羅迎娣 ， 劉 毅

(河南省化工研究所有限責任公司 ， 河南 鄭州 450052)

0 前言

納米材料是指幾何尺寸達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、表面效應、量子尺寸效應以及宏觀量子隧道效應，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，納米材料已廣泛應用于化工、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等各個領域。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)境中可通過各種機制對微生物和高等生物產(chǎn)生毒性風險，對動物及其器官、組織等都會產(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，對其可能產(chǎn)生的負面環(huán)境影響和生態(tài)效應也必需給予更多的關注[2-5]。本文就近幾年關于納米材料毒性研究以及降低其毒性的方法進行總結，以期為讀者提供參考。

1 納米材料的毒性研究

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

1.1 對植物毒性的研究

納米技術在農(nóng)業(yè)領域已有廣泛的應用，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]。自從納米技術進入農(nóng)業(yè)領域以來，其對農(nóng)作物的安全影響一直受到高度關注，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，導致植物枯萎死亡，甚至對植物細胞分裂、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。細胞學分析顯示有絲分裂指數(shù)(細胞分裂活性指數(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，納米材料還誘導了不同類型的染色體異常；納米SiO2在50、75 mg/L時誘導了橋，而納米TiO2在50 mg/L時誘導了斷裂。研究結論指出，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制，以石墨烯為研究對象，測試了其對水稻生長的影響。結果顯示，石墨烯會延緩水稻種子的萌發(fā)速率，這種延緩效應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增強。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逐漸增強。石墨烯既能誘導幼苗根部抗氧化系統(tǒng)發(fā)生應激反應，也能改變葉片中葉綠素含量。

1.2 對動物毒性的研究

納米二氧化硅是目前使用較為廣泛的一類納米材料，被廣泛應用于涂料添加劑、電子材料、殺菌劑、潤滑劑以及醫(yī)學相關領域。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)境造成毒性進行評價，結果顯示，大型蚤實驗組中，觀察到大型蚤的體內檢測出了納米顆粒，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入大型蚤體內，僅有部分顆粒物附著于大型蚤體表，斑馬魚實驗組中，納米二氧化硅染毒組中，斑馬魚幼魚在各時間段均發(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，納米實驗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。結果顯示，4種納米材料都對家蠶血細胞有明顯的損傷，其損傷程度與添食時間、納米顆粒濃度以及種類相關，其中納米CuO對家蠶血細胞的損傷最大，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，家蠶血液蛋白質濃度均出現(xiàn)下降，此外，蠶絲的力學性能也降低了。

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)的物質循環(huán)、分解生物遺體、分解有毒物質等。研究納米材料對微生物的毒性效應，對改善和生態(tài)修復具有重要作用。

MANCUSO等[10]為了評估納米CuO的急性細胞毒性，采用基于人骨髓間充質干細胞來進行毒性試驗，結果發(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行毒性試驗。試驗表明，納米ZnO顆粒細菌致死率高于納米TiO2顆粒，在濃度為100 mg/L時致死率高達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對土壤中硝化細菌、氨化細菌、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的大量使用會降低土壤中線蟲的存活率、體長和運動性能。高劑量的納米TiO2不僅能嚴重影響母代線蟲的運動和生存，還能顯著誘導氧化應激響應；但隨著線蟲代數(shù)(子一代到子三代)增加，其毒性會逐漸減弱。

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能夠進入Escherichia coli內部，造成細胞膜的破損和裂解，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 納米材料毒性機制研究進展

大量研究表明，納米材料的毒性在生物個體、組織、細胞和分子水平都會產(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，但關于其毒性機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污染物復合后對水生生物(如魚類、軟體動物、藻類等) 的毒性效應方面，對細胞、微生物、哺乳動物的毒性研究也有部分成果，其毒性機制也有不少人進行了探討。

劉哲[15]探索了納米TiO2對巴斯德畢赤酵母GS115的毒性及其機制，發(fā)現(xiàn)銳鈦型納米TiO2對畢赤酵母有毒性效應，它能夠進入細胞內部，打破線粒體動態(tài)平衡，引起線粒體片段化，從而引起液泡膜滲透性增強，細胞膜受損，細胞壁損傷，并造成細胞壁損傷相關的ROS積累等。而畢赤酵母細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，不飽和脂肪酸能夠對抗氧化壓力，這為研究納米TiO2對真核生物的毒性機制提供了線索。研究還發(fā)現(xiàn)，銳鈦型TiO2納米顆粒對畢赤酵母的毒性強于金紅石型。前者主要通過內吞作用進入細胞內部，損傷細胞ROS清除系統(tǒng)，進而造成細胞死亡；后者則是激活細胞的凋亡途徑，影響細胞的正常功能，導致細胞核DNA片段化及細胞死亡。

樊俊鵬[16]以真核微生物釀酒酵母、動物細胞HeLa和大鼠個體為實驗對象，從三個層次對細胞自噬異常導致的納米材料生物效應和毒性機制進行了探討。實驗觀察了碲化鎘量子點在酵母群體和細胞水平的生物效應，證明自噬流阻斷是碲化鎘量子點一種新的毒性機制。

近幾年，很多研究表明，納米材料與污染物一起，可能會出現(xiàn)復合毒性。復合毒性的出現(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，但其能促進污染物生物積累或通過其他機制，使污染物對生物的毒性效應增強；②納米材料與污染物對同一生物指標有相似的作用，二者共存，放大了其毒性效應。主要表現(xiàn)在促進污染物積累、影響基因表達、抑制解毒過程等[17-18]。

3 降低納米材料毒性的途徑

隨著納米材料的應用越來越廣泛，正確認識其毒性誘發(fā)機制并降低納米材料毒性，從而更好地利用其潛在價值，為納米醫(yī)學、農(nóng)業(yè)科技等領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、暴露時間、暴露劑量、和反應/作用介質等。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(親疏水性、表面電荷和表面修飾)，減少暴露劑量和時間，調整反應/作用介質等[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，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，借助化學共沉淀法對四氧化三鐵納米粒子(MNPs)進行改性，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， 通過細胞毒性分析，證明兩種材料對HepG2細胞和PC12細胞均無顯著毒性(P>0.05)。

量子點材料具有低生物毒性，關于其研究及應用越來越多。孫溥臨[23]結合現(xiàn)有的CuInS量子點探針，據(jù)EDC偶聯(lián)的原理，通過將改進ZCIS/ZnS量子點納米探針與cRGD多肽進行偶聯(lián)，得到ZCIS/ZnS-cRGD量子點納米探針，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，可用于實際腫瘤靶向檢測。通過MTT實驗對ZCIS/ZnS-cRGD量子點細胞毒性進行評估發(fā)現(xiàn)，當ZCIS/ZnS-cRGD量子點濃度<0.8 μmol時，細胞的存活率保持在87%以上，說明該量子點毒性較低，可用于后續(xù)醫(yī)學研究和應用。

4 結論

關于納米材料毒性的研究表明，納米材料自身的物理化學性質決定了其對生物體的作用和毒性，納米材料的形狀、尺寸、化學組成、表面電荷、表面修飾、金屬雜質、團聚與分散性、降解性能以及蛋白質的形成等都會影響到其產(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。對其致毒機制的討論也達成了一些共識，但機制尚未完全清楚。研究也大多集中在個體及細胞水平，關于分子水平的研究則相對較少；由于深層的毒理研究缺乏，尚不能準確評價復合污染的環(huán)境風險，盡快建立一套相對科學、完整的毒性試驗標準方法非常必要。此外，科研工作者還需要多關注納米材料在生產(chǎn)使用環(huán)節(jié)對生物體的毒性效應、在環(huán)境中與其他污染物可能產(chǎn)生的復合污染及生態(tài)效應等。