纳米纳米纳米复合材料的环境行为及生态毒性

纳米纳米纳米复合材料的环境行为及生态毒性

纳米技术是近年来迅速发展的先进科技领域。它对材料、生命、信息、环境、能源、国家安全等应用具有广阔的前景。由于其尺寸小、结构特殊，纳米（）具有许多新的物理和化学特征，如小尺寸效应、大比表面效应、高反应活性和颗粒效应。强、硬、电导率、扩散率、磁化率、光学、微波吸收率等。纳米科学是世界上的三个主要科学（生命科学、信息科学和纳米科学）之一。然而,在广泛应用的同时,纳米材料不可避免地被释放到环境中,其潜在的负面影响不容忽视.国际著名学术刊物Nature和Science多次发表文章,讨论纳米技术与纳米材料对人体健康、生存环境等方面潜在的负面影响(Service,2003;Brumfiel,2003;Colvin,2003;Zhaoetal.,2006).纳米材料的安全性问题,日益受到世界各国政府的关注,相继投入大量资金开展纳米材料对健康和环境安全性评价的研究.目前相关的工作主要是通过鼠科动物实验、细胞培养来研究纳米材料的毒性(Fioritoetal.,2006;Cuietal.,2005;Jiaetal.,2005;Zhangetal.,2003;Chenetal.,2006),但纳米材料究竟如何进入环境及其在环境中的行为,却鲜有报道.纳米材料在环境(包括大气、水体和土壤)中的迁移、转化、归趋等复杂行为,以及对生态系统潜在的毒性效应,是全面评价纳米材料安全性的重要组成部分.本文针对纳米材料复杂的环境行为,分别从水体、大气和土壤3个方面进行了论述,并简述了纳米材料对环境中典型生物物种产生的毒性效应.1本研究中对纳米环境的影响1.1纳米材料的形成及其对环境的影响随着纳米科技的大规模产业化,纳米产品和副产品常常被不经任何处理地排入到水体(如排水沟、河流、湖泊、河口和沿海水体)中(Daughton,2004;Howard,2004),这些外源性物质的进入,有可能破坏水生生态系统原有的物质组成和结构,对正常生态系统产生潜在的负面影响.根据成分的不同,纳米材料可分为两种类型:1.亲脂性纳米材料,如富勒烯(nC60)和碳纳米管(WCNTS);2.亲水性纳米材料,如大多数无机和有机纳米材料(Oppenheim,1981;Briggeretal.,2002;Sayesetal.,2004).性质的差异使得不同纳米材料在水环境中具有不同的环境行为.因此,为了全面了解纳米材料在水体中的环境行为,需要从多个角度来加以分析:1.纳米材料的水动力学行为,其行为是否和那些较大的颗粒相似;2.纳米材料如何与较大的沉积颗粒和胶体材料发生相互作用;3.纳米材料是否会结合水体中存在的亲脂性污染物和金属污染物;4.纳米材料进入水体生物群落的途径;5.与化学污染物结合的纳米材料是否会增强其毒性;6.粒径大小和表面特性是否是决定水体中纳米材料毒性的重要因素;7.纳米材料暴露是否表明水生生物健康和水生生态系统完整性受到影响;8.纳米材料的模型通量和预测,是否有助于理解他们的实际环境行为,等等.一些研究者在实验室控制的条件下对上述问题进行了初步的探讨.Brant等(2005)研究了富勒烯在水中的聚集和沉降性质,发现相对弱的电解质溶液(0.001M)能够打破富勒烯溶液的平衡,使之形成可沉降的聚集体,且随离子强度增大,富勒烯在多孔介质中的沉积更严重.Fortner等(2005)研究发现C60在水中会形成纳米尺度(d=25～500nm)的稳定聚集体(nC60),nC60溶液可在较低的离子强度下(=<0.05I)稳定存在数月.此外,有报道称水溶性富勒烯和包覆的单壁碳纳米管(SWCNTs)在盐溶液(Chengetal.,2004;Warheitetal.,2004)、细胞培养介质(Sayesetal.,2005;Luetal.,2004)、重建硬水和Milli-Q水(Dieckmannetal.,2003;Oberd觟rster,2004)中是稳定的.这些较为矛盾的结果,预示了纳米材料在水体中行为的复杂性.在天然水体系中,纳米材料的行为可能会受到更多因素的影响.比如,在海水和河口环境中,海洋微表层对纳米材料环境行为的影响就不容忽视.在这个区域,纳米材料可在海洋沉积物、水体和空气间发生迁移和交换.海洋微表层和其所含有的酯类、碳氢化合物和蛋白质组分,可作为一种介质,包被那些亲脂性的纳米材料,如富勒烯或碳纳米纤维,无疑这种行为会影响纳米材料的行为以及他们在上表层生态系统中的生物可利用性(WurlandObbard,2004).并且,水体和海岸带的水动力学和形态学特征也会在很大程度上决定纳米材料的分布(Smedes,1994).对于人工纳米材料的环境行为,似乎可以利用自然界中已知的纳米或微米尺度颗粒(如沉积物颗粒、胶体、病毒和细菌等)的行为来加以预测,但实际上这方面的研究目前相对较少,在类推时存在很大的局限性.1.2聚苯乙烯纳米颗粒进入水体的纳米材料在水生生物体内的分布,始终是毒理学家关心的一个重要问题,这方面的研究对于正确理解纳米材料的生态毒性效应具有重要意义.Kashiwada(2006)发现聚苯乙烯纳米颗粒(39.4nm)能够进入青鳉鱼胚胎的卵黄和胆囊中,对于成年青鳉鱼而言,聚苯乙烯纳米颗粒主要蓄积在鳃和肠中,少量存在于在脑、性腺、肝和血中.张学治等(2006)发现纳米二氧化钛(DegussaP25)在鲤鱼体内有较高的富集速率和富集程度,富集程度大小依次为内脏>鳃>皮和鳞>肌肉.碳纳米材料(包括碳纳米管和C60)可大量富集在大型溞肠道内,导致肠道组织发生病变,甚至死亡(朱小山等,2008b;Robertsetal.,2007).纳米材料在水生生物体内的分布,在很大程度上依赖于纳米材料自身的物化性质以及水生生物的生理结构和功能.如碳纳米材料具有较大的表面积和亲电性,可在大型溞肠道内形成高致密度的聚合物而难以排出体外(袭著革和林治卿,2006).纳米材料可通过鳃、嗅球或体表进入水生生物体内,但其在体内的分布则因水生生物不同的生理结构而有较大差异(Moore,2006).1.3纳米对水生生物的毒性影响1.3.1其他海调因子的毒性作用碳纳米材料的水生态毒性效应中,目前研究最多的是富勒烯和碳纳米管.Oberd觟rster(2004)研究了胶体状富勒烯对淡水鱼类大口黑鲈(LargemouthBass)的毒性,发现0.5ppmnC60暴露可导致黑鲈脑、肝和鳃组织产生脂质过氧化损伤,鳃中总谷胱甘肽含量显著下降.Zhu等(2006)比较了四氢呋喃处理过的nC60(THF-nC60)和水搅拌处理的nC60(water-stirred-nC60)对大型溞(Daphiniamagna)和黑头呆鱼的急性毒性差异,发现THF-nC60对大型溞的48hLC50(0.8ppm)低于water-stirred-nC60的48hLC50(>35ppm),THF-nC60在6～18h内可引起全部受试黑头呆鱼死亡,而water-stirred-nC60暴露组48h后仍未发现死亡,但water-stirred-nC60可引起黑头呆鱼脑和鳃组织脂质过氧化产物(LPO)升高,肝CYP2家族同工酶(CYP2K1、CYP2M1)表达明显增强.此外,Oberd觟rster等(2006)利用多种典型水生态模式生物比较研究了C60的毒性,发现只经搅拌处理的nC60在淡水和海水中的最高浓度为35和22.5mg·kg-1,难以制备到足够高的浓度而得到LC50,21d暴露实验表明2.5和5mg·kg-1nC60能够延迟大型溞蜕皮时间和减少子代数量,nC60暴露不影响细胞色素P450酶mRNA和蛋白表达水平,但可明显降低黑头呆鱼过氧化物酶体脂质转运蛋白PMP70表达水平.Henry等(2007)发现THF-nC60能够降低斑马鱼幼鱼成活率,引起控制氧化损伤的基因表达上调,而water-stirred-nC6对斑马鱼幼鱼成活率没有影响.因此认为THF-nC60的毒性效应可能是由THF的氧化产物γ-丁内酯引起.朱小山等(2008a)发现长期低剂量C60暴露(0.04～1.0mg·L-1,30d)能导致鲫鱼脑、肝、鳃组织中还原型谷胱甘肽(GSH)含量显著降低,并能显著激活肝组织中过氧化氢酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)活性,以及鳃组织中Na+-K+-ATP酶活性.对于碳纳米管而言,Roberts等(2007)研究发现溶血性磷脂酰胆碱(Lysophophatidylcholine,LPC)包覆的水溶性单壁碳纳米管(LPC-SWNTs)可被大型溞通过正常的摄食行为所摄食,低浓度LPC-SWNTs不引起大型溞死亡,而10和20mg·L-1LPC-SWNTs可导致20%和100%大型溞死亡.Templeton等(2006)发现经电泳纯化的单壁碳纳米管对桡足类动物(Amphiascustenuiremis)的死亡率、发育和繁殖没有显著影响,但高浓度(10mg·L-1)未经纯化的单壁碳纳米管混合物则可显著增加死亡率,降低受精率和蜕皮成功率;纯化过程的副产品———可发荧光的纳米碳成分在高浓度(10mg·L-1)时也能够显著增大死亡率和降低蜕皮成功率.诸颖等(2006)发现高浓度碳纳米管能抑制贻贝棘尾虫细胞生长,并认为这是由于碳纳米管损伤了贻贝棘尾虫大核和膜的正常生理功能所致.朱小山等(2008b)发现单壁碳纳米管、多壁碳纳米管(MWCNTs)和C60水悬浮液对斜生栅藻生长的96h半数效应浓度(EC50)值分别为22.6、15.5、13.1mg·L-1,对大型溞活动抑制的48hEC50值分别为1.3、8.7、9.3mg·L-1,3种碳纳米材料的毒性大小与氯苯相似.上述研究表明,碳纳米材料会对多种水生生物产生不利影响,其毒性效应可能是由于产生氧化胁迫或自由基,造成脂质过氧化损伤并引起细胞膜破损,细胞正常功能丧失,进而引起细胞的死亡或凋亡(Oberd觟rster,2004;Xiaetal.,2006;朱小山等,2008a).碳纳米材料的毒性效应,除与其结构和组成有关外,还在一定程度上依赖于其悬浮液的制备方法(Zhuetal.,2006;Oberd觟rsteretal.,2006).另外,受试物种自身的生理结构和功能方面的差异,也造成他们对碳纳米材料毒性的敏感性不同.1.3.2金属纳米材料对水生生态系统的影响金属纳米材料在生产和生活中的应用非常广泛,其可能的生态毒性效应也引起了科学家的重视.Lovern和Klaper(2006)发现经THF过滤处理的纳米TiO2(10～20nm)可导致大型溞死亡,并呈剂量效应关系,超声处理的纳米TiO2(10～20nm)对大型溞的影响明显比经THF过滤处理的小,未对大型溞产生明显毒性作用.Adams等(2006)发现纳米TiO2、SiO2和ZnO能够抑制细菌(革兰氏阴性细菌Escherichiacoli、革兰氏阳性细菌Bacillussubtilis)和真核生物大型溞的生长,抗菌活性随纳米材料浓度增大而增大,抗菌活性依次是ZnO>TiO2>SiO2,并在光照和黑暗条件下均表现出显著的抗菌活性.Hund-Rinke和Simon(2006)发现纳米TiO2(25nm)对海藻(Desmodesmussubspicatus)的EC50值为44mg·L-1,并存在明显的浓度依赖效应,并且,纳米TiO2在紫外线照射前后会产生不同的毒性效应.Franklin等(2007)发现纳米ZnO对淡水微藻(P.Subcapitata)生长率的72h半数抑制浓度(IC50)为68μg·L-1,与大颗粒ZnO和ZnCl2获得的IC50没有显著差异.Griffitt等(2007)发现纳米铜(80nm)对斑马鱼会产生急性毒性,48h半数致死浓度(LC50)为1.5mg·L-1,鳃是纳米铜作用的主要靶器官.以上这些研究表明水体中的金属纳米材料会对水生生物产生不利影响.综上所述,当纳米材料被排放到水体中后,会对水生生态系统产生一定的毒性效应,毒性大小依赖于水体和纳米材料自身的理化特征,即纳米材料的粒径、表面特性、制备途径和处理过程以及纳米材料和水生态系统各组成成分间的相互作用等多种因素.2本研究中对纳米环境的影响与中毒的研究2.1纳米粒子的空气动力学行为大气中的纳米尺度物质,通常称为超细颗粒物(空气动力学直径<100nm),主要来源于工业排放的废气和交通污染.Wichmann等(2002)对德国城市Erfurt大气中的颗粒物进行了长达10年(从1991年到2000年)的连续监测,并对其粒径分布进行了仔细研究,发现城市大气中微米级颗粒物浓度逐年下降,而超细颗粒物浓度逐年上升(图1).到目前为止,对于纳米材料特别是人工的纳米材料在大气中的环境行为仍缺乏认识.纳米材料体积小、质量轻,能够长时间停留在大气中;被释放到大气中后,很快会被周围大气稀释而迅速扩散;除了浓度梯度,纳米材料的传输会受到空气运动(包括速度和方向)的影响,从而改变其稀释速率(BiswasandWu,2005;Utsunomiyaetal.,2004).研究表明,纳米材料的空气动力学行为遵循基本的扩散法则,粒径为5nm的纳米材料每纳秒内可发生820万次碰撞,每次碰撞都可能发生凝结和团聚,导致粒径变大,比如碳纳米管会团聚形成直径为20～50nm的纳米束或纳米线(Preining,1998).大气中的颗粒是否发生沉降,主要依赖于其粒径大小.对于较大颗粒而言,主要机制是惯性碰撞效应;而对于纳米尺度物质而言,主要受分子和湍流扩散、静电力和温度梯度热动力等因素的影响.在大气中,颗粒会通过浓缩和结晶过程长大,并随薄雾和雨水而沉降到地面.因此,纳米尺度物质可能会沉降到生物、土壤和自然水体中.需要注意的是,由于纳米材料(特别是人工纳米材料)具有特殊的理化特性,它与人们所熟悉的总悬浮颗粒物(TSP)、细颗粒物(PM)和超细颗粒物(UFPs)等在粒径、组成和媒介中的分布情况有着很大的不同,因此不能将上述颗粒的研究结果简单地外推到纳米材料上.2.2petinenetal.目前,对于大气环境中存在的天然纳米尺度物质,人们关注较多的是吸入这些纳米尺度物质(超细颗粒物)对人体健康的影响.流行病学研究表明,空气中的超细颗粒物与人群呼吸系统疾病、心血管病和死亡率存在显著的相关性.粒径在7～10nm范围内的超细颗粒物在人体呼吸系统内有很高的沉积率,粒径越小越难以被巨噬细胞清除,通过呼吸进入体内的超细颗粒物容易向肺组织以外的器官转移,且可以穿过血脑屏障进入大脑中(Petersetal.,2001;Penttinenetal.,2001;Popeetal.,1999).超细颗粒物与大气中有机和无机污染物质的相互作用,也是一个不容忽视的问题.超细颗粒物具有较大的比表面积,极易吸附大气中的有毒污染物(如多环芳烃等),被超细颗粒吸附的有毒污染物可进一步对生物体产生毒性效应(Xiaetal.,2004).尽管对纳米材料在大气中的行为尚不完全了解,但许多研究者在实验室可控条件下已对其毒性效应进行了研究.Oberd觟rster等(1994)发现肺泡巨噬细胞每天对20nm和250nm纳米TiO2的清除率分别为0.13%和0.6%,表明纳米材料尺度越小越难以被巨噬细胞清除.Bermudez等(2004)发现纳米TiO2(21nm)粉尘可在大鼠肺部沉积,导致肺巨噬细胞和嗜中粒细胞数量上升,肺部纤维化.Elder等(2006)和Wang等(2007)研究表明,纳米材料能够经嗅觉神经突触进入嗅球并迁移至大脑,引起中枢神经系统巨噬细胞炎性蛋白、胶质纤维酸性蛋白和神经细胞黏附分子mRNA水平升高,造成脑组织病理学损伤,产生神经毒性.Chen等(2008)发现吸入纳米SiO2可引起老年大鼠肺部炎症反应,心肌缺血性损伤,房室传导阻滞,纤维蛋白原浓度和血粘度升高等病理症状,但对幼年和成年大鼠没有影响.上述研究表明,纳米材料进入大气环境后,可通过呼吸作用进入生物体,进而对生物体产生一定的毒性效应.3通过研究纳米环境行为和土壤毒性3.1同环境质量与迁移能力的研究纳米材料可通过多种途径进入土壤中,如土壤和水体的修复,纳米肥料的使用等.目前,对纳米材料在土壤中的迁移、转化和归趋等环境行为了解很少.Lecoanet等(2004)研究了8种纳米材料在多孔介质中的迁移行为,这些多孔介质代表了地下蓄水层和水处理厂的过滤器等,结果表明这8种纳米材料在多孔介质中具有不同的传输行为:富勒烯簇(nC60)迁移能力很弱,而羟基化富勒烯(C60(OH)n)迁移率大大提高,纳米SiO2迁移能力较强.与之类似,Cheng等(2005)将nC60悬浮液通过土壤柱,观察了不同流速下nC60的流穿情况,结果表明在较高流速时,nC60较容易随水流移动,而当流速较小时,nC60则可能会滞留在局部.此外,Lecoanet和Wiesner(2004)研究了水流流速对纳米材料在多孔介质中迁移和沉积的影响,结果发现,尽管存在表面化学和尺度上的差异,但在较大流速时,羟基化富勒烯、富勒烯簇和单壁碳纳米管3种碳纳米物质均表现出相似的穿透行为,而金属氧化物纳米颗粒(SiO2和TiO2)则没有表现出相似的穿透行为.这些结果为研究纳米材料在土壤中的迁移行为和生物可利用性提供了有价值的参考.对于纳米材料在土壤中行为的认识,还可借鉴那些利用纳米材料治理土壤和地下水污染的相关研究(Schricketal.,2004;Caietal.,2003;汤鸿霄,2003).然而由于纳米材料在土壤中的存在形态在很大程度上依赖于土壤的理化性质,因此目前还没有合适的方法来检测土壤中纳米材料的环境行为.3.2纳米纳米材料与土壤微生物由于具有较大的比表面积,纳米材料易于被吸附在沉积物和土壤颗粒上并被固定(Lecoanetetal.,2004).这些固定的纳米材料可通过吞食、接触等发生生物转运,进而通过食物链在整个生态系统中蓄积(Oberd觟rsteretal.,2005).有报道表明,C60可蓄积在蚯蚓体内(Brumfiel,2003).Tong等(2007)通过测定土壤有机质、土壤呼吸作用、碳的矿化作用、氮循环和一些酶学(脱氢酶和脲酶)指标,研究了纳米材料对土壤微生物的影响,发现富勒烯对土壤微生物群落的结构和功能以及土壤微生物过程具有微弱影响.纳米材料对土壤生态系统的影响是一个值得关注的问题,但从总体来看,与水体和大气生态系统相比,纳米材料对土壤生态系