毒理學納米材料環(huán)境毒理學研究進展課件

1、納米材料的環(huán)境毒理學研究進展納米材料的環(huán)境毒理學研究進展納米技術與納米材料納米材料進入環(huán)境的途徑納米材料的水環(huán)境行為納米材料可能的毒性機制納米材料水生態(tài)毒理效應的研究研究展望1.納米技術與納米材料納米技術概述： 納米技術是一個包括物理、化學、生物、工程以及電子過程和材料應用等為一體的多學科技術，包括生產(chǎn)、處理及應用粒徑在100 nm以內(nèi)的特殊材料納米材料。 納米材料粒徑非常小，處于原子簇和宏觀粒子交界的過渡區(qū)域。它和微米級的材料相比；具有非常大的比表面積和特殊的量子效應，這使其擁有了許多奇異的特性。 納米材料在電子、磁學、光學、生物醫(yī)學、藥學、化妝品、能源、傳感器、催化劑以及材料學等各個領域均

2、有廣泛的用途。1.納米技術與納米材料納米材料分類：（1）按顆粒形態(tài)： 納米管、納米線、納米晶體、量子點等。（2）按化學組成： 納米金屬、納米晶體、納米高分子和納米復合材料等。（3）按材料物性： 納米半導體、納米磁性材料、納米非線性光學材料和納米超導材料等。1.納米技術與納米材料納米材料的環(huán)境特性：（1）生物大分子的強烈結(jié)合性。（2）生態(tài)系統(tǒng)的潛在累積毒性。（3）多種污染物的組合復合性。（4）擴散和遷移的傳播廣闊性。2.納米材料進入環(huán)境的途徑納米材料進入環(huán)境的途徑： 納米材料可以通過多種途徑進入環(huán)境而成為納米污染物?？偟膩碚f，在研究、生產(chǎn)、運輸、使用及廢物處理等過程中的直接或間接釋放，是納米材料

3、進入環(huán)境的主要途徑。 （1）隨著近年來納米材料研究的廣泛興起以及生產(chǎn)納米材料的工廠在世界范圍內(nèi)的迅速增加， 工廠和實驗室的廢物排放是當前納米材料進入環(huán)境的重要途徑。2.納米材料進入環(huán)境的途徑納米材料進入環(huán)境的途徑： （2）與人們生活密切相關的納米產(chǎn)品的使用。如個人防護品(化妝品、遮光劑)、納米運動器材以及納米纖維等都可以通過在使用與處理等過程被釋放到環(huán)境。 （3）納米材料的環(huán)境直接釋放。如納米監(jiān)測系統(tǒng)(如傳感器)、 污染物控制和清除系統(tǒng)以及對土壤和水體的脫鹽處理等。目前己經(jīng)有多種納米材料用于環(huán)境治理， 當處理不當很可能造成環(huán)境二次污染。 3.納米材料的水環(huán)境行為 鑒于納米材料的特性及其潛在的環(huán)

4、境影響，納米材料一旦進入水環(huán)境，明確其在水環(huán)境中的行為是非常關鍵的問題，這直接關系到納米材料在水環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化、納米材料特性及毒性變化等。（1）團聚作用 納米材料的粒徑小、比表面積大、表面活性高，一旦進入水體就很難分散，極易發(fā)生團聚。 納米材料在水中的粒徑與其濃度相關，隨著濃度的提高粒徑增大。3.納米材料的水環(huán)境行為（2）吸附作用 一般來說，納米材料表面都帶有電荷，如納米TiO2的零電勢點為5.2，而天然水體的pH一般都高于此值，所以天然水體中納米TiO2。表面都帶有負電荷。另外，納米材料擁有大比表面積，在水中可以吸附多種類型的分子。（3）生物積蓄 生物降解與生物積蓄是相互聯(lián)系的，能在生物體

5、內(nèi)積蓄的納米材料一般不被生物降解，而目前生產(chǎn)的納米材料以不可生物降解的居多，所以納米材料在生物體內(nèi)的積蓄作用不可忽略。3.納米材料的水環(huán)境行為（4）納米材料與有機質(zhì)的相互作用 有機質(zhì)是天然水體中普遍存在的物質(zhì)，由于納米材料具有較強的吸附性能，所以存在于天然水體中的納米材料極有可能與其中的有機質(zhì)相互作用，從而改變納米材料本身的特性，進而影響到納米材料的水生態(tài)毒性。（5）納米材料的水環(huán)境微界面行為 由于較強的吸附作用，納米顆粒會富集在天然水體中的各種大顆粒物表面，組成微界面，且微界面的納米材料的濃度高于天然水體中的濃度，因此微界面上納米材料的水環(huán)境行為會更強烈。4.納米材料可能的毒性機制 細胞能夠

6、直接攝取納米顆粒，同時納米顆粒也可以直接穿透細胞膜進入細胞，這主要是由于納米材料粒徑小(比細胞小100010000倍)，并且有文獻表明，細胞對納米顆粒的攝取主要取決于其粒徑。這些被細胞攝取的納米顆粒一般都富集在細胞的特定部分(如線粒體)，位于細胞內(nèi)的納米顆粒能夠產(chǎn)生細胞內(nèi)毒性。 部分納米材料與光或紫外線一起暴露時，活性氧化自由基的產(chǎn)生速率明顯加快，納米材料的毒性明顯加強。5.納米材料水生態(tài)毒理效應的研究 人工制備的納米顆?？赏ㄟ^工業(yè)生產(chǎn)、納米產(chǎn)品分解、納米材料自組裝等途徑釋放到空氣中，并與空氣中的化學污染物、重金屬及各種細粒子結(jié)合，反應形成二次粒子來增強納米材料的毒性作用。有研究發(fā)現(xiàn)，多種納米

7、材料可以對受試動物造成明顯的毒理效應。 有許多研究表明：納米材料可以通過消化道、呼吸道及皮膚接觸等方式進入生物體，被生物體所攝取的納米顆粒不僅可以在生物體相應組織中沉積，而且可以通過血液循環(huán)等方式進入其他組織中。5.納米材料水生態(tài)毒理效應的研究對水生動物的毒理效應 水生動物對納米材料的攝取途徑主要包括通過攝食過程進入生物體內(nèi)和納米材料直接穿透表皮進入生物體。 納米TiO2顆粒會在虹鱒魚的消化道和鰓內(nèi)積蓄，并且通過消化道和表皮攝取的納米TiO2顆?？梢赞D(zhuǎn)運到其他的器官組織中。毒理學實驗表明，不管從細胞水平還是生物個體水平來看，納米材料對水生動物均有一定的毒性作用。 將黑鱸暴露于含0.5 mg/k

8、g可溶性納米C60的水溶液中，48 h后發(fā)現(xiàn)黑鱸出現(xiàn)了明顯的腦部脂質(zhì)過氧化損傷、鰓部總谷胱甘肽顯著下降及肝基因表達的改變。5.納米材料水生態(tài)毒理效應的研究對浮游植物的毒理效應 浮游植物作為水環(huán)境中重要的生產(chǎn)者，在整個水生態(tài)系統(tǒng)中占重要的地位，納米材料對浮游植物的毒害及浮游植物對納米顆粒的積蓄均能直接或間接地影響整個水生態(tài)系統(tǒng)。 納米C60為90mg/L時，對藻的生長速率的抑制大約為30，當藻與納米C60顆粒團聚體接觸時，會加速水體中其他污染物在藻細胞內(nèi)的富集。 將納米材料制成納米殺藻布，用于納米殺藻的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當納米殺藻布面積為0.08 cm2/mL、光照下處理24 h時，藻懸浮液中微囊

9、藻、魚腥藻、裸藻和衣藻的細胞密度分別下降了77.0、69.1、89.1和56.9，硅藻舟型藻的葉綠素下降了187(質(zhì)量分數(shù))。5.納米材料水生態(tài)毒理效應的研究對微生物的毒理效應 納米材料具有胞內(nèi)毒性，對微生物具有抑制殺滅作用，而且在實際應用中已將納米材料用于殺毒抗菌等方面。 納米顆粒懸浮液的滅菌活性隨著納米顆粒濃度的升高而加強；革蘭氏陽性菌對納米顆粒的敏感性要強于革蘭氏陰性菌，這可能與細胞膜的結(jié)構(gòu)及細胞的代謝方式相關。光照對部分納米材料的毒性作用也有一定的影響。 6.研究展望不足之處 現(xiàn)有的資料大部分都著重于研究納米材料對魚類的毒理效應，對于水生態(tài)系統(tǒng)中其他生物研究還很少，這限制了整體認識納米材料在