纳米材料的环境毒理学研究进展 (1).pdf

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1、第 34卷第 11期2009年 11月环境科学与管理ENVIRONMENTAL SCIENCE AND MANAGEMENTVol134 No 111Nov.2009收稿日期:2009-06-25作者简介:何涛(1975-),男,江西南昌人,硕士,南昌师范高等专科学校讲师。文章编号:1674-6139(2009)11-0045-04纳米材料的环境毒理学研究进展何涛(南昌师范高等专科学校,江西 南昌 330029)摘 要:纳米科学与信息科学和生命科学并列成为 21世纪的三大支柱科学领域。随着纳米材料的迅速发展及纳米材料的大量增多,纳米材料的安全性问题正引起世界范围的关注。纳米材料可以通过多种途径

2、进入自然环境,可能引起生物体的毒性效应。该文综述了纳米材料的特点、生物和环境效应,并对几种纳米材料的环境毒理学的研究结果进行了阐述,提出了一些问题与研究方向。关键词:纳米材料;环境毒理;环境效应中图分类号:X17文献标识码:AThe Advancement ofEnvironmentalToxicology Research ofNano materialsH e Tao(NanchangTeachersCollege,Nanchang 330029,China)Abstract:Nano-science,infor mation science and life sciencehas bec

3、ome threemain pillars ofscience in the21st century.W ith the rapid developmentofnano materials,the safetyofnano materialshas raised great concern.nanomaterials can enter theen2vironment through multiple routes,even affecting toxic effects oforganis ms.The characteristics ofnanomaterials,biological a

4、ndenvironmental effectswere summarized in this paper,and introduced some research resul,t which is the environmental toxicologyofnano materials.At las,t so me questions were raised,and proposed some research direction.K ey words:nanomaterails;environmental toxicology;environmental effect前言在充满生机的 21世

5、纪,信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求,元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小;航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。新材料的创新,以及在此基础上诱发的新技术。新产品的创新是未来 10年对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略研究领域,纳米材料将是起重要作用的关键材料之一1。同时也有研究显示纳米材料可以在细胞水平、亚细胞水平、基因、蛋白水平及整体动物水平对生物体产生影响 2。正因为如此,2003 年 4 月 Science3、2003年 7月 Nature4,相继发表相关文章,开始讨

6、论纳米材料的生物效应、对环境和健康的影响问题。2004年 1月美国化学会的 Environmental Science&Technologies杂志 5、2004年 6月 Science6又再次载文强调,必须对纳米材料的安全性问题进行研究。本文主要从纳米材料特性出发,综合其性质对可能产生的破坏机理进行了讨论,并对该研究领域的前景和重点进行了探讨。1 纳米材料的概念纳米级结构材料简称为纳米材料(nano materi2al),是指其结构单元的尺寸介于 1纳米 100纳米范围之间7。纳米材料的特殊理化性质取决于它们的颗粒大小(表面积和表面分布)、化学构成纯度、结晶型、带电性、表面结构(表面反应性、

7、表面基团,无机或有机包裹等)、溶解性、形状和聚集性等8。纳米材料按类别大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟,是生产其他三类产品的基础 9。#45#第 34卷第 11期2009年 11月何涛#纳米材料的环境毒理学研究进展Vol134 No 111Nov.20092 纳米材料的研究2.1 纳米材料的特性由于纳米材料结构单元的尺度(1 n m 100n m)与物质中的许多特征长度,如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当,从而导致纳米材料和纳米结构的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子,也不同于宏观物体,从而把人们

8、探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域。在纳米领域发现新现象,认识新规律,提出新概念,建立新理论,为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础,也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵10。2.2 纳米材料的应用纳米材料的应用领域十分广泛,它已经渗入到轻工、纺织、化工、机械、电子电器等各个领域。纳米材料在未来人们的生活中将发挥重要的作用。3 纳米材料的进入环境的途径及其环境风险3.1 纳米材料的进入环境的途径纳米材料可以通过多种途径进入环境而成为纳米污染物10。总的来说,在研究、生产、运输、使用及废物处理等过程中的直接、间接是释放纳米材料进入环境的主要途径,但目前还不清

9、楚这些过程的释放程度。其具体途径大体包括:1、纳米产品的生产过程。随着近年来纳米材料研究的广泛兴起以及生产纳米材料的工厂在世界范围内的迅速增加,工厂和实验室的废物排放是当前纳米材料进入环境的重要途径。2、与人们生活密切相关的纳米产品的使用。如个人防护品(化妆品、遮光剂)、纳米运动器材以及纳米纤维等都可以通过在使用与处理等过程被释放到环境。纳米药物或基因载体系统,虽然它并不直接用于环境,但是可以通过废弃物排放而污染土壤和水体。3、纳米材料的直接释放。如纳米监测系统(如传感器)、污染物控制和清除系统以及对土壤和水体的脱盐处理等。目前己经有多种纳米材料用于环境治理,处理不当很可能造成环境二次污染。至

10、于纳米材料的这种应用是否会对生态环境造成小规模影响及影响的程度如何,还有待研究。3.2 纳米材料的环境风险3.2.1 纳米材料对植物的影响Yang等11研究铝纳米颗粒的植物毒性。研究者用根延长试验发现未包被的铝纳米颗粒可以抑制玉米,黄瓜、甘蓝等植物根的延长,而包被有菲的铝纳米颗粒可以显著减小这种抑制,原因是菲的包被破坏了纳米颗粒表面本身具有的羟自由基,从而改变了纳米表面特性。研究结果表明表面特性对于颗粒毒性的大小非常重要。3.2.2 纳米材料对动物的影响美国威斯康星州密尔沃基大学的 Lokcn等12研究纳米 Ti O2对水生模式生物大型蚤死亡的影响。将水蚤暴露于四氢吠喃过滤和超声两种方法制备的

11、各浓度纳米材料水溶液中,结果发现经四氢吠喃过滤处理的 TiO2导致大型蚤死亡,并呈剂量反应关系。Zhu等13用纳米 C60对大型蚤的研究也发现四氢吠喃处理的较水搅拌处理的纳米 C60毒性更大。3.2.3 纳米材料对微生物的影响目前在纳米材料的生态毒理学研究中,对微生物影响的研究相对较多。己有研究表明多种纳米材料具有抗菌作用14,纳米材料的这种特性已经得到广泛应用,如磁性纳米颗粒己经被用于水 体除菌 15。研究证明纳米颗粒可以聚集在大肠杆菌的膜上使细胞壁凹陷,从而导致细胞膜渗透性改变,最终导致大肠杆菌死亡16。4 几种纳米材料的毒理学研究纳米材料具有改变生命机体内分子性质的能力,在一定条件下纳米

12、颗粒可以穿透皮肤、血液或脑的屏障,对皮肤、呼吸系统、循环系统以及脑等产生负面作用并在这些部位聚集积累 21。纳米材料具有对生物和环境安全的危害,已经被越来越多的事实所证实,以下介绍几种常见纳米材料的毒性特性。4.1 纳米二氧化钛的环境毒理纳米二氧化钛是一种应用广泛且研究较为充分的材料,在涂料、抗氧化、污水处理、化妆品等都有应用,其产量相当可观。Afaq等 17用支气管注入法研究超细 Ti O2对大鼠的毒性,当给大鼠注射 Ti O2纳米颗粒作用时,尽管细胞启动自我保护机制诱导了抗氧化酶的生成,却未能消除 TiO2纳米颗粒产生的毒副作用。进一步的研究观察到了纳米 Ti O2颗粒引起的一系列生物效应

13、。Rah man等18在比较了 20 n m的超细 Ti O2颗粒和 200 nm的 Ti O2颗粒对大鼠胚胎成纤维细胞的影响时发现,经 20 nm的超细颗粒处理后的细胞,其微核数目显著升高,并引起了细胞凋亡;而 200nm的细颗粒却没有引起细胞内微核数目的变化。4.2 碳纳米管和 C60的环境毒理自从碳纳米管和 C60发现以来,由于具有优越#46#第 34卷第 11期2009年 11月何涛#纳米材料的环境毒理学研究进展Vol134 No 111Nov.2009的力学、电子学和化学等性能,在很多领域显示出广泛的应用前景。Oberdoster等人19对于从自然环境中捕获的黑鲈鱼进行了研究,他们将

14、其置于浓度各异的含有C60的水环境中,同时他们发现黑鲈大脑及中枢神经起保护作用的细胞遭到了破坏。La m等人20将碳纳米管分为 0、0.1和 0.5计量组,通过气管注入老鼠体内,同时设置了碳黑和石英对照组,发现注入碳纳米管的老鼠均出现严重的肺部炎症,其毒性明显高于对照组。4.3 超细铁粉的毒理学铁在环境中广泛存在,并且是大气颗粒物中主要成分,对健康的损伤也是不可忽视的。它会沉积在肺部,并且沉积在肺部末端的纳米铁粉颗粒很容易迁移到细胞表面,从而通过细胞膜被细胞吸收成为生物活性的铁,造成伤害。4.4 纳米聚四氟乙烯的毒理学纽约罗切斯特大学的研究者发现21,让实验大鼠暴露在含有直径 20 nm的/特

15、氟龙 0塑料(聚四氟乙烯颗粒的空气中 15 min,它们大多数在 4 h内死亡了。而暴露在直径 120 nm颗粒中的对照组则安然无恙。组织学研究表明,能够清除外来物质的巨噬细胞很难将较小颗粒清除出去。4.5 固体脂质纳米颗粒的毒理学RainerH Muller等22将固体脂质纳米颗粒与聚醋纳米颗粒分别作用于相同细胞,以比较 2种颗粒的细胞毒性。结果发现 0.5%的聚醋纳米颗粒可使 100%的细胞死亡,而 10%的固体脂质纳米颗粒却可令 80%的细胞存活,可见固体脂质纳米颗粒具有相对较低的毒性。4.6 纳米半导体材料的毒理学美国加州大学 San Diego分校的 AustinM Der2f us

16、等23发现,硒化镐纳米颗粒(CdSe)为核心的半导体在某些情况下有很强毒性,当合成半导体量子点的时候改变参数,暴露在紫外线下和表面修饰后,量子点的细胞毒性会有所变化。研究揭示硒化锅纳米颗粒(量子点)可在人体中分解,细胞毒性与自由Cd2+释放有关当经过适当修饰以 CdSe为核心的半导体可变得无毒。5 总结目前,纳米科技应用开发的研究力度远远大于对科技本身潜在风险研究的力度,国内纳米材料的研究开发已经进人国际领先行列,市场上也出现了如纳米碳管、纳米二氧化钦和纳米氧化锌等多种产品,这些产品没有经过严格的人体无害研究之前马上投放市场是不恰当的;另外,纳米材料在生产和运输的过程中是否会对生产运输者的健康

17、造成危害 24,是否会因泄漏扩散到环境中而造成污染;纳米材料在使用过程中要遵从什么样的技术规范等等问题目前都不清楚;含有纳米颗粒和纳米纤维的纺织品和生活用品会随时间推移而脱落、分解进人环境中,特别是水环境。这些材料的生物可降解性,是否会对水生生物及整个水生态系统产生不良影响,是否会通过食物链最终在人体富集积累而危害公众健康等问题目前也不清楚。纳米材料对人类健康、环境和社会的影响是一个亟待解决的问题25,需要建立纳米材料的研究、生产和使用的安全规范,以及环境系统评估和监测的方法和制度,并将/纳米污染 0列人国家战略研究规划。参考文献:1 Bor m P J,Robbins,Haubold S,K

18、uhibusch T,et a.lThe potential of nanomaterial a review carried out for ECETOC J.Particle and F iberToxicology,2006(3):1-35.2Gurr JR,W angA S,Chen CH,et a.l Ultra fine titaniumdioxide particles in the absence activation can induce oxidativeda mage to human bronchial epithelial cells J.Toxicology,200

19、5,213(1-2):66-73.3 Service R F.Nanomaterials sho w signs of toxicity Sci2ence J.2003,300(11):243.4 BrumfrelG.A little knowledge J.Nature,2003,424(17):246.5 Zhang W ei Xian.Environmental technologies at thenanoscale J.Environ SciTechno,2003,37(5):103-108.6 Kelly K L.Nanotechnology grows up J.Science,

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21、echnologies Opportu-nities and uncer2taintiesM.2004.10 TangH,W angD,Ge X.EnvironmentalNanopolluta2nts(ENP)and aquaticm icro interfacial processes J.W ater SciTechno,2004,50(12):103-109.11 Yang L,W alts D J.Particle surface characteristicsmay play an i mportant role in phytoxicity of alum ina nanopar

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23、neerednanopartic1ein two aquatic speciesDaphnia and Fathead J.Mar EnvironRes,2006,62:5-9.14 Salnaso S,ElvassoreN,Bertucco A,Lante A.Nisin-loadedpolyLlacLide nanmparticles produced by anti-solventprecipitation for sustained anti microbialactivity J.Int JPhaun,2004,287(1-2):163-173.15W atson JH P,Cres

24、sey B A,Roberts E Charnock JM,eta.l Structuralandmagnetic studies on heavy-metal adsor 2bing iron sulphide nanoparLicles produced by sulphate-reduc2ing bacteria J.Journal ofMagnetic and Magnetic Materials,2000,214:13-20.16 Sondi I,Salopek-Sondi B.Silver nanoparticles as atinicrobial agentA case stud

25、yM.2004.17Afaq F,AbidiP,Matin R,et a.l Cytotoxicity pro-oxidant effects and antioxidantdepletion in rat lung alveolarmac2rophages ex-posed to ultra fine titanium dioxide J.ApplToxi 2co,l 1998,18:307-312.18 RahmanQ,LohaniM,Dopp E,et a.l Evidence thatultra fine titanium dioxide inducesm icronuclei and

26、 apoptosis inSyrian ha mster e mbryo fibroblasts J.Environ Health Prospect,2002,10:797-800.19 Oberdistor E.induce oxidative manufactured nanc ma2terials stress in the brain of juvenilelarge mouthbass J.Environ2mentalHealth Perspectives,2004,112(10):1058-1062.20 La m.Colic as a model f or gra m-negat

27、ive bacteria J.Colloid Interface Sc,2004,275:177-182.21 Oberdrster G,F inkelstein J,Johnson C.Acute Pul-monary effects of ultrafine Partieles in rats and m ice J.ResReP Health Ef.f Inst,2000,96:5-74.22Mu11er R H,Mder K,Gohla S.Solid li P id nanoPaft2ieles(SLN)for controlled drug delivery-a revie w o

28、f the state ofthe art J.European Journal of Pllar maeeuties and Biophar2maeeuties,2000,50:161-177.23 Derf usA M,ChanW C W,Bhatia S N.Probingthecytotoxieity of se m ieonduetor quantum dots J.NanoLetters,2004,4(1):11-18.24王莉娟,丁文军.纳米毒理研究进展 J.中国药理学与毒理学杂志,2007,21(1):77-80.25毕永红,胡征宇.纳米材料对环境和健康的潜在危害 J.上海环境

29、科学,2006,25(5).(上接第 44页)较后次小,没有将道路上的沉积污染物冲刷彻底,在第二次降雨时,道路雨水水质就可能比前一次差。(3)具有点源和面源双重污染。点源的特征:由道路两侧的排水口,雨水进入市政雨水管道系统中集中排放到周围水体或者其他的收集装置。面源的特征:污染物累计在地表,雨水是对地面道路,及周围建筑设施的整个冲刷,然后再汇集;在未设市政雨水管道系统的机动车道,路面降雨径流将漫流到路面两侧的下洼地内或者周围的天然水体。因此,城市道路雨水中的污染物浓度就可能不一样。(4)可生化性低。由于车辆交通,路面材质状况是机动车道雨水水质的主要污染源,其废弃物如重金属,石油酚等对机动车道雨

30、水中的微生物具有抑制作用,使得检测出的 BOD5值较低,道路雨水中检测出的 BOD5z COD约为 1z 10 1z 68。而通常认为此比值 013时,污水将不可生化。所以机动车道雨水的可生化性即生物降解性较差。3 结语城市路面径流污染强度较高,水质变化很大,根据道路雨水特点,充分合理利用道路雨水,须掌握详细实测数据资料,分析城市道路雨水水质。结合城市自身的发展特点,以及周边的水文条件,总结出本城市的道路雨水水质特点,从而制定相应的措施,来减轻道路雨水中污染物对于城市水体及周围环境的污染。利用收集到的雨水资源,解决城市的冲洗、浇灌、景观等用水需要,缓解城市用水紧张的问题。参考文献:1王华东,等

31、.水环境污染概论 M.北京:北京师范大学出版社,1984.2韩志强,许志鸿.初期路面径流的收集与处理 J.公路,2004,10.3张思聪,惠土博,谢森传,等.北京市雨水利用 J.北京水利,2003(4):20-22.4张亚东,车伍,刘燕,等.北京城区道路雨水径流污染指标相关性分析 J.城市环境与城市生态,2003,16(6):182-184.5车伍,李俊奇.城市雨水利用技术与管理 M.北京:中国建筑工业出版社,2006.6赵剑强,等.城市地表径流污染与控制 M.北京:中国环境科学出版社,2002:20-55.7 Sansalone J.J.and Buchberger S.G.,Partitioning andFirst Flush ofMetals in Urbun Roadway Stor m W ater.J.ofEn2vir.Engrg J.ASCE,1997,123(2):134-143.8赵剑强.城市路面径流污染的调查 J.中国给水排水,2001,17:34-36.#48#