢性[C8mim]Br暴露也可通過線粒體途徑誘導肝細胞凋亡?？兹隔~在離子液體1-丁基-3-甲基咪唑溴化鹽中浸泡96 h后，體內的CAT、GST和SOD等抗氧化酶活性均隨離子液體濃度的增加而升高[85]。離子液體對魚類的致毒機制總結如圖3所示。

圖3 離子液體對魚類的毒性機理示意圖注：ROS表示活性氧自由基，ILs表示離子液體，MDA表示丙二醛。Fig. 3 Schematic diagram of ionic liquid toxicity to fishNote: ROS stands for reactive oxygen radical, ILs stands for ionic liquids, and MDA stands for malondialdehyde.

泥鰍在河底、田間和湖底等泥水混合物中生存，分布廣泛，屬于底層魚類，既會接觸水也會接觸土壤，有多重渠道接觸離子液體。研究表明[C8mim]Cl對泥鰍的胚胎發育四階段和仔魚期均具有毒性作用，[C8mim]Cl濃度越高，泥鰍畸形和死亡數目越多[86]。當研究[C8mim]Cl對其肝臟的氧化損傷效應時，發現各濃度組中ROS含量、脂質過氧化物(LPO)在染毒后顯著升高，隨著暴露時間的延長，谷丙轉氨酶(GPT)含量、谷胱甘肽還原酶(GR)活力顯著下降，表明[C8mim]Cl對泥鰍肝臟有明顯的氧化損傷效應[87]。燕帥國等[88]采用微核試驗，發現被1-十六烷基-3-甲基咪唑氯鹽([C16mim]Cl)處理過的實驗組，紅細胞微核率明顯升高；酶活性分析實驗中，發現離子液體可以提高血清中GPT和谷草轉氨酶(GOT)的活性。

(2)小鼠

離子液體對小鼠的毒性研究結果表明，離子液體主要對小鼠的腸道[89]、肝臟和腎臟[90]等器官造成損傷，進而導致小鼠的死亡。相關學者檢測了離子液體1-辛基-3-甲基咪唑(M8OI)毒性的靶器官，并確定其為引發肝病原發性膽管炎(PBC)的危險物質[90]。成年雄性C57Bl6小鼠通過2次腹腔注射(時間0和18 h)急性暴露于M8OI，并在24 h檢測其作用。終止時在腎臟中觀察到局灶性、輕灶性、多灶性和中度變性，隨著劑量的增加，其嚴重程度增加。在小鼠腎臟切片中觀察到損傷作用，腎臟切片積累的M8OI水平高于肝臟切片，肝臟切片中M8OI代謝明顯更活躍。這些數據表明，腹腔注射M8OI后的靶器官是腎臟。

2.3.2 離子液體對無脊椎動物的毒性

(1)蠶

蠶對于毒物十分敏感[91]，其毒性研究大部分集中于家蠶幼蟲，因為這直接關系著家蠶的產絲量和產絲品質。Gao等[92]以家蠶幼蟲作為一種新對象來評估離子液體的生物毒性。首先從3個家蠶品系中確定對離子液體最敏感的品種。其次用其幼蟲比較不同結構離子液體的毒性。離子液體對家蠶幼蟲的生長和發育有明顯毒性作用，[C8mim]Cl、1-辛基-3-甲基-吡啶氯鹽([C8mpy]Cl)和[C8mim]BF4的24 h幼蟲半數致死濃度(24 h-LC50)值為112.3、156.3和68.9 μg·g-1，說明陰離子和陽離子類型對離子的毒性有影響。最后觀察到，幼蟲不同組織發生了明顯的生理生化反應。如不同組織的SOD、CAT和POD活性顯著升高，形成了緩解離子液體毒性作用的主動保護機制。幼蟲MDA含量增加，表明離子液體可引起脂質過氧化和細胞損傷。離子液體[C8mim]Cl可引起家蠶幼蟲中腸和絲腺的顯著生理生化變化，最終導致幼蟲死亡。從分子水平研究這一致毒機制，發現可能是通過線粒體途徑和死亡受體啟動途徑來調控細胞凋亡[93]。

(2)蚯蚓

離子液體溶于水中，隨著地表徑流、地下徑流和降水等作用，部分進入土壤環境，從而對土壤中的動物產生影響。在眾多土壤生物中，蚯蚓因為易存活和對土壤環境敏感等優勢，成為了主要研究對象。離子液體會對蚯蚓的生理生化反應[94]和繁殖[95-96]產生影響，并具有一定的遺傳毒性。咪唑硝酸鹽離子液體([Cnmim]NO3(n=4,6,8,10,12))對蚯蚓(赤子愛勝蚓)具有亞慢性毒性[97]。蚯蚓表現出氧化應激和氧化損傷，同時存在烷基鏈效應和切斷效應(發生在C10)，且隨著濃度的增加，其毒性增強。通過蚯蚓來評價1-烷基-3-甲基咪唑溴化離子液體([Cnmim]Br (n=2,4,6,10,12))對陸地生態系統的毒性時[94]發現，1-乙基-3-甲基咪唑溴鹽([C2mim]Br)的毒性最低，隨著烷基長度的增加，[C10mim]Br毒性最高，在[C12mim]Br處存在切斷效應(毒性降低)。試驗結束時，對人工土壤中咪唑離子液體的分析表明，所選離子液體保持相對穩定，變化率<7.39%[97]，說明離子液體會在土壤環境中進行累積，難以降解。通過研究1-丁基-3-甲基-咪唑四氟硼酸鹽([C4mim]BF4)、[C8mim]BF4和[C8mim]Br對蚯蚓體內ROS含量、酶活性和MDA含量等的影響，進行3種離子液體的生態毒性和遺傳毒性評價，發現3種離子液體均可導致蚯蚓機體的氧化脅迫[95]。

(3)水蚤

水蚤生長水域范圍廣，數量多，是淡水食物鏈的重要組成部分。水蚤對于不同烷基鏈長度的離子液體具有不同的敏感程度，離子液體會影響水蚤的生理生化反應，同時對水蚤具有一定胚胎毒性。

當水蚤暴露于咪唑和膽堿離子液體(1-乙基-3-甲基咪唑氯鹽([C2mim]Cl)、1-十二烷基-3-甲基咪唑氯鹽([C12mim]Cl)和氯化膽堿([Chol]Cl))后，發現[C2mim]Cl和[C12mim]Cl是轉錄水平上毒性最小和最大的離子液體，表明烷基鏈是離子液體毒性的驅動因子。每種離子液體的獨特基因表達特征也可被識別，揭示其毒性的具體機制[98]。研究中發現，水蚤對[Cnmim]NO3(n=2,4,6,8,10,12)較為敏感[99]。急性毒性實驗中，[C6mim]Br暴露后水蚤發育異常，且呈濃度依賴性。[C6mim]Br在水蚤體內具有一定的胚胎毒性。在21 d的慢性暴露中，1.6 mg·L-1的暴露濃度導致水蚤成活率、蛻皮和第一窩數量顯著下降。1.6 mg·L-1濃度處理組子代總數顯著下降?？偟膩碚f，與對照組相比，所有實驗組后代的異常情況都顯著增加，[C6mim]Br會影響水蚤胚胎發育和繁殖[100]，實驗中未發現對性別分化的影響。咪唑(IM)、1-甲基咪唑(1MIM)、1-乙基-3-甲基-氯咪唑(1E3MIM)和1-丁基-3-甲基-氯咪唑(1B3MIM) 4種咪唑基離子液體會引起水蚤細胞內的氧化應激[101]。IM和1MIM具有中度慢性毒性，主要影響生殖參數。相反，1E3MIM和1B3MIM表現出更高的慢性毒性效應，導致與對照相比，暴露生物的死亡率顯著增加。1E3MIM和1B3MIM的慢性毒性作用在第4代副產品(BPs)中仍然顯著，而IM和1MIM的第2代BPs的慢性毒性作用已經可以忽略。離子液體及其BPs對水生生態系統有潛在的風險。

(4)其他

除了水蚤之外，水環境中其他無脊椎動物也會受到離子液體的影響。不同類型咪唑為基礎的離子液體會引起四膜蟲體內ROS水平升高，從而對四膜蟲造成損傷，而谷胱甘肽、半胱氨酸和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)則會清除ROS，達到解毒目的[102]。NADH的脫毒能力最強，其次是GSH和半胱氨酸。最后，RT-PCR結果顯示，金屬硫蛋白可能參與了離子液體的解毒。低濃度的咪唑基溴鹽離子液體對秀麗隱桿線蟲有毒性作用，對其生長、運動行為和發育均有不良影響[103]，導致ROS的產生和衰老相關基因的表達[104]。

2.4 離子液體對細胞的毒性(Cytotoxicity of ionic liquids)

離子液體對植物細胞具有毒性作用，例如，離子液體會改變洋蔥細胞分裂和核物質，說明離子液體在洋蔥遺傳水平上具有一定毒性。同時，離子液體對血液淋巴細胞具有基因毒性，證實了其可能對人體細胞具有毒性作用[105]，目前較多的研究集中于離子液體對人細胞(正常角質形成細胞HaCaT和肝細胞HepG2[106]以及人宮頸癌細胞Hela)的毒性?？偟膩碚f，離子液體會通過改變細胞膜的性質[107]來破壞細胞結構，引起氧化應激反應，抑制細胞生長，甚至導致細胞死亡[108]，具有一定遺傳毒性。

離子液體[TFSI]對HaCaT和人真皮成纖維細胞均產生了顯著的細胞毒性。[TFSI]的細胞毒性可與有毒的傳統有機溶劑二甲苯相當。熒光和流式細胞分析顯示，暴露于[TFSI]中的細胞發生了細胞死亡。[TFSI]增加了ROS的產生，降低了谷胱甘肽[109]，表明離子液體具有潛在的皮膚毒性[110]。

1-十六烷基-3-甲基咪唑氯鹽([C16min]Cl)會抑制HepG2生長，降低細胞活力；抑制SOD，降低谷胱甘肽含量，增加細胞MDA水平，并改變細胞周期。此外，[C16min]Cl的誘導改變了p53、Bax和Bcl-2的轉錄，說明[C16min]Cl會誘導HepG2細胞凋亡[111]。同時對Hela細胞也有類似致毒機制[112]，[C10mim]Cl暴露導致Hela細胞膜破裂，線粒體腫脹空泡化，細胞骨架結構呈球形，增加ROS的產生，降低線粒體膜電位，誘導細胞凋亡和細胞周期阻滯。誘導細胞膜結構損傷，影響細胞超微結構的完整性，引起氧化損傷，最終導致細胞增殖的抑制。在[C10mim]Cl處理的細胞中，觀察到生化信息的變化，包括不飽和脂肪酸和羰基與脂質、脂質與蛋白質的比值增加，酰胺Ⅰ與酰胺Ⅱ、α-螺旋與β-薄片的比值降低。[C10mim]Cl可影響膜脂烷基鏈結構和細胞膜流動性，促進脂質過氧化，改變蛋白質二級結構。膜結構是[C10mim]Cl誘導的細胞毒性的關鍵靶點，膜損傷與[C10mim]Cl誘導的細胞毒性有關[113]。[C8mim]Br暴露可改變HepG2細胞熱休克蛋白70(HSP70)和HSP90的蛋白水平，普遍抑制總抗氧化能力(T-AOC)，可誘導HepG2細胞的生化紊亂并引起氧化應激。[C8mim]Br誘導的細胞凋亡可能是通過線粒體途徑介導的。進一步研究發現，[C8mim]Br暴露增加了腫瘤壞死因子α(TNF-α)的轉錄和含量，促進了Fas和FasL的表達，TNF-α和Fas/FasL參與了[C8mim]Br誘導的細胞凋亡[114]。長烴鏈離子液體對HepG2有較強的不利作用。

離子液體引起的哺乳動物細胞死亡是由于它們改變了細胞膜結構的調節和物理性質[115]。另外在填埋場附近發現了具有不同水平的1-辛基-3-甲基咪唑(M8OI)的土壤，這可能引發人類的自身免疫性肝病[116]。

除了對人體細胞的毒性之外，有報道發現，離子液體對模型革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌(分別為蠟樣芽孢桿菌和大腸桿菌)具有細胞毒性作用。離子液體對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌表現出不同程度的毒性，由于離子液體與細胞膜之間的相互作用不同，離子液體對革蘭氏陽性細菌表現出更高的毒性[117]。

通過MTT細胞活力測定，獲得離子液體對HEK-293和C6細胞的細胞毒性數據。以四氟硼酸為陰離子的離子液體和以苯環為陽離子的離子液體相比，具有較強的毒性[118]。離子液體未直接抑制線粒體復合物Ⅰ～Ⅳ或復合物Ⅴ (F0F1-ATPase)。甲基咪唑離子液體具有線粒體電子受體的功能，很容易與線粒體內膜整合，并接受電子鏈上的電子，從而導致氧化應激[108]。

[C2mim]Br對草地貪夜蛾細胞的毒性作用與其結構、濃度和暴露時間長短有關。觀察到[C2mim]Br誘導的細胞凋亡的形態學特征，如細胞收縮、卷曲、凋亡小體、固縮和核碎裂等[119]。當離子液體含有長烷基鏈時，由于其較高的親脂性，細胞毒性更強[120]。

為了解離子液體在分子水平上的細胞毒性，Jing等[107]研究了離子液體與脂質雙分子層作為模型細胞膜的相互作用。離子液體可以通過插入和擾亂脂質雙分子層，末端覆蓋脂質雙分子層的疏水邊緣，并最終在高濃度下瓦解脂質雙分子層。離子液體的插入引起脂質雙分子層的腫脹，與離子液體的陽離子烷鏈和陰離子的疏水性有很強的依賴性，并與離子液體的細胞毒性有很強的相關性。

2.5 離子液體對酶的毒性(Toxicity of ionic liquids to enzymes)

酶作為生物催化劑，參與生物體內的許多化學反應，它們發揮著關鍵作用。離子液體對于酶的毒性表現在改變酶原本的結構，抑制其活性，使酶失去它的功能。

咪唑離子液體對脫氫酶活性具有抑制作用，且抑制作用隨著烷基取代基鏈長的增加而增加[121]。胰蛋白酶活性也會受到離子液體的抑制[122]，且抑制程度與離子液體的化學結構密切相關。初步分析表明，離子液體的疏水性是離子液體-胰蛋白酶(IL-trypsin)相互作用的驅動力之一。通過分析胰蛋白酶在離子液體存在下的熒光行為，得到了其熱力學參數、吉布斯自由能變化(ΔG)、焓變(ΔH)和熵變(ΔS)。ΔH和ΔS均表明，氫鍵是IL-trypsin相互作用的主要驅動力。評價離子液體的毒性時，應綜合考慮離子液體的氫鍵能力和疏水性[122]。另有學者報道了不同離子液體對南極假絲酵母脂肪酶(candida antarctica lipase)[123]、乳酸脫氫酶(LDH)[124]和乙酰膽堿酯酶(AChE)[125]酶活性的毒性效應。

2.6 離子液體對DNA的毒性(DNA toxicity of ionic liquids)

離子液體對DNA的毒性研究較少，目前有以斑馬魚肝細胞、蚯蚓細胞、渦蟲細胞以及HepG2細胞內的DNA為對象，進行離子液體毒性研究的實驗。awniczak 等[36]根據斑馬魚肝細胞中OTM值的大小判斷DNA損傷程度。發現暴露于3種離子液體中的斑馬魚的OTM值隨濃度和時間的增加而增加。但不是所有的離子液體的濃度都與OTM的值正相關，例如，[MOEmim]BF4濃度與DNA損傷之間沒有顯著的劑量效應關系。實驗組在第7天和第14天的OTM值與對照組相比略有升高。各實驗組的OTM值在第28天均有所增加，且高濃度處理組的OTM值大于低濃度處理組。綜上所述，離子液體對斑馬魚的DNA會產生不同程度損傷。還有學者用[C4mim]BF4、[C8mim]BF4和[C8mim]Br這3種離子液體對蚯蚓進行遺傳毒性研究，表明離子液體均可導致蚯蚓的體腔細胞DNA損傷[95]。除了動物之外，離子液體對于微生物的細胞DNA也會造成損傷，例如，[C8mim]Br會損傷渦蟲的DNA，對其也具有遺傳毒性[126]。同時，人體細胞中的DNA也不例外，[C16min]Cl會誘導HepG2中DNA損傷和凋亡[111]。

3 總結和展望(Summary and outlook)

本文在簡單介紹離子液體的結構與性質之后，闡述了不同種類的生物及其小分子結構，包括微生物(費氏弧菌等)、植物(小麥、水稻、蠶豆、擬南芥和藻類等)、動物(魚類、小鼠、蚯蚓和蠶等)、細胞(正常角質形成細胞HaCaT、肝細胞HepG、人宮頸癌細胞Hela和草地貪夜蛾細胞等)、酶(脫氫酶、胰蛋白酶等)和DNA暴露于不同種類的離子液體后，對其生物生長發育、遺傳繁殖、組織器官、細胞結構和生命小分子等產生的毒性效應。探明離子液體對生物的致毒機制，有利于合理安全地使用離子液體，避免離子液體對生態環境造成影響，使其真正成為“綠色溶劑”。

基于目前對于離子液體生態毒理的研究，未來離子液體在生物方面的研究可能會從小型、簡單的生物，向大型、復雜的生物發展。動物和植物還將是研究的主體，而細胞水平的研究將會隨著科技的進步越來越豐富和深入，創建環境友好離子液體毒理研究數據庫，完善該方面的研究。同時未來在研究離子液體毒理的基礎上，合理環保地開發和使用離子液體將成為一個新的研究熱點。