納米納米納米復(fù)合材料的生態(tài)學(xué)影響及毒性效應(yīng)

納米納米納米復(fù)合材料的生態(tài)學(xué)影響及毒性效應(yīng)

目前，納米技術(shù)在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展。納米材料在電子、磁性、光學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、護(hù)理、能源、傳感器、催化劑、材料科學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的用途（borm等人，2006）。預(yù)計(jì)2015年納米技術(shù)產(chǎn)品的市場價(jià)值將達(dá)到1萬億美元，員工數(shù)量將達(dá)到200萬人（羅科，2003）。隨著新納米材料的開發(fā)和上市，接觸納米材料和納米產(chǎn)品的機(jī)會顯著增加。納米技術(shù)的安全性已經(jīng)引起世界各國的關(guān)注。一些納米碳管（swcnt）可以通過多個(gè)動物器官組織獲得各種動物，如心、肝、脾、肺、腎、胃、腦、骨骼、肌肉、腸道、皮膚和血液（王等人，2004），鐵2-o3-glu納米顆粒也可以調(diào)節(jié)眼睛和腺體（劉蘭等人，2006）。納米顆?？梢源┩秆X屏障、血眼障和血睪丸障礙，這意味著納米顆?？梢源┩秆X屏障、血眼障和血睪丸障礙，并對身體的安全產(chǎn)生影響。根據(jù)現(xiàn)有的研究，納米可以影響細(xì)胞、亞細(xì)胞、遺傳、蛋白和一般動物的水平（gurr等人，2005；broyltal.，2005；hussiletal.，2005；dick等al.，2005；schubertal.，2006；berm截面等al.，2004；imeital.，2004；對于生物環(huán)境作為生命活動的基礎(chǔ)，它的重要性是顯而易見的。納米是否對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響是納米技術(shù)安全的一個(gè)非常重要的部分。1碳納米材料的分類納米技術(shù)(nanotechnology)是指至少有一維在納米(nanometer)尺度內(nèi)(1～100nm),通過操控原子、分子得到的具有納米尺度獨(dú)特性質(zhì)和功能的新結(jié)構(gòu)、裝置或系統(tǒng)的技術(shù)(Roco,2001).運(yùn)用納米技術(shù)制造出來的具有納米尺度特殊理化性質(zhì)(包括小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng))的物質(zhì)稱為納米材料(nanomaterial).納米材料的特殊理化性質(zhì)取決于它們的顆粒大小(表面積和表面分布)、化學(xué)構(gòu)成(純度、結(jié)晶型、帶電性等)、表面結(jié)構(gòu)(表面反應(yīng)性、表面基團(tuán),無機(jī)或有機(jī)包裹等)、溶解性、形狀和聚集性等(Neletal.,2006).納米材料從三維空間上可以分為一維、二維、三維3種,一維包括薄膜(thinfilms)和涂料(surfacecoatings)等,二維包括納米絲(nanowires)和納米碳管(nanotubes)等,三維包括納米析出物(precipitates),膠體(colloids),量子點(diǎn)(quantumdots)和納米晶體材料(nanocrystallinematerials)等.通常將三維都在納米尺度的納米材料稱為納米顆粒(nanoparticle)(TheRoyalSociety&TheRoyalAcademyofEngineering,2004).納米材料的奇異特性給我們帶來了巨大的開發(fā)利用價(jià)值,但是作為新技術(shù),安全性是影響其發(fā)展的重要問題.目前納米技術(shù)的生物安全性已受到世界各國的廣泛重視,美國、歐盟及日本都對該領(lǐng)域的研究投入了大量經(jīng)費(fèi),其中美國國家納米技術(shù)計(jì)劃(NNI)2006財(cái)政年度為環(huán)境健康和安全方面研究提供的資助高達(dá)3850萬美元,約占整個(gè)納米科技投入的4%,并計(jì)劃在今后幾年將這一比例提高到13%.2004～2005年美國環(huán)保局(EPA)對納米安全性的合計(jì)資助金額達(dá)到362萬美元,項(xiàng)目涉及內(nèi)容廣泛,主要包括資助氧化鋅納米顆粒的環(huán)境影響、納米技術(shù)對生物體及生態(tài)系統(tǒng)的影響、納米材料在水體中的遷移、轉(zhuǎn)化及毒性研究、光催化納米顆粒對細(xì)菌、藻類和浮游生物的慢性毒性研究等,另外,美國國家自然基金委(NSF)和EPA給普渡大學(xué)碳納米材料的環(huán)境轉(zhuǎn)歸項(xiàng)目提供了約200萬美元的資助,研究介質(zhì)包括所有類型的土壤和水體,主要觀察碳納米材料對細(xì)菌和真菌的毒性(Sissell,2004).盡管如此,目前可以獲得的有價(jià)值的信息仍然屈指可數(shù).2合成納米材料nmf納米物質(zhì)的來源十分廣泛,可分為自然產(chǎn)生和人工合成2大類,人工合成的納米物質(zhì)里又可分為無意識產(chǎn)生和有意識合成2種,具體來源見表1(Oberd!rsteretal.,2005),通常將有意識合成得到的具有特殊理化性質(zhì)的納米物質(zhì)才稱為人造納米材料(manufacturednanomaterial)或工程納米材料(engineerednanomaterial),它是納米技術(shù)的核心,也是我們關(guān)注的主要對象.3納米材料的環(huán)境釋放特性納米材料可以通過多種途徑進(jìn)入環(huán)境而成為納米污染物(nano-pollutants)(Tangetal.,2004),例如:1)納米藥物或基因載體系統(tǒng),雖然它并不直接用于環(huán)境,但是可以通過廢棄物排放而污染土壤和水體;2)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,盡管仍在試驗(yàn)階段,但目前已經(jīng)有多種納米材料在多個(gè)地方投放用于環(huán)境治理,至于納米材料的這種應(yīng)用是否會對生態(tài)環(huán)境造成不利影響及影響的程度如何,還有待研究;3)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(shí)驗(yàn)室的廢物排放也成為當(dāng)前納米材料進(jìn)入環(huán)境的重要途徑;4)與人們生活密切相關(guān)的納米產(chǎn)品,如個(gè)人防護(hù)品(化妝品、遮光劑)、納米運(yùn)動器材以及納米纖維等都可以通過使用或廢物處理等過程被釋放到環(huán)境.總的來說,研究、生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用及廢物處理等過程中的間接和直接釋放是納米材料進(jìn)入環(huán)境的主要途徑,但目前還不清楚這些過程的釋放程度.4環(huán)境納米污染物的共同特征鑒于納米材料的特殊理化性質(zhì)及其潛在的環(huán)境影響,一旦納米材料進(jìn)入環(huán)境,明確它的環(huán)境行為(environmentalbehavior)是非常關(guān)鍵的問題,包括納米材料在環(huán)境中的遷移、納米材料特性的改變以及毒性作用等.目前我們對這些方面還知之甚少,有限的資料主要來源于納米材料環(huán)境治理的相關(guān)研究(TheRoyalSociety&TheRoyalAcademyofEngineering,2004).Tang等(2004)將環(huán)境納米污染物的共同特征歸納為以下10點(diǎn):1)分子量和粒度的多分散性;2)化學(xué)官能團(tuán)的多樣多變性;3)形態(tài)結(jié)構(gòu)和形貌的序列性;4)反應(yīng)活性部位的各異相關(guān)性;5)電性與極性的顯著取向性;6)生物大分子的強(qiáng)烈結(jié)合性;7)生態(tài)系統(tǒng)的潛在累積毒性;8)微界面反應(yīng)的錯(cuò)綜復(fù)雜性;9)多種污染物的組合復(fù)合性;10)擴(kuò)散和遷移的傳播廣闊性,其中前5點(diǎn)為納米污染物的物理化學(xué)特征,后5點(diǎn)為環(huán)境生態(tài)特征,粗略概括了納米材料的環(huán)境行為.4.1對生物的吸附特性的影響納米材料在不同環(huán)境介質(zhì)中的遷移途徑不同,目前這方面可以獲得的資料非常有限,概括起來,主要有以下幾種途徑:分散(disperse)和聚集(congregate):由于納米材料的尺寸小,比表面積大,其表面缺少鄰近的配位原子,因而具有很高的活性,而正是這種高活性導(dǎo)致納米材料較難分散,極易發(fā)生聚集,尤其在水體環(huán)境中,如研究發(fā)現(xiàn)富勒烯易在水中聚集形成較大顆粒(Oberd!rster,2004).吸附(absorption):一般來說,兩性顆粒、具有電荷的顆粒以及粒徑較大的納米顆粒具有較強(qiáng)的吸附能力.多種類型的分子可以吸附到納米顆粒的表面,而被吸附的分子對納米顆粒的遷移與轉(zhuǎn)歸可能具有明顯的影響,如可大大增加被吸附分子的生物吸收;另外納米顆粒還可能通過吸附而成為某些物質(zhì)(如重金屬、農(nóng)藥等)的運(yùn)輸載體.生物吸收(bio-uptake)、生物蓄積(bioaccumulation)和生物降解(biodegrade):細(xì)胞可以通過內(nèi)吞作用(endocytosis)、膜滲透作用(membranepenetration)以及跨膜離子通道(transmembranechannels)幾種途徑吸收納米顆粒.納米材料一旦被生物吸收,可能會在生物體內(nèi)積累,并通過食物鏈進(jìn)一步富集,使得較高級生物體中納米材料的含量達(dá)到物理環(huán)境中的數(shù)百倍、數(shù)千倍甚至數(shù)百萬倍.生物蓄積依賴于納米材料的表面特性,這種特性決定了納米材料可能被脂肪組織、骨或體內(nèi)蛋白吸收(TheRoyalSociety&TheRoyalAcademyofEngineering,2004).例如在C60對黑鱸(Largemouthbass)的影響實(shí)驗(yàn)(Oberd!rster,2004)中,C60因?yàn)槭侵苄远妆恢窘M織吸收,在生物體內(nèi)蓄積而產(chǎn)生較大毒性.生物降解與生物蓄積是相互聯(lián)系的,較容易發(fā)生生物降解的納米材料生物蓄積的可能性比較小,而在生物體內(nèi)蓄積的納米材料一般不被生物降解,目前生產(chǎn)的納米材料以不可降解的居多,可降解納米材料正在研究之中.納米材料在大氣、土壤及水3種不同環(huán)境介質(zhì)中的遷移受多種因素的影響,不同的納米顆粒也可在環(huán)境中表現(xiàn)出不同的轉(zhuǎn)移行為,實(shí)驗(yàn)證明C60水溶性衍生物——富勒醇及表面活性劑分散的SWCNT較其他納米顆粒表現(xiàn)出較強(qiáng)的遷移性,而富勒烯遷移性較弱.納米氧化物顆粒的遷移對顆粒粒徑及化學(xué)成分具有較強(qiáng)的依賴性(Darnaultetal.,2005).縱觀3種環(huán)境介質(zhì),影響納米材料環(huán)境遷移的因素主要包括:1)顆粒粒徑;2)納米材料的高反應(yīng)性和吸附能力;3)聚集及解離程度;4)光催化和光降解的能力;5)土壤特性(pH、電荷及有機(jī)成份等);6)水體特性(pH、電荷及溶解能力等);7)影響沉積的各因素等.4.2納米材料表面特性.納米材料的粒徑大小、表面積、溶解性及表面基團(tuán)等特性對其毒性作用非常重要,這些特性的改變可能導(dǎo)致材料毒性較原納米材料變小或增大.納米材料的穩(wěn)定性依賴于材料是否會分解(例如氧化)或者在環(huán)境中被修飾而散失納米材料的特性(如聚集或粘附于其他材料).納米材料在不同環(huán)境中的分散性不同,聚集形成的大顆粒其表面積急劇變小,納米材料的表面特性可能會消失;水溶性C60和包被的SWCNTs可以穩(wěn)定地存在于鹽溶液、細(xì)胞培養(yǎng)液、再生硬水和MilliQ水中(Oberd!rsteretal.,2005).但是目前還缺少各種納米材料在不同環(huán)境中分散或聚集過程及程度的資料,有待進(jìn)一步研究.納米材料在不同介質(zhì)中的溶解性對其毒性的影響也較大,如未經(jīng)有機(jī)溶劑四氫呋喃(THF)處理的C60在淡水中的最高濃度僅為35mg·kg-1,而這一濃度并不能使實(shí)驗(yàn)無脊椎動物產(chǎn)生半數(shù)死亡(Oberd!rsteretal.,2006).表面基團(tuán)如重金屬也可以影響納米材料的親水性/疏水性、親脂性/疏脂性或催化特性(Neletal.,2006).4.3.微界面體系不可忽視納米材料在環(huán)境中的微界面行為.環(huán)境科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)大部分納米污染物都停留在較大顆粒物的表面,在此界面上進(jìn)行比溶液中更強(qiáng)的反應(yīng),從而對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響.環(huán)境中常見的微界面體系非常多,如水體中的懸浮物/地面水、大氣中的煙塵/空氣、土壤中的礦物顆粒/空氣、植物根系/土壤水、活性污泥/生活污水及超濾膜/工業(yè)廢水等.微界面是污染物遷移轉(zhuǎn)化過程中的重要載體和途徑,幾乎所有在溶液中進(jìn)行的反應(yīng)均可在微界面上進(jìn)行,而且界面往往具有催化反應(yīng)的作用.可以說微界面過程與納米污染物密切相關(guān),對納米材料的環(huán)境生態(tài)行為有著非常重要的影響(Tangetal.,2004).5本研究中對納米生態(tài)毒的研究進(jìn)入生態(tài)環(huán)境的納米材料可以在大氣、土壤及水體環(huán)境中遷移,與環(huán)境因素相互作用,通過食物鏈可對低級生物到高級生物產(chǎn)生不同程度的影響.5.1納米表面特性Yang等(2005)研究了鋁納米顆粒的植物毒性.研究者用根延長試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)未包被的鋁納米顆?？梢砸种朴衩?Zeamays)、黃瓜(Cucunissativua)、大豆(Glycinemax)、甘藍(lán)(Brassicaoleracer)和胡蘿卜(Daucuscarota)等5種植物根的延長,而包被有菲(Phen)的鋁納米顆?？梢燥@著減小這種抑制,原因是菲的包被破壞了納米顆粒表面本身具有的羥自由基,從而改變了納米表面特性.此研究結(jié)果表明表面特性對于顆粒毒性的大小非常重要.5.2納米銀顆粒tio2用于創(chuàng)傷敷料目前在納米材料的生態(tài)毒理學(xué)研究中,對微生物影響的研究相對較多.已有研究表明多種納米材料具有抗菌作用(Salmasoetal.,2004;Lyonetal.,2005;Loketal.,2006),納米材料的這種特性已得到廣泛應(yīng)用,如磁性納米顆粒已經(jīng)被用于水體除菌(Watsonetal.,2000),納米銀顆粒被用于創(chuàng)傷敷料.研究證明納米銀顆?？梢跃奂诖竽c桿菌(Escherichiacoli)的膜上使細(xì)胞壁凹陷,從而導(dǎo)致細(xì)胞膜滲透性改變,最終死亡(Sondietal.,2004).也有研究發(fā)現(xiàn),TiO2包被的多壁納米碳管(MWCNTs)經(jīng)紫外線照射后對細(xì)菌內(nèi)生芽孢的殺傷力明顯比單獨(dú)紫外線或者紫外線照射的TiO2要強(qiáng)(Lee,2005).除殺菌作用之外,納米TiO2包被的中空玻璃球可以抑制藍(lán)藻(cyanobacteria)和硅藻(diatoms)的光合作用,顯示納米材料在抑制海藻過度生長方面的應(yīng)用潛力(Kimetal.,2005).由于微生物在維持土壤及水生態(tài)平衡中發(fā)揮著重要作用,納米材料對生態(tài)平衡的破壞應(yīng)引起注意.一旦具有抗菌作用的納米材料進(jìn)入生態(tài)環(huán)境(如納米廢棄物或環(huán)境治理投放),是否會破壞正常微生物種群的生長而影響到整個(gè)生態(tài)環(huán)境的平衡,應(yīng)進(jìn)行更加深入的研究.5.3c60與tio2美國威斯康星州密爾沃基大學(xué)的Lovern和Klaper(2006)研究了納米TiO2(10～20nm)和C60(0.72nm)對水生模式生物大型溞(Daphniamagna)死亡的影響.將水蚤暴露于四氫呋喃(THF)過濾和超聲2種方法制備的各濃度納米材料水溶液中,分別于不同時(shí)間觀察納米材料對大型溞的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)THF過濾處理的TiO2和C60均可導(dǎo)致大型溞死亡,并呈劑量反應(yīng)關(guān)系.C60在較低濃度即顯示出較高毒性,說明C60比TiO2毒性更強(qiáng);超聲處理的各濃度納米TiO2和C60對大型溞的影響明顯比經(jīng)THF過濾處理的小,其中納米TiO2并未對水蚤產(chǎn)生明顯毒性作用,而C60雖可以引起大型溞死亡,但死亡率并不隨濃度的增大而升高,其原因可能是隨著C60濃度的增加材料的團(tuán)聚也明顯增多.從該研究結(jié)果可以看出粒徑、材料的制備途徑以及納米材料的團(tuán)聚對納米材料毒性的重要影響.ZhuSQ等(2006)用納米C60對大型溞的研究也發(fā)現(xiàn)THF處理較水?dāng)嚢杼幚淼募{米C60毒性更大(LC50分別為0.8mg·kg-1和>35mg·kg-1).ZhuY等(2006)研究了多壁納米碳管(MWCNTs)在單細(xì)胞原生動物貝尾棘蟲(Stylonychiamytilus)體內(nèi)的分布、定位及毒性作用,結(jié)果發(fā)現(xiàn)MWCNTs較容易被貝尾棘蟲攝入,并可在細(xì)胞水平自由分布、再分布及排出.當(dāng)MWCNTs濃度高于0.1mg·mL-1時(shí),貝尾棘蟲生長開始被抑制,出現(xiàn)滋養(yǎng)核及細(xì)胞外膜的損傷.電鏡超微結(jié)構(gòu)顯示MWCNTs僅定位于細(xì)胞線粒體中,提示滋養(yǎng)核、微核和細(xì)胞膜的損傷及生長受抑制可能是線粒體損傷所致.5.4c60對fhm活性的影響Oberd!rster等(2004)將黑鱸暴露于含0.5mg·kg-1可溶性C60的水以及不含C60的水中,48h后取黑鱸腦部組織分析發(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以及肝基因表達(dá)的改變.ZhuSQ等(2006)對成年雄性黑頭呆魚(Fatheadminnows,FHM)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)0.5mg·kg-1THF處理的C60在6～18h內(nèi)可引起100%FHM死亡,而經(jīng)水?dāng)嚢杼幚淼募{米C60組48h后仍未發(fā)現(xiàn)死亡.深入研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)水?dāng)嚢杼幚淼募{米C60組FHM大腦脂質(zhì)過氧化物(LPO)升高,而鰓LPO升高更加明顯,肝CYP2家族同工酶(CYP2K1,CYP2M1)表達(dá)明顯增強(qiáng).值得注意的是,該研究用四氫呋喃(THF)幫助C60溶解,而已有研究證實(shí),對于細(xì)菌(Fortneretal.,2005)、水蚤和黑頭呆魚(ZhuSQetal.,2006),THF處理的C60明顯比水?dāng)嚢杼幚淼腃60毒性要大.考慮到這一點(diǎn),Oberd!rster等(2006)只采用水?dāng)嚢杼幚矸ㄔ俅斡^察了C60的生態(tài)毒性.對無脊椎動物(淡水甲殼類生物大型溞和端足類甲殼動物Hyalellaazteca以及海洋小尺寸橈足類動物harpacticoidcopepod)和脊椎動物(黑頭呆魚Pimephalespromelas和日本青溞Oryziaslatipes)的研究發(fā)現(xiàn),C60并不能制備到足夠高的濃度而得到LC50,淡水和海水中C60的最高濃度分別為35mg·kg-1和22.5mg·kg-1.水蚤21天暴露后發(fā)現(xiàn)在C602.5mg·kg-1及5mg·kg-1濃度時(shí)出現(xiàn)了明顯的蛻皮(molting)延遲和子代數(shù)量減少.特別的是,該研究并未發(fā)現(xiàn)2種魚肝臟細(xì)胞色素P450酶系CYP1A、CYP2K1和CYP2M1的蛋白及mRNA水平改變,究其原因可能是各次實(shí)驗(yàn)的喂養(yǎng)方法、動物種屬和材料準(zhǔn)備方法的不同.雖然細(xì)胞色素P450酶水平?jīng)]有改變,但因?yàn)镃60暴露而產(chǎn)生的氧化損傷是存在的.研究發(fā)現(xiàn)FHM的過氧化物酶體脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白PMP70表達(dá)水平明顯降低,其后果是脂肪酸代謝和脂質(zhì)修復(fù)受抑制,氧化應(yīng)激增強(qiáng).這也說明肝CYP2家族同工酶并不是良好的C60暴露標(biāo)志物.6納米材料生態(tài)危害性評價(jià)研究自然環(huán)境又稱為自然生態(tài)系統(tǒng),由大氣、土壤及水(淡水及海水)3大生態(tài)系統(tǒng)組成,與人類的暴露不同,生態(tài)系統(tǒng)中可能受到納米材料影響的種群數(shù)量非常龐大,其后果可能是對個(gè)體、群體甚至是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的損傷或破壞.納米材料的生態(tài)危害性評價(jià)依賴于材料的物理化學(xué)特性和行為、暴露情況、在環(huán)境中存在的時(shí)間、環(huán)境轉(zhuǎn)歸、毒性(急性和長期毒性)、生物體內(nèi)穩(wěn)定性、生物蓄積及生物放大作用等(UKDEFRA,2005).由于多方面資料的缺少,我們目前還不能確定納米材料究竟對生態(tài)系統(tǒng)是否有不利影響及影響的程度,所以今后的努力方向仍是加強(qiáng)各方面的研究工作,主要內(nèi)容可包括:1)研究策略及評價(jià)方法:納米材料的特殊物理化學(xué)