超細(xì)大氣礦物顆粒物界面反應(yīng)及生物活性研究新進(jìn)展

董發(fā)勤，劉明學(xué)，耿迎雪，譚 媛

（1.固體廢物處理與資源化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621010；2.西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010；3.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010；4.北京理工大學(xué)化學(xué)學(xué)院，北京 100081）

0 引 言

礦物粉塵是大氣顆粒物的重要來(lái)源和組成部分，其粒徑達(dá)到微-納米級(jí)時(shí)，由于巨大的比表面積，極高的化學(xué)活性，使得空氣中大部分有害元素和化合物會(huì)吸附富集在礦物粉塵上并運(yùn)移。隨著礦物粉塵粒徑的減小，它在大氣中的停留時(shí)間和在呼吸系統(tǒng)的深度吸入附著率也會(huì)隨之增加。PM2.5指空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑Da≤2.5μm的大氣顆粒物，也稱(chēng)細(xì)顆粒物。大氣納米顆粒物（NPs）是指空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于100 nm的顆粒物，因團(tuán)聚和附著作用，它也是PM10和PM2.5的重要組成部分。天然氣溶膠中半徑小于1μm的球形粒子，大都是由氣體到微粒的成核、凝結(jié)、凝聚等過(guò)程所生成；而礦物粉塵多由礦物固體和可溶鹽液體的破裂等機(jī)械過(guò)程所形成，多呈稍粗點(diǎn)的不規(guī)則狀。目前，PM2.5及更細(xì)的NPs已成為國(guó)際大氣污染研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和前沿，我國(guó)在2012年2月發(fā)布的環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中增設(shè)了PM2.5的濃度限值[1]。

大氣中PM2.5濃度的上升與咳嗽等呼吸道癥狀產(chǎn)生、肺功能減弱及哮喘的發(fā)病相關(guān),另外PM2.5可進(jìn)入血液系統(tǒng)，直接導(dǎo)致心血管等疾病。納米顆粒物由于微尺度效應(yīng)、高比表面積和復(fù)雜的化學(xué)特性易透過(guò)血腦屏障、皮膚進(jìn)入體內(nèi)，通過(guò)血液循環(huán)到達(dá)人體其他器官和部位，更易于轉(zhuǎn)移，肺內(nèi)大部分沉積粒子的誘變是由超細(xì)顆粒引起的[2]。礦物粉塵導(dǎo)致疾病的生物化學(xué)過(guò)程均發(fā)生在礦物表面或其附近，其中的關(guān)鍵因素便是礦物晶胞的界面，通過(guò)其界面性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、帶電性以及力學(xué)性和尺寸大小、化學(xué)成分來(lái)對(duì)生物系統(tǒng)施加影響。目前國(guó)內(nèi)外研究集中在對(duì)大氣顆粒物生成源特性分析以及風(fēng)險(xiǎn)管理進(jìn)行評(píng)估，而對(duì)PM2.5以及更細(xì)的顆粒物如納米物質(zhì)的生物活性與效應(yīng)的研究較少，未對(duì)各類(lèi)顆粒物自身界面與生化反應(yīng)特性的生物響應(yīng)納入研究?jī)?nèi)容。本文介紹了大氣超細(xì)顆粒物的表面活性基及界/膜作用研究新進(jìn)展，側(cè)重于大氣超細(xì)礦物粉塵的界面反應(yīng)及其生物活性機(jī)理。

1 超細(xì)顆粒物界面反應(yīng)研究

大氣顆粒物界面反應(yīng)主要探討大氣中各種有毒、有害離子或分子與超細(xì)顆粒物表面之間的反應(yīng)速率與反應(yīng)機(jī)制。顆粒物表面存在一些化學(xué)活性很強(qiáng)的表面功能基團(tuán)，當(dāng)它們與環(huán)境中其他物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)，會(huì)因其極性、荷電性和Lewis酸堿性不同而表現(xiàn)出不同的作用力和反應(yīng)速率，進(jìn)而控制有毒、有害物質(zhì)在大氣、水體、沉淀物和生物體中的賦存形態(tài)、穩(wěn)定性及遷移。目前在界面反應(yīng)研究方面主要集中在材料、金屬元素、礦物生物的化學(xué)反應(yīng)等方面，而對(duì)超細(xì)礦物粉塵及納米顆粒的界面反應(yīng)研究國(guó)內(nèi)外都很少。

1.1 超細(xì)顆粒物表面電性

帶負(fù)電性的粉塵易與生物大分子物質(zhì)如蛋白質(zhì)發(fā)生電性作用，從而進(jìn)一步在細(xì)胞膜等生物大分子物質(zhì)上發(fā)生脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)，破壞細(xì)胞膜的完整性,使其崩解而致??；或者中和維護(hù)蛋白質(zhì)穩(wěn)定的電性，使蛋白質(zhì)分子易于相互凝聚沉淀而發(fā)生變性，失去其生物活性，導(dǎo)致生物膜損傷而致病。大多數(shù)礦物粉塵在中性水溶液中ξ電位為負(fù)，在酸性環(huán)境中，表面電位更負(fù)，如纖維坡縷石粉塵的表面電位為-14.1mV，被4mol/L HCl溶蝕后，其表面電位降至-23.9mV[3]。礦物粉塵表面的荷電性與其細(xì)胞毒性之間存在著一定的相關(guān)關(guān)系。

表面電荷同樣是影響納米顆粒生物效應(yīng)的重要參數(shù)之一。進(jìn)入機(jī)體后表面帶正電荷的納米顆粒較易被肺臟攝取，而帶負(fù)電荷的顆粒則容易被肝臟攝取[4]。納米二氧化硅顆粒帶負(fù)電，表面存在不同鍵合狀態(tài)的羥基及不飽和鍵，這使得納米二氧化硅顆粒具有較高的表面活性以及更強(qiáng)的誘導(dǎo)脂質(zhì)過(guò)氧化、損傷抗氧化系統(tǒng)的能力[5]。目前關(guān)于納米顆粒的表面電荷對(duì)生物機(jī)體的危害尚缺乏系統(tǒng)性研究。

1.2 超細(xì)顆粒物表面基團(tuán)

礦物粉塵的表面官能團(tuán)具有較高的活性，這種活性常常表現(xiàn)為對(duì)其他物質(zhì)具有一定的吸附能力。纖維礦物粉塵對(duì)有機(jī)試劑的吸附能力并不完全與有機(jī)試劑的偶極矩大小成正比，部分纖維礦物粉塵吸附有機(jī)試劑后表面基團(tuán)發(fā)生變化，特別是表面氧自由基、OH-基團(tuán)、Si-O-Si基團(tuán)的變化。礦物粉塵表面官能團(tuán)吸附了一定量的物質(zhì)后，其表面官能團(tuán)的活性將受到一定影響。

賀小春、董發(fā)勤等通過(guò)對(duì)礦物粉塵進(jìn)行酸堿洗蝕處理，對(duì)比分析礦物粉塵表面活性基團(tuán)。研究表明，水鎂石、石棉、海泡石、坡縷石等含有OH-基團(tuán)，硅灰石、硅藻土含有-Si-O-基團(tuán)。這主要是由于不同礦物表面物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的差異，使其表面官能團(tuán)種類(lèi)和性質(zhì)有較大差別，如硅灰石、硅藻土、斜發(fā)沸石沒(méi)有獨(dú)立的OH-，而纖維水鎂石只有單一的OH-基團(tuán)，斜發(fā)沸石以H2O+形式為主，部分可以轉(zhuǎn)化為H+、NH4+或OH-。晶片剝離將使表面官能團(tuán)裸露更多，其裸露和轉(zhuǎn)化與表面結(jié)構(gòu)缺陷和解理有關(guān)，缺陷越發(fā)育，OH-（或H2O+）含量越高。酸蝕作用可以改變礦物纖維表面的OH-濃度及分布，增加表面的缺陷數(shù)量和空隙。堿蝕對(duì)海泡石和坡縷石及斜發(fā)沸石中的Si-OH等表面基團(tuán)不起作用，但對(duì)Al-O、Al-OH有破壞酸性位的作用。酸堿蝕殘余物的表面基團(tuán)有的已完全不同于原始粉塵的類(lèi)型，如硅灰石、纖蛇紋石石棉等殘余物明顯向SiO2轉(zhuǎn)化。這對(duì)體內(nèi)酸性環(huán)境如肺泡內(nèi)、胃內(nèi)或堿性環(huán)境如小腸部位的粉塵生物溶解殘余物有類(lèi)比價(jià)值。

納米顆粒因其表面原子的晶場(chǎng)環(huán)境及結(jié)合能與內(nèi)部原子不同，存在許多懸空、不飽和鍵，極易與其他原子結(jié)合而穩(wěn)定，所以具有很高的化學(xué)反應(yīng)性[6]。

1.3 超細(xì)顆粒物的體外生物溶解界面反應(yīng)

目前對(duì)礦物/微生物相互作用研究盡管有酸解、絡(luò)解、堿解作用的提出，但對(duì)礦物粉塵與微生物的作用機(jī)制的主導(dǎo)內(nèi)因仍不明了，還應(yīng)包括降解（溶出、減溶、不溶）、轉(zhuǎn)變、遷移、沉淀、成核（礦化）整個(gè)過(guò)程。應(yīng)重視礦物塵在體內(nèi)有機(jī)/無(wú)機(jī)體系相互作用過(guò)程中的微生物活性、耐毒性、對(duì)酶促反應(yīng)及激活條件的影響、粉塵加入后細(xì)胞內(nèi)外滲透壓及胞液pH值變化，并詳細(xì)研究礦物活性結(jié)構(gòu)態(tài)特征對(duì)微生物類(lèi)別的適用性。對(duì)礦物粉塵的生物活性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，特別是對(duì)礦物/巨噬細(xì)胞體、礦物粉體/人體Gamble體系、人體氨基酸-維生素體系、人體血清體系作用過(guò)程和產(chǎn)物及影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)研究。研究表明：礦物粉體陷入巨噬細(xì)胞的生物膜內(nèi)并發(fā)生了反應(yīng)，并在LDH、SOD、MDA、細(xì)胞無(wú)機(jī)離子出現(xiàn)異常反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)檸檬酸、草酸、酒石酸、石碳酸對(duì)Ca、Al、Si、Fe 有強(qiáng)螯合作用。

2 超細(xì)顆粒物生物活性研究

2.1 超細(xì)顆粒物自由基產(chǎn)生及其毒理學(xué)研究

可吸入顆粒物中自由基的種類(lèi)有半醌類(lèi)自由基、活性氧自由基（如羥基自由基、超氧陰離子自由基）。礦物粉塵產(chǎn)生的自由基主要來(lái)自?xún)煞矫妫悍蹓m本身特殊的表面化學(xué)特征和吸附的過(guò)渡金屬元素而產(chǎn)生自由基，二次吸附的有機(jī)物衍生的自由基的深度和作用目前不清楚。粉塵刺激吞噬細(xì)胞而產(chǎn)生自由基，即粉塵進(jìn)入機(jī)體后能激發(fā)吞噬細(xì)胞的呼吸爆發(fā)，形成活性氧（O2-·，H2O2，HO·）自由基。自由基產(chǎn)生后，主要作用于脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、DNA，引起膜脂質(zhì)過(guò)氧化、蛋白質(zhì)氧化或水解、誘導(dǎo)或抑制蛋白酶活性、DNA損傷等。董發(fā)勤、賀小春等[3]對(duì)多種礦物粉塵釋放自由基，如我國(guó)北方大氣降塵液相自由基進(jìn)行研究，結(jié)果表明礦物表面基團(tuán)具有高度的活性，能與DNA和染色體發(fā)生直接或間接的相互作用，影響粉塵的生物效應(yīng)。

國(guó)外主要研究大氣顆粒物（PM）和石英粉塵細(xì)胞毒性與自由基的因果關(guān)系。Briede等[7]研究了燃燒PM2.5顆粒物的毒性與自由基產(chǎn)生；Baher等[8]研究表明燃燒產(chǎn)生的細(xì)顆粒物所含的自由基能夠?qū)е麦w外和大鼠體內(nèi)毒素的產(chǎn)生，從而對(duì)肺產(chǎn)生不利影響；Valko等[9]指出顆粒物產(chǎn)生的自由基會(huì)引起氧化應(yīng)激反應(yīng)，造成細(xì)胞氧化還原平衡失衡和細(xì)胞癌變，自由基還能誘導(dǎo)呼吸道炎癥反應(yīng)和其他病理的生理改變；余晨等[10]研究得出SiO2粉塵對(duì)成纖維細(xì)胞有遺傳毒性，在較小劑量時(shí)即可表現(xiàn)出明顯的具有濃度和時(shí)間依賴(lài)性的DNA損傷作用，損傷過(guò)程中有羥自由基的參與；馬貴晉等人[11]研究發(fā)現(xiàn)PM2.5會(huì)損傷內(nèi)皮細(xì)胞，隨著PM2.5濃度加大，細(xì)胞內(nèi)ROS水平升高，氧化應(yīng)激水平升高（馬貴晉等[11]，表1）。

表1 不同濃度PM2.5染毒24h對(duì)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞ROS 水平、HO-1 和 Nrf2 mRNA 表達(dá)水平的影響 1）（s）

表1 不同濃度PM2.5染毒24h對(duì)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞ROS 水平、HO-1 和 Nrf2 mRNA 表達(dá)水平的影響 1）（s）

注：1）與對(duì)照組比較，aP＜0.01；數(shù)據(jù)為5次獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

Nrf2 mRNA表達(dá)水平對(duì)照組 156±4 0.68±0.06 0.948±0.008 PM2.5 0.1mg/mL 組 179±5a 0.72±0.06 0.941±0.074 PM2.5 0.2mg/mL 組 191±6a 0.74±0.05 0.991±0.064 PM2.5 0.4mg/mL 組 198±12a 0.74±0.01 0.996±0.040 PM2.5 0.8mg/mL 組 211±11a 0.81±0.04a 1.010±0.039組別 ROS水平（熒光灰度值）HO-1 mRNA表達(dá)水平

活性氧可能是納米顆粒產(chǎn)生細(xì)胞毒性的主要原因之一。Nel等[12]發(fā)現(xiàn)活性氧的生成和氧化應(yīng)激反應(yīng)是碳納米管引起細(xì)胞毒性的主要方式；Rahman等[13]發(fā)現(xiàn)反應(yīng)活性很大的納米顆粒和細(xì)胞膜相互作用產(chǎn)生了活性氧物質(zhì)，產(chǎn)生的氧化應(yīng)激引起細(xì)胞膜脂質(zhì)層的破裂，細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)失去平衡，導(dǎo)致依賴(lài)于Ca2+離子濃度的核酸內(nèi)切酶的活化，引起了細(xì)胞凋亡；暴露于納米顆粒下會(huì)提高內(nèi)皮細(xì)胞的粘著性和改變血管內(nèi)皮的膜結(jié)構(gòu)，這種損傷很大程度上由于微血管中的活性氧的增加[14-15]。

2.2 超細(xì)顆粒物與人體正常菌群、生物大分子及細(xì)胞的相互作用研究

在人體皮膚、粘膜以及與外界相通的腔道，均存在著一定種類(lèi)的微生物群，習(xí)慣上將其稱(chēng)為正常菌群。粉塵或被細(xì)菌等微生物污染的粉塵進(jìn)入人體后會(huì)與人體正常菌群發(fā)生聯(lián)合作用，并且PM有潛在的生物化學(xué)作用，活性較強(qiáng)，其含有的金屬離子（如Mg、Al、Fe等）能夠與酸、堿、鹽、有機(jī)物等發(fā)生反應(yīng)，從而加速PM對(duì)生物體的毒性作用。

PM2.5能對(duì)染色體、DNA、基因等不同水平遺傳物質(zhì)產(chǎn)生毒性作用，包括染色體結(jié)構(gòu)變化、DNA損傷、基因突變等。對(duì)于PM2.5遺傳損傷的機(jī)制目前主要有氧化損傷機(jī)制和DNA加合物形成機(jī)制。PM2.5攜帶的某些有機(jī)成分，如PAH，是已知的潛在致癌物，它能與細(xì)胞DNA共價(jià)結(jié)合。除了PAH外，在PM2.5中檢測(cè)到的3-硝基苯并蒽酮（3-NBA）也能與細(xì)胞DNA形成加合物，DNA加合物可能激發(fā)了一系列復(fù)雜的過(guò)程最終導(dǎo)致基因突變和基因癌變，這可能是PM2.5遺傳毒性的另一種機(jī)制[16]。

若從表面性狀上看，納米顆粒的化學(xué)和生物活性應(yīng)強(qiáng)于同種物質(zhì)的微米級(jí)顆粒，其表面結(jié)合能和化學(xué)性顯著高于微米級(jí)顆粒。肖琳等[17]采用不同濃度的納米SiO2和常規(guī)SiO2顆粒對(duì)Hela細(xì)胞進(jìn)12 h染毒，應(yīng)用MTT法檢測(cè)細(xì)胞毒性效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，較低濃度（≤0.2μg·μL-1）的納米 SiO2和常規(guī) SiO2對(duì)Hela細(xì)胞無(wú)明顯細(xì)胞毒性（P＞0.05）；較高濃度時(shí)，納米SiO2（≥0.4μg·μL-1）和常規(guī)SiO2（≥0.8μg·μL-1）對(duì)Hela細(xì)胞具有明顯細(xì)胞毒性作用（P＜0.01），并且隨濃度增大細(xì)胞毒性增強(qiáng)；當(dāng)濃度≥0.4μg·μL-1時(shí)，納米SiO2的細(xì)胞毒性明顯高于相同濃度的常規(guī)SiO2（P＜0.05）；研究證明納米顆粒較微米級(jí)顆粒對(duì)人體肺部上皮細(xì)胞A549有更大的毒性，納米白云石的毒素效應(yīng)更為明顯（肖琳等[17]，圖1）。但是關(guān)于不同毒性反應(yīng)的機(jī)理不是十分明確，可能是由于納米顆粒提高了進(jìn)入細(xì)胞的能力[18-20]。

圖1 不同濃度納米SiO2和常規(guī)SiO2染毒后MTT法所測(cè)得的OD值（細(xì)胞活性）

納米顆粒除了容易進(jìn)入人體器官深部之外，也可能比較容易通過(guò)血腦屏障和血睪屏障對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)、精子生成過(guò)程和精子形態(tài)以及精子活力產(chǎn)生不良影響，還可能與生物大分子相互作用，使其正常的立體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，導(dǎo)致體內(nèi)遺傳物質(zhì)的突變及一些激素和重要酶類(lèi)喪失活性[21]。目前對(duì)納米顆粒的研究主要集中在納米顆粒毒性與其尺寸、形貌、表面修飾、濃度、制備方法及作用時(shí)間的關(guān)系上，對(duì)納米TiO2、SiO2、碳納米管、富勒烯和納米鐵粉等少數(shù)幾個(gè)納米物質(zhì)的生物效應(yīng)僅進(jìn)行了初步的探索，納米粒子生物毒性的機(jī)理目前還不十分清楚，納米材料的生物安全性評(píng)價(jià)方面更缺乏完善的評(píng)價(jià)方法及相應(yīng)的指標(biāo)體系[22]。

3 結(jié)束語(yǔ)

顆粒物的表面活性基影響其生物效應(yīng)，表面特性對(duì)細(xì)胞的損害和粉塵性疾病的形成起著至關(guān)重要的作用。從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，超細(xì)顆粒物的毒理學(xué)將成為一個(gè)重要的研究方向和研究熱點(diǎn)。要特別重視超細(xì)大氣礦物顆粒物如主體礦物細(xì)塵或納米塵粒（或兩者的混合）與重金粒子、有機(jī)污染物等混合體的界面反應(yīng)機(jī)理與調(diào)控因素、自由基與毒性等級(jí)研究。

界面研究的關(guān)鍵是有選擇性地對(duì)界面上分子的結(jié)構(gòu)、構(gòu)像和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量表征、綜合分析和理論模擬。今后的研究應(yīng)朝著采用顆粒學(xué)、環(huán)境礦物學(xué)、表面物理化學(xué)、生物學(xué)、有機(jī)配位化學(xué)、微生物學(xué)、免疫學(xué)、環(huán)境毒理學(xué)方面基本理論和實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合的思路發(fā)展。運(yùn)用界面化學(xué)、環(huán)境化學(xué)和生物膜化學(xué)為理論基礎(chǔ)，利用共聚焦熒光探針顯微鏡、非損傷測(cè)微技術(shù)、X射線細(xì)胞顯微成像技術(shù)研究有機(jī)/無(wú)機(jī)共存界面反應(yīng)過(guò)程；利用色譜、電子順磁共振譜、X射線光電子能譜、激光拉曼探針光譜等先進(jìn)的測(cè)試儀器研究顆粒物的活性與元素結(jié)構(gòu)態(tài)、液相自由基的產(chǎn)生與釋放、在各種生物體系環(huán)境下的產(chǎn)物和界膜表面的配合物形成，探索超細(xì)顆粒物毒性作用本質(zhì)并以此為突破口尋求生物或藥物解毒的方法。

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