Surface Properties and Environmental
Transformations Controlling
the Bioaccumulation and Toxicity
of Cerium Oxide Nanoparticles: A Critical
Review
Guoxiang You, Jun Hou, Yi Xu, Lingzhan Miao, Yanhui Ao,
and Baoshan Xing
Contents
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
2 Physicochemical Properties of CNPs: Impact on Biosorption and Toxicity . . . . . . . . . . . . . . . 160
2.1 Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
2.2 Morphology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
2.3 Agglomeration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
2.4 Surface Charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
2.5 Coating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
2.6 Surface Oxidation State and Oxygen Vacancy (V o
ÁÁ ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
3 Phase Transformation of CNPs in Different Environmental Scenarios: Impact
on Bioaccumulation and Toxicity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
3.1 Speciation and Ecological Effect of CNPs in Aquatic Environments . . . . . . . . . . . . . . . 175
3.2 Transfer and Transformation of CNPs in Terrestrial System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
3.3 Uptake and Toxicity of CNPs Through Air Exposure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
4 Chemical Transformation of CNPs Core and Associated Effects on Toxicity . . . . . . . . . . . . 182
4.1 Reductive Dissolution of CNPs and Related Toxicity Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
4.2 Reaction of Ce with Phosphate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
4.3 Reaction of Ce with Sulfate/S
2À . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
4.4 Reaction of Ce with Ferrous Ions . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 189
5 Toxicity Mechanisms of CNPs Posed on the Organisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
5.1 Physical Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
5.2 Chemical Inhibition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
Guoxiang You and Jun Hou contributed equally to this work.
G. You · J. Hou (*) · Y. Xu · L. Miao · Y. Ao
Key Laboratory of Integrated Regulation and Resources Development on Shallow Lakes of
Ministry of Education, College of Environment, Hohai University, Nanjing, China
e-mail: hjyyouguoxiang@hhu.edu.cn; hjy_hj@hhu.edu.cn; lzmiao@hhu.edu.cn;
andyao@hhu.edu.cn
B. Xing (*)
Stockbridge School of Agriculture, University of Massachusetts, Amherst, MA, USA
e-mail: bx@umass.edu
© Springer Nature Switzerland AG 2020
P. de Voogt (ed.), Reviews of Environmental Contamination and Toxicology,
Volume 253, Reviews of Environmental Contamination and Toxicology Volume 253,
https://doi.org/10.1007/398_2020_42
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Transformations Controlling
the Bioaccumulation and Toxicity
of Cerium Oxide Nanoparticles: A Critical
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Guoxiang You, Jun Hou, Yi Xu, Lingzhan Miao, Yanhui Ao,
and Baoshan Xing
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1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
2 Physicochemical Properties of CNPs: Impact on Biosorption and Toxicity . . . . . . . . . . . . . . . 160
2.1 Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
2.2 Morphology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
2.3 Agglomeration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
2.4 Surface Charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
2.5 Coating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
2.6 Surface Oxidation State and Oxygen Vacancy (V o
ÁÁ ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
3 Phase Transformation of CNPs in Different Environmental Scenarios: Impact
on Bioaccumulation and Toxicity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
3.1 Speciation and Ecological Effect of CNPs in Aquatic Environments . . . . . . . . . . . . . . . 175
3.2 Transfer and Transformation of CNPs in Terrestrial System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
3.3 Uptake and Toxicity of CNPs Through Air Exposure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
4 Chemical Transformation of CNPs Core and Associated Effects on Toxicity . . . . . . . . . . . . 182
4.1 Reductive Dissolution of CNPs and Related Toxicity Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
4.2 Reaction of Ce with Phosphate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
4.3 Reaction of Ce with Sulfate/S
2À . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
4.4 Reaction of Ce with Ferrous Ions . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 189
5 Toxicity Mechanisms of CNPs Posed on the Organisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
5.1 Physical Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
5.2 Chemical Inhibition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
Guoxiang You and Jun Hou contributed equally to this work.
G. You · J. Hou (*) · Y. Xu · L. Miao · Y. Ao
Key Laboratory of Integrated Regulation and Resources Development on Shallow Lakes of
Ministry of Education, College of Environment, Hohai University, Nanjing, China
e-mail: hjyyouguoxiang@hhu.edu.cn; hjy_hj@hhu.edu.cn; lzmiao@hhu.edu.cn;
andyao@hhu.edu.cn
B. Xing (*)
Stockbridge School of Agriculture, University of Massachusetts, Amherst, MA, USA
e-mail: bx@umass.edu
© Springer Nature Switzerland AG 2020
P. de Voogt (ed.), Reviews of Environmental Contamination and Toxicology,
Volume 253, Reviews of Environmental Contamination and Toxicology Volume 253,
https://doi.org/10.1007/398_2020_42
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