幾種人工納米材料的生態(tài)毒理學(xué)研究.pdf

1、納米技術(shù)被認為是下一次的工業(yè)革命，目前發(fā)展迅速，已引起全球范圍內(nèi)的科學(xué)技術(shù)、工業(yè)和農(nóng)業(yè)等發(fā)生革命性變革，將給人類社會帶來巨大的變化。而人工納米材料(Manufactured nanomaterials，以下簡稱MNMs)正是這一新興產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。由于MNMs具有許多優(yōu)良而又奇異的物理或化學(xué)性質(zhì)(例如由納米尺度所引起的尺寸效應(yīng)，量子效應(yīng)、巨大的表面效應(yīng)以及界面效應(yīng)等)，因而在醫(yī)藥，工業(yè)，建筑，染料、涂料、食品，化妝品和環(huán)保等產(chǎn)業(yè)中具有十分誘

2、人的前景，其產(chǎn)量越來越多，應(yīng)用越來越廣泛。但是，也正因為MNMs的這些奇異特性，及其日益增加的產(chǎn)量和應(yīng)用，人們擔(dān)心MNMs潛在的對環(huán)境、人體健康和社會的有害影響最終是否會超過他帶給人類社會的效益。 MNMs可能在其生命周期(生產(chǎn)、貯存、運輸、消費、處置或回收再生產(chǎn))中泄漏進入水體，造成水環(huán)境和沉積物的污染，導(dǎo)致對水生生態(tài)系統(tǒng)的污染脅迫，甚至可能通過食物鏈對人類健康產(chǎn)生潛在的危害。但遺憾的是，迄今為止有關(guān)納米材料水生生態(tài)毒理學(xué)的數(shù)

3、據(jù)仍極為匱乏?；谏鲜稣J識，為評價納米顆粒泄漏進入水環(huán)境后對水生生態(tài)系統(tǒng)可能造成的影響及其影響機制，確定其潛在的生態(tài)風(fēng)險，以便能及早采取相應(yīng)的風(fēng)險管理措施，本文以生態(tài)毒理學(xué)理論為基礎(chǔ)，從以下幾個方面進行了前瞻性的探索： 1．對傳統(tǒng)生態(tài)毒性測試方法進行修改，以應(yīng)用于人工納米材料的生態(tài)毒性測定，在此基礎(chǔ)上集中比較了2類6種人工納米材料(金屬氧化物納米顆粒：納米二氧化鈦nTiO<,2>、納米氧化鋅nZnO、納米氧化鋁nAl<,2>O<

4、,3>；碳納米顆粒：富勒烯C<,60>、單壁碳納米管SWCNTs和多壁碳納米管MWCNTs)對模式生物——斜生柵藻(Scenedesmus obliquus)和大型蚤(Daphnia magna)的毒性效應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)： (1)人工納米顆粒進入水環(huán)境后確實能產(chǎn)生一定的生態(tài)毒性。6種納米材料水懸浮液均能抑制斜生柵藻的生長，抑制大型蚤的活動，并導(dǎo)致大型蚤死亡。根據(jù)6種納米材料對斜生柵藻生長的96 h EC<,50>值，可排出其毒性大小

5、順序為：nZnO>C<,60>、nTiO<,2>、MWCNTs、SWCNTs>nAl<,2>O<,3>；而根據(jù)對大型蚤活動抑制的48 h EC<,50>值，可得到6種納米材料水懸浮液的毒性大小順序為：nZnO>SWCNTs>C<,60>、MWCNTs>nTiO<,2>>nAl<,2>O<,3>?？傮w而言，無論對大型蚤還是對斜生柵藻，nZnO的毒性均較其他納米材料大，對藻類有毒，對大型蚤為劇毒； 而nAl<,2>O<,3>則最小，

6、可認為基本無害或低毒；3種碳納米材料的毒性大致相當，對藻類有害，對大型蚤則是有毒，考慮到C<,60>在一定條件下能溶于水中形成穩(wěn)定的納米尺度懸浮聚合物，而且濃度高達20 mg/L以上，可認為是最有可能帶來環(huán)境風(fēng)險的碳納米材料形式。因此，可以考慮以nZnO和C<,60>作為金屬氧化物納米顆粒和碳納米材料的代表性種類，應(yīng)用于MNMs的生態(tài)毒理學(xué)研究。 (2)通過對現(xiàn)有的評價化學(xué)物質(zhì)生態(tài)毒性的標準方法/程序進行適當?shù)匦薷?，在使實驗體系

7、最優(yōu)化后，納米顆粒的生態(tài)毒性測定將是可能的。對藻類而言，人工納米材料可能遮蔽光，導(dǎo)致實驗體系內(nèi)實際光強下降而抑制藻類的生長?？赏ㄟ^降低光徑、減少溶液體積擴大受光面積、保持實驗體系處于紊流狀態(tài)等措施加以解決。 (3)實驗發(fā)現(xiàn)，納米顆粒對大型蚤的毒性大于其相對應(yīng)的大尺度物質(zhì)，推測大型蚤能更多地濾食納米顆粒以及納米顆粒本身更高的生物活性是造成上述毒性差異的原因。 2.在上述研究基礎(chǔ)上，采用生命早期發(fā)育階段技術(shù)，進一步研究了代表

8、性人工納米材料(nZnO納米顆粒)進入水體后形成的水懸浮液對斑馬魚(Danio rerio)魚卵和仔魚的發(fā)育毒性及其相關(guān)作用模式，結(jié)果發(fā)現(xiàn)： (1)nZnO納米顆粒進入水體后形成的水懸浮液對斑馬魚魚卵和仔魚具有顯著的發(fā)育毒性，并呈濃度依賴性和時間依賴性。nZnO水懸浮液對斑馬魚胚胎孵化率具有很高的毒性，84 h EC<,50>僅為1.174 mg/L，低濃度下即可造成胚胎發(fā)育延遲；nZnO水懸浮液暴露條件下，能導(dǎo)致斑馬魚胚胎一仔

9、魚發(fā)生心包囊水腫和血流障礙，最終導(dǎo)致斑馬魚胚胎或仔魚的死亡。 (2)在本實驗條件下，nZnO納米顆粒進入水環(huán)境中后形成的水懸浮液對斑馬魚魚卵和仔魚的發(fā)育毒性除了nZnO納米顆粒在水中溶出的自由鋅離子作用機制之外，還可能存在接觸毒性作用，即nZnO水懸浮液中的nZnO能通過某種途徑(如吸附或沉積等)到達斑馬魚受精卵的卵膜表面或仔魚機體表皮，引起細胞膜的損傷從而造成對斑馬魚的傷害。而氧自由基的檢測結(jié)果表明，nZnO水懸浮液中氧自由基

10、的生成并不是nZnO水懸浮液對斑馬魚魚卵和仔魚產(chǎn)生發(fā)育毒性的主要途徑。 3.本文還研究了代表性碳納米材料C<,60>納米顆粒進入水體后形成的水懸浮液(nC<,60>)對斑馬魚魚卵和仔魚的發(fā)育毒性及其相關(guān)毒性機制，結(jié)果發(fā)現(xiàn)： (1)nC<,60>的制備過程以及nC<,60>本身的結(jié)構(gòu)能影響其潛在生物毒性。38mg/LnC<,60>/toluene(以甲苯toluene為助溶劑)、5.0mg/L nC<,60>/aq(經(jīng)長時

11、間攪拌制備，無任何添加劑)和50 mg/L C<,60>(OH)<,16-18>(C<,60>水溶性衍生物)都沒有對斑馬魚胚胎發(fā)育產(chǎn)生毒性。而低濃度的nC<,60>/TTA(以甲苯toluene，四氫呋喃THF和丙酮acetone為助溶劑)不僅能造成胚胎或幼魚發(fā)育的延遲，存活率和孵化率的下降，甚至能造成部分斑馬魚心包囊水腫和畸形，其96h LC<,50>僅為2.561 mg/L。 (2)進一步的研究表明，nC<,60>/TTA可

12、能通過產(chǎn)生ROS攻擊生物體引起氧化傷害的途徑作用于斑馬魚胚胎(仔魚)發(fā)育過程，引發(fā)發(fā)育毒性。nC<,60>/TTA和nC<,60>/aq實驗溶液中均檢測到超氧陰離子自由基的生成，并且nC<,60>/TTA實驗溶液中的含量遠大于nC<,60>/aq實驗溶液。nC<,60>/TTA的暴露能導(dǎo)致斑馬魚仔魚超氧化物歧化酶(SOD)發(fā)生氧化應(yīng)激，當濃度≥0.670mg/L時，SOD活性下降，丙二醛(MDA)含量繼續(xù)上升，表明機體抗氧化系統(tǒng)防御功能

13、已經(jīng)衰竭。nC<,60>/aq的暴露同樣能導(dǎo)致斑馬魚仔魚SOD活性顯著增加(p<0.05)，發(fā)生氧化應(yīng)激。加入抗氧化劑(維生素C，VC)后能明顯減緩nC<,60>/TTA和nC<,60>/aq對斑馬魚胚胎的發(fā)育毒性。表明，nC<,60>/TTA的發(fā)育毒性存在氧自由基的作用機制。 4.實際環(huán)境中的暴露水平通常較低，低劑量長期暴露的研究結(jié)果將能更真實地反映生物的暴露狀況。因此，本文進～步研究低劑量(0.04～1.0 mg/L)C<,

14、60>納米顆粒長期(32 days)暴露對水生生物(鯽魚，Carassius auratus)生長和生理生化的影響，結(jié)果表明： (1)1mg/L nC<,60>/aq長期曝露下鯽魚幼魚的全長和體重顯著小于對照。 (2)鯽魚幼魚不同組織對nC<,60>/aq暴露脅迫的應(yīng)激方式各異，抗氧化能力也不同。腦組織中主要的解毒物質(zhì)是還原型谷胱甘肽(GSH)，隨暴露濃度的增加GSH含量不斷降低，而其他指標沒有顯著變化。肝臟組織中，SO

15、D、過氧化氫酶(CAT)、Na<'+>-K<'+>-ATPase活性和GSH含量均對低劑量nC<,60>/AQ (0.04mg/L)暴露產(chǎn)生明顯的響應(yīng)，表明肝臟可能是nC<,60>/aq毒性作用的重要靶器官之一。鰓組織中Na<'+>-K<'+>-ATPase酶活性被顯著激活，表明鰓組織細胞膜受到損傷，鰓組織可能是魚體最先受到傷害的部位。值得注意的是，各實驗組(0.04～1.0 mg/L)中鯽魚幼魚不同組織中的GSH含量都發(fā)生顯著降低，而

16、肝臟組織中CAT和SOD活性均顯著激活，提示長期暴露引起機體組織的氧化應(yīng)激，可能是nC<,60>/aq的致毒機制之一。 (3)機體自穩(wěn)態(tài)是正常生理功能的標志，也是機體健康的必須條件。鰓組織中Na<'+>-K<'+>-ATP酶活性被顯著激活，同時GSH含量的不斷消耗，表明組織內(nèi)抗氧化防御功能的衰竭，導(dǎo)致膜的損傷，細胞內(nèi)平衡被打破。進一步表明，低劑量nC<,60>/aq長期污染脅迫下，體外和體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生及其氧化損傷可能是nC<,

17、60>/aq致毒的重要路徑。從上述結(jié)果可知，人工納米材料進入水環(huán)境后，在一定條件下能對包括浮游植物、浮游動物和游泳生物在內(nèi)的水生生物產(chǎn)生顯著的急性和慢性傷害，表現(xiàn)出明顯的生態(tài)毒理效應(yīng)，其水生生態(tài)毒性可能與其本身的性質(zhì)(如粒徑、光敏性、高表面積和反應(yīng)活性等)有關(guān)，同時也依賴于所用的測試生物及其相關(guān)生理學(xué)(如生物自身的生理構(gòu)造、功能和敏感性等)。有關(guān)MNMs對環(huán)境和人類安全性的問題已引起各個領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的廣泛爭論，本文的結(jié)果表明人工納米材料