納米材料毒性研究進(jìn)展

羅迎娣 ， 劉 毅

(河南省化工研究所有限責(zé)任公司 ， 河南 鄭州 450052)

0 前言

納米材料是指幾何尺寸達(dá)到納米級并且具有特殊性能的一類材料。與其他材料相比，納米材料具有常規(guī)材料不具有的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)以及宏觀量子隧道效應(yīng)，從而使它們在磁、光、電敏感等方面呈現(xiàn)出特殊性能[1]。近年來，納米材料已廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。大規(guī)模的生產(chǎn)和使用，帶給了人們很多便利，也對環(huán)境和人類健康產(chǎn)生了不可預(yù)期的影響。越來越多的研究表明，納米材料具有一定的生物毒性，釋放到環(huán)境中可通過各種機(jī)制對微生物和高等生物產(chǎn)生毒性風(fēng)險(xiǎn)，對動(dòng)物及其器官、組織等都會(huì)產(chǎn)生不同水平的影響。我們在肯定納米材料帶來了巨大便利的同時(shí)，對其可能產(chǎn)生的負(fù)面環(huán)境影響和生態(tài)效應(yīng)也必需給予更多的關(guān)注[2-5]。本文就近幾年關(guān)于納米材料毒性研究以及降低其毒性的方法進(jìn)行總結(jié)，以期為讀者提供參考。

1 納米材料的毒性研究

隨著納米材料的應(yīng)用越來越廣泛， 其對環(huán)境的影響也越來越大，對植物、動(dòng)物、微生物都或多或少地表現(xiàn)出一定的毒性，對其進(jìn)行研究，探討其致毒機(jī)制，至關(guān)重要。近幾年的毒性研究，主要圍繞以下幾方面進(jìn)行。

1.1 對植物毒性的研究

納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已有廣泛的應(yīng)用，金屬(氧化物)納米粒子和納米碳管(CNTs)等已被作為納米肥料和納米除草劑、殺蟲劑、殺菌劑等使用[4]。自從納米技術(shù)進(jìn)入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域以來，其對農(nóng)作物的安全影響一直受到高度關(guān)注，其研究日益受到重視?？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)，納米材料能夠降低植物種子發(fā)芽率，抑制植物生長，導(dǎo)致植物枯萎死亡，甚至對植物細(xì)胞分裂、蛋白合成等也有干擾。

THABET等[5]評估了兩種不同類型的納米顆粒(納米SiO2和納米TiO2)對蠶豆(Vicia faba L.)地上和地下生長以及根尖細(xì)胞有絲分裂的影響。將蠶豆種子在不同濃度(25、50、75 mg/L)的納米SiO2和納米TiO2溶液中浸泡24 h，納米TiO2降低了活力指數(shù)，出現(xiàn)短枝現(xiàn)象。相比之下，任何處理對種子發(fā)芽率和根長都沒有影響。細(xì)胞學(xué)分析顯示有絲分裂指數(shù)(細(xì)胞分裂活性指數(shù))與對照組無顯著差異。然而，納米SiO2和納米TiO2增加了染色體畸變率。此外，納米材料還誘導(dǎo)了不同類型的染色體異常；納米SiO2在50、75 mg/L時(shí)誘導(dǎo)了橋，而納米TiO2在50 mg/L時(shí)誘導(dǎo)了斷裂。研究結(jié)論指出，在所研究的濃度下，納米TiO2對蠶豆染色體和早期植株發(fā)育的毒性大于納米SiO2。

劉尚杰[6]為了探討碳納米顆粒對高等植物生長的影響機(jī)制，以石墨烯為研究對象，測試了其對水稻生長的影響。結(jié)果顯示，石墨烯會(huì)延緩水稻種子的萌發(fā)速率，這種延緩效應(yīng)隨著石墨烯濃度的增大越來越顯著。一定濃度的石墨烯對水稻種子的發(fā)芽率影響不大，但能抑制種子的胚芽和胚根的生長，且隨著石墨烯濃度的升高這種抑制作用還會(huì)增強(qiáng)。研究也顯示，低濃度的石墨烯對水稻幼苗形態(tài)建成的影響作用較小或有一定的促進(jìn)作用；高濃度的石墨烯則對水稻幼苗形態(tài)建成有抑制作用，隨著濃度的升高抑制作用還會(huì)逐漸增強(qiáng)。石墨烯既能誘導(dǎo)幼苗根部抗氧化系統(tǒng)發(fā)生應(yīng)激反應(yīng)，也能改變?nèi)~片中葉綠素含量。

1.2 對動(dòng)物毒性的研究

納米二氧化硅是目前使用較為廣泛的一類納米材料，被廣泛應(yīng)用于涂料添加劑、電子材料、殺菌劑、潤滑劑以及醫(yī)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域。楊尚悅[7]分別用大型蚤和斑馬魚兩種生物來研究納米二氧化硅的生態(tài)毒性，尤其是對水生態(tài)環(huán)境造成毒性進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果顯示，大型蚤實(shí)驗(yàn)組中，觀察到大型蚤的體內(nèi)檢測出了納米顆粒，大型蚤出現(xiàn)了腸道斷裂和身體破裂的情況。常規(guī)二氧化硅均未觀察到顆粒物進(jìn)入大型蚤體內(nèi)，僅有部分顆粒物附著于大型蚤體表，斑馬魚實(shí)驗(yàn)組中，納米二氧化硅染毒組中，斑馬魚幼魚在各時(shí)間段均發(fā)育畸形，并且出現(xiàn)提前孵化情況。此外，隨著染毒濃度的升高，納米實(shí)驗(yàn)組的受精卵孵化率逐漸下降。楊維超[8]的研究也證明，納米二氧化硅可以導(dǎo)致斑馬魚胚胎及幼體出現(xiàn)發(fā)育畸形，延遲發(fā)育甚至死亡等。

劉修昀[9]將Fe3O4、SiO2、TiO2和CuO(均為納米級)添加到家蠶的食物中，探討了長期添食不同納米顆粒對家蠶的毒性。結(jié)果顯示，4種納米材料都對家蠶血細(xì)胞有明顯的損傷，其損傷程度與添食時(shí)間、納米顆粒濃度以及種類相關(guān)，其中納米CuO對家蠶血細(xì)胞的損傷最大，納米SiO2、Fe3O4次之，納米TiO2對家蠶的損傷最小。添食4種納米顆粒后，家蠶血液蛋白質(zhì)濃度均出現(xiàn)下降，此外，蠶絲的力學(xué)性能也降低了。

1.3 對微生物毒性的研究

微生物在生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，能夠維持生態(tài)平衡系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、分解生物遺體、分解有毒物質(zhì)等。研究納米材料對微生物的毒性效應(yīng)，對改善和生態(tài)修復(fù)具有重要作用。

MANCUSO等[10]為了評估納米CuO的急性細(xì)胞毒性，采用基于人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞來進(jìn)行毒性試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比微米級CuO，納米級CuO的毒性要大得多，其半數(shù)致死量(LC50)約為2.5 g/mL，而微米級CuO的LC50約72.13 g/mL。

傅世磊[11]將使用兩種較為常用的納米顆粒，并以重金屬鎘為研究對象對大腸桿菌進(jìn)行毒性試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，納米ZnO顆粒細(xì)菌致死率高于納米TiO2顆粒，在濃度為100 mg/L時(shí)致死率高達(dá)97.95%。納米ZnO濾液對大腸桿菌有毒性，而納米TiO2濾液沒有明顯毒性。

李琳慧[12]的研究發(fā)現(xiàn)，納米TiO2對土壤中硝化細(xì)菌、氨化細(xì)菌、自生固氮菌數(shù)量產(chǎn)生抑制作用，對土壤中硝酸還原酶、脲酶、蛋白酶、脫氫酶活性產(chǎn)生抑制作用，納米TiO2的用量越高其抑制率越大；納米TiO2與土壤的接觸時(shí)間越長則抑制率越??；而種植紫花苜?？梢詼p輕其抑制作用。胡超[13]的研究也發(fā)現(xiàn)，納米 TiO2的大量使用會(huì)降低土壤中線蟲的存活率、體長和運(yùn)動(dòng)性能。高劑量的納米TiO2不僅能嚴(yán)重影響母代線蟲的運(yùn)動(dòng)和生存，還能顯著誘導(dǎo)氧化應(yīng)激響應(yīng)；但隨著線蟲代數(shù)(子一代到子三代)增加，其毒性會(huì)逐漸減弱。

李銳真[14]以模式生物大腸桿菌(Escherichia coli)為研究對象， 研究納米CuO對Escherichia coli的毒性作用，以 Escherichia coli的形貌影響和抑菌率定來表征其毒性。發(fā)現(xiàn)納米CuO的使用使Escherichia coli的形狀變得不規(guī)則，Escherichia coli表面出現(xiàn)破裂情況，而且納米CuO能夠進(jìn)入Escherichia coli內(nèi)部，造成細(xì)胞膜的破損和裂解，納米CuO濃度越高，裂解程度也越高；納米CuO對Escherichia coli的抑菌率隨著濃度的增加和時(shí)間的增長而變大，說明納米CuO對Escherichia coli的生長抑制作用明顯。

2 納米材料毒性機(jī)制研究進(jìn)展

大量研究表明，納米材料的毒性在生物個(gè)體、組織、細(xì)胞和分子水平都會(huì)產(chǎn)生，它可以引起生物大分子活性異常、發(fā)育異常、器官損傷、生物死亡、DNA損傷等。目前，納米材料的研究很多，但關(guān)于其毒性機(jī)制的研究并不十分豐富。研究也大多集中在納米材料及其與重金屬或有機(jī)污染物復(fù)合后對水生生物(如魚類、軟體動(dòng)物、藻類等) 的毒性效應(yīng)方面，對細(xì)胞、微生物、哺乳動(dòng)物的毒性研究也有部分成果，其毒性機(jī)制也有不少人進(jìn)行了探討。

劉哲[15]探索了納米TiO2對巴斯德畢赤酵母GS115的毒性及其機(jī)制，發(fā)現(xiàn)銳鈦型納米TiO2對畢赤酵母有毒性效應(yīng)，它能夠進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，打破線粒體動(dòng)態(tài)平衡，引起線粒體片段化，從而引起液泡膜滲透性增強(qiáng)，細(xì)胞膜受損，細(xì)胞壁損傷，并造成細(xì)胞壁損傷相關(guān)的ROS積累等。而畢赤酵母細(xì)胞自身可以通過合成不飽和脂肪酸來抵御納米材料的毒性，研究顯示，不飽和脂肪酸能夠?qū)寡趸瘔毫?，這為研究納米TiO2對真核生物的毒性機(jī)制提供了線索。研究還發(fā)現(xiàn)，銳鈦型TiO2納米顆粒對畢赤酵母的毒性強(qiáng)于金紅石型。前者主要通過內(nèi)吞作用進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，損傷細(xì)胞ROS清除系統(tǒng)，進(jìn)而造成細(xì)胞死亡；后者則是激活細(xì)胞的凋亡途徑，影響細(xì)胞的正常功能，導(dǎo)致細(xì)胞核DNA片段化及細(xì)胞死亡。

樊俊鵬[16]以真核微生物釀酒酵母、動(dòng)物細(xì)胞HeLa和大鼠個(gè)體為實(shí)驗(yàn)對象，從三個(gè)層次對細(xì)胞自噬異常導(dǎo)致的納米材料生物效應(yīng)和毒性機(jī)制進(jìn)行了探討。實(shí)驗(yàn)觀察了碲化鎘量子點(diǎn)在酵母群體和細(xì)胞水平的生物效應(yīng)，證明自噬流阻斷是碲化鎘量子點(diǎn)一種新的毒性機(jī)制。

近幾年，很多研究表明，納米材料與污染物一起，可能會(huì)出現(xiàn)復(fù)合毒性。復(fù)合毒性的出現(xiàn)可能有兩種情況：①納米材料自身對生物沒有明顯的物毒性，但其能促進(jìn)污染物生物積累或通過其他機(jī)制，使污染物對生物的毒性效應(yīng)增強(qiáng)；②納米材料與污染物對同一生物指標(biāo)有相似的作用，二者共存，放大了其毒性效應(yīng)。主要表現(xiàn)在促進(jìn)污染物積累、影響基因表達(dá)、抑制解毒過程等[17-18]。

3 降低納米材料毒性的途徑

隨著納米材料的應(yīng)用越來越廣泛，正確認(rèn)識其毒性誘發(fā)機(jī)制并降低納米材料毒性，從而更好地利用其潛在價(jià)值，為納米醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)科技等領(lǐng)域提供低毒甚至無毒的納米材料，成為重要的研究課題。從當(dāng)前的研究成果來看，納米材料的毒性受很多因素影響，如納米材料的尺寸、純度、表面性質(zhì)、暴露時(shí)間、暴露劑量、和反應(yīng)/作用介質(zhì)等。降低納米材料毒性的方法也主要這幾方面入手，比如改變納米材料的尺寸，提高其純度，改變其表面性質(zhì)(親疏水性、表面電荷和表面修飾)，減少暴露劑量和時(shí)間，調(diào)整反應(yīng)/作用介質(zhì)等[19-20]。

作為稀土氧化物，納米CeO2和La2O3具有較好的催化活性，被大量用于化工催化和尾氣處理。同時(shí)，也有研究表明，納米CeO2和納米La2O3對植物有一定的植物毒性。姚瑤[21]制備了納米CeO2，并以乙二胺四甲撐膦酸(EDTMP)、氨基三亞甲基膦酸(ATMP)來修飾CeO2(所用材料均為類球形)，修飾后的CeO2顆粒大小幾乎不變，產(chǎn)品中EDTMP 、ATMP中所占比例較少。將產(chǎn)品施于生菜生長地，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：納米CeO2本身對生菜生長有抑制作用，而經(jīng)修飾后的納米CeO2對生菜這種抑制作用明顯降低，特別是EDTMP修飾的納米CeO2，生菜的根伸長量施用后與沒有施用相比幾乎沒有變化。將相關(guān)La2O3產(chǎn)品用于黃瓜，研究發(fā)現(xiàn)，相比未修飾的納米La2O3，經(jīng)ATMP修飾的納米La2O3對黃瓜的根伸長量抑制效果明顯降低，經(jīng)EDTMP修飾的納米La2O3組的抑制效果降低較少；ATMP@La2O3組的La在黃瓜根部組織中的分布較納米La2O3組明顯減少，由此可見，抑制材料表面的解離可以降低其植物毒性。

藥姣[22]用硫代甜菜堿(DMT)及硫代甜菜堿的類似物S，S-二甲基-β-丙酸噻亭(DMPT)作為改性劑，借助化學(xué)共沉淀法對四氧化三鐵納米粒子(MNPs)進(jìn)行改性，合成了兩種新型Fe3O4納米粒子DMNPs和DPMNPs，改性后的Fe3O4納米粒子水溶性及分散性都得到提高，二者的水溶性良好，粒徑小，比表面積高， 通過細(xì)胞毒性分析，證明兩種材料對HepG2細(xì)胞和PC12細(xì)胞均無顯著毒性(P>0.05)。

量子點(diǎn)材料具有低生物毒性，關(guān)于其研究及應(yīng)用越來越多。孫溥臨[23]結(jié)合現(xiàn)有的CuInS量子點(diǎn)探針，據(jù)EDC偶聯(lián)的原理，通過將改進(jìn)ZCIS/ZnS量子點(diǎn)納米探針與cRGD多肽進(jìn)行偶聯(lián)，得到ZCIS/ZnS-cRGD量子點(diǎn)納米探針，該探針是一種有效的腫瘤靶向探針，具有良好的腫瘤特異性識別能力，可用于實(shí)際腫瘤靶向檢測。通過MTT實(shí)驗(yàn)對ZCIS/ZnS-cRGD量子點(diǎn)細(xì)胞毒性進(jìn)行評估發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ZCIS/ZnS-cRGD量子點(diǎn)濃度<0.8 μmol時(shí)，細(xì)胞的存活率保持在87%以上，說明該量子點(diǎn)毒性較低，可用于后續(xù)醫(yī)學(xué)研究和應(yīng)用。

4 結(jié)論

關(guān)于納米材料毒性的研究表明，納米材料自身的物理化學(xué)性質(zhì)決定了其對生物體的作用和毒性，納米材料的形狀、尺寸、化學(xué)組成、表面電荷、表面修飾、金屬雜質(zhì)、團(tuán)聚與分散性、降解性能以及蛋白質(zhì)的形成等都會(huì)影響到其產(chǎn)品毒性。截止目前，對納米材料的環(huán)境釋放量、在環(huán)境中的存在形式變化以及影響納米復(fù)合材料釋放納米材料的主要因素都有了較充分的研究。對其致毒機(jī)制的討論也達(dá)成了一些共識，但機(jī)制尚未完全清楚。研究也大多集中在個(gè)體及細(xì)胞水平，關(guān)于分子水平的研究則相對較少；由于深層的毒理研究缺乏，尚不能準(zhǔn)確評價(jià)復(fù)合污染的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，盡快建立一套相對科學(xué)、完整的毒性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法非常必要。此外，科研工作者還需要多關(guān)注納米材料在生產(chǎn)使用環(huán)節(jié)對生物體的毒性效應(yīng)、在環(huán)境中與其他污染物可能產(chǎn)生的復(fù)合污染及生態(tài)效應(yīng)等。