纳米材料的大规模产业化及广范围应用,导致其不可避免的释放到环境中,并受环境介质的影响而发生一系列物理、化学和生物转化过程,进而引起意想不到的环境健康风险。纳米氧化锌(ZnO NPs)和纳米二氧化钛(TiO2 NPs)分别作为典型可溶性和非可溶性纳米金属氧化物材料,已随其大规模生产与广范围应用而进入水环境中,并随时间推移发生不同程度的老化过程,使其生物有效性与毒性效应显著有别于“原始态”。然而,这种转化行为引发的相关毒理学效应及其细胞生物学机制研究仍旧较为匮乏。因此,本研究以人鼠杂交瘤(AL)细胞为研究模型,以线粒体和内质网为靶点,旨在探究ZnO NPs和TiO2 NPs水体老化过程中诱导毒性效应的变化,进一步揭示二者在水环境老化过程中的亚细胞作用靶点及其响应机制。通过对ZnO NPs和TiO2 NPs水体老化过程中诱导的毒性效应进行研究,我们发现可溶性ZnO NPs在水环境老化过程中发生复杂的理化性质转变,且这种转化行为在导致AL细胞的细胞毒性减弱的同时将诱导其遗传毒性显著增强,但该毒性效应与材料的粒径大小无关;而非可溶性TiO2 NPs在水体环境中仅团聚程度增加未发生其他理化性质转变,且TiO2 NPs呈粒径依赖性诱导哺乳动物细胞产生毒性效应,即粒径越大其诱导的细胞毒性越大而遗传毒性越小,但该毒性效应并未受到老化过程的影响。深入探究ZnO NPs和TiO2 NPs水体老化过程中诱导该毒性差异的细胞分子生物学机制发现,对于可溶性ZnO NPs而言,与原始态ZnO NPs通过诱导线粒体依赖的凋亡信号发生进而引发急性毒性效应不同,老化态ZnO NPs虽诱导AL细胞线粒体结构与功能的损伤效应较为微弱,但其诱导胞内ROS产生以及内质网应激效应(ER stress)显著增强。且ROS清除剂(DMSO,CAT和NaN3)以及ER stress抑制剂(4-PBA)均能够显著抑制老化态ZnO NPs的致突变效应。使用线粒体DNA缺陷型(ρ0)AL细胞进一步证明了线粒体与内质网是老化态ZnO NPs诱导遗传毒性的重要靶点,老化态ZnO NPs可通过诱导线粒体ROS进而激活ER stress从而诱导遗传毒性效应。对于非可溶性TiO2 NPs而言,原始态与老化态TiO2 NPs均能够在胞内累积,并呈粒径依赖性诱导线粒体功能障碍。小粒径原始态与老化态TiO2 NPs诱导遗传毒性显著升高与材料自身的小尺寸特性以及线粒体微弱的功能紊乱相关;而大粒径原始态与老化态TiO2 NPs通过造成线粒体功能障碍,诱导线粒体依赖的凋亡信号发生,诱发细胞毒性显著升高。通过运用ρ0 AL细胞,进一步证明了线粒体功能障碍与TiO2 NPs水体老化过程中粒径依赖性诱导的毒性效应密切相关。本研究为深层次阐述典型纳米金属氧化物水体老化过程中诱导遗传毒性效应中的亚细胞作用靶点及其调控机制提供新的研究基础和依据,对于更为全面、准确地研究和评价纳米金属氧化物潜在的环境和健康危害,促进纳米产业健康和可持续发展具有重要的理论意义。