林晓薇，冯世成，杨胜韬

(西南民族大学化学与环境保护工程学院，四川 成都 610041)



典型纳米材料的毒性研究*

林晓薇，冯世成，杨胜韬

(西南民族大学化学与环境保护工程学院，四川 成都 610041)

随着纳米技术的进步和人工纳米材料的使用，大量纳米材料不可避免的进入生态环境，被生物体吸收或者与生物体发生直接接触。其潜在的生态风险已引起社会广泛关注。纳米材料在环境中的转化和降解关系着它们在环境中的潜在风险及生态毒性，其中纳米毒性是近年来纳米生物安全性研究的焦点。研究纳米毒性对研究纳米材料的环境潜在风险和危害有重要意义。本文通过结合国内外相关研究成果对近年来纳米材料的毒性进行了综述。

人工纳米材料；毒性；生态效应；环境效应

自从20世纪90年代人类发现富勒烯(C60)，碳纳米管(CNT)等人工碳纳米材料以来[1]，人工纳米材料凭借着其本身微小的尺寸和特殊的结构，具备了许多其他材料不曾拥有的理化性质，在材料化学、药学、生命科学、电子产业和能源产业等诸多领域被广泛应用。纳米技术是近年来迅速发展起来的前沿科技，具有广阔的应用前景[2]。

但随着人工纳米材料的大量使用，它们将不可避免地被释放到环境中，有极大的概率进入生物体内或者和生物发生接触，由此可能引起的生态风险引起社会各界的广泛关注[1]。许多顶级刊物也曾多次刊载过有关纳米材料对人体、对环境的毒性影响和潜在风险的研究报道的文章[2]。因此研究纳米材料在环境中的转化降解和生物毒性有着十分重要的意义。

本文结合了中外研究成果着重综述了几种典型纳米材料的毒性。通过文献查阅，对典型纳米材料的毒性和环境效应有了初步了解，并对未来的研究方向进行展望。

1 纳米材料

1.1 纳米科技

纳米材料是由纳米颗粒组成的具有特殊理化特性的一种新型材料。其组成单元纳米颗粒则是在空间上长度小于100 nm的微粒。在这个微观层面通过纳米颗粒组成新的具有特殊理化特性的材料——即纳米材料[3]。纳米技术就是在微观层面上,通过研究纳米颗粒的特性来制造纳米材料的技术[4]，这是一门新兴的高速发展的科学技术。

纳米材料凭借着它微小的体积和本身的结构具备了其他材料不能比拟的反应活性和理化性质，在电子应用、磁学、光学、生物医学、药学、化妆品、能源、传感器、催化以及材料学等各个领域均有十分广泛的用途。在尖端科技领域有着不可动摇的地位的同时，纳米材料也为传统领域注入了新鲜的血液，推动了传统产业的进一步发展，因此纳米技术也在世界范围内发展迅速，受到了各个国家的重视[5-6]。

1.2 纳米材料的分类

常见的纳米材料的分类方式有以下几种：

根据纳米粒子在最终的纳米材料产品中的不同的存在形态，纳米材料可以分为纳米粒子、纳米块体材料和纳米组装体系；也可以根据纳米材料的空间形态将其分类为纳米块状材料、纳米薄膜材料和纳米纤维材料[7]。

纳米材料也可以根据维数分为三类：量子点、量子线和量子阱。量子点是零维纳米材料比如纳米尺度颗粒和原子团簇；量子线是一维纳米材料，常见的碳纳米管就是此类纳米材料，还包括纳米线纳米棒等；量子阱是二维纳米材料，如超薄膜、多层膜这一类纳米材料就是典型代表[5]。

此外，凭借纳米材料在环境中的多样的存在形式还可以将其划分为：①碳质纳米材料，如富勒烯、单壁碳纳米管和多壁碳纳米管等；②纳米金属氧化物，如ZnO、CeO2、Fe3O4、CuO及TiO2等；③零价金属材料，如零价铁、银、金等；④半导体材料，如各种纳米晶粒材料，量子点(QDs)等；⑤纳米型粘土矿物，如纳米型蒙脱土、高岭土、羟基磷灰石等[7]。

2 纳米材料的毒性

下面从纳米材料在环境中的存在形式来分类，分别阐述不同类型的常见的纳米材料对微生物的毒性影响。

2.1 碳质纳米材料

碳质纳米材料最常见的有三类：碳纳米管，富勒烯和石墨烯纳米材料。

在纳米毒理学中，膜损伤是一种标志性的监测结果。在某些特定情况下，膜损伤是纳米毒性的起源[3,7]。它往往发生在NP渗透，水渗透，离子迁移和脂质触发器将被触发后。据报道纳米材料可能会通过切割细胞膜来诱发对细胞的毒性影响，例如碳纳米管，它可以降低细胞的完整性，实验报道通过分散碳纳米管以及更快地晃动碳纳米管，对细菌产生了更大的毒性作用[8-10]。

同理，石墨烯纳米材料，由于它有着锋利的片层结构，同样可以引发细胞膜的损伤[8]。也有报告指出的石墨烯破坏分子膜的机制：首先，石墨烯渗透到细胞膜大肠杆菌。然后，磷脂是由石墨烯层提取。在TEM和仿真结果一起表明，这两个步骤造成了磷脂破坏性提取，这就是石墨烯纳米材料的分子基础毒性。

以富勒烯对黑鲈的影响试验为例，最终实验研究表明富勒烯通过诱导脂质过氧化(LPO)反应干扰了细胞正常的功能和生命活动，使黑鲈鱼的大脑产生损伤，破坏了他的脑中枢神经细胞[3,6]。一系列的富勒烯对水生生物的实验表明产生生物毒性的主要机制可能是C60诱导水生生物的氧化应激，这种氧化应激所产生的氧化胁迫或自由基引发了水生生物的细胞膜破损，进而影响生物细胞的正常生命活动，导致细胞凋亡[2,7,10-11]。

2.2 纳米金属氧化物和纳米金属

近年来nTiO2，nZnO为代表的一类典型的纳米金属氧化物研究结果[6,12-15]表明影响纳米金属氧化物的毒性的一个重要因素是其溶解度强弱，可溶性的纳米金属氧化物对生物细胞的毒性可以更明显的表现出来，影响细胞的正常的生命活动，不可溶的纳米金属氧化物也会沉积潜伏在细胞体内，也会诱发生物体的不良变化，例如癌变、畸形[2,10]。另一个影响纳米金属氧化物的毒性效应的重要原因是纳米金属氧化物的化学稳定性，在发生氧化还原反应的过程中，由于电子或离子的释放、转移，强氧化性(Mn3O4，CeO2等)或还原性(FeO，CuO等)的纳米金属氧化物会产生细胞毒性和遗传毒性[7,16]。此外，由于粒径大小的原因，粒径越小，表面活性越高，毒性就越强，对微生物的伤害就越大[2,17]。

已纳米银为例的金属纳米材料：研究表明，这一类金属纳米粒子有着较强的生物毒性，纳米材料的粒子大小和纳米材料的化学稳定性是影响其毒性的重要原因。例如：①带负电的纳米银粒子可破坏了细菌细胞膜，使细菌菌膜渗透性显著增加，最终导致细胞死亡。②粒径越小的纳米粒子的活性越强，对硝化细菌的毒性越明显；同时AgNPs可使硝化细菌细胞内活性氧(ROS)含量增加并诱导细胞损伤。研究表明了金属纳米材料有着较强的生物毒性，粒径小的纳米粒子的活性和对生物毒性越强，而产生毒性的机制是纳米粒子的氧化应激，这种行为破坏了生物的细胞膜，影响了细胞的正常生命活动，使其死亡[7,18-22]。

2.3 量子点

影响量子点(QDs)的生物毒性的原因有很多，有外界因素也有本身的因素，例如：外界因素包括外包被材料的生物活性、氧化性，量子点的浓度等；同时量子点本身的组成材料的毒性和其颗粒大小也会影响量子点的毒性[3,7-8,23-24]。

3 总结和展望

综上所述，纳米颗粒的对微生物的生物毒性主要体现在: 粒径小的纳米材料由于本身的活性更容易对微生物细胞造成急性毒性影响，影响微生物正常生命活动；粒径较大进入并沉积到微生物细胞内产生癌变或者致畸，具备基因毒性影响微生物细胞的繁殖，影响细胞内的蛋白质的正常表达；通过切割破坏微生物细胞膜结构或通过氧化应激破坏了生物膜结构，产生细胞损伤，导致死亡[3,8]。

纳米材料和纳米技术在日益发展的社会各个领域中有着很大的比重，是当前社会研究的热点和重点，例如废水处理、净化空气、抗菌等[4]，促进了植物的生长和光合作用[3,25]，氮的新陈代谢[26-29]等等。但是纳米技术广泛应用于社会各个领域的同时不得不考虑它对环境的潜在风险的毒性影响。

微生物是地球生物化学循环的一个重要的组成环节，纳米材料对微生物的毒性影响势必会影响到人们的日常生活和生态环境的正常运转，撰写本文的目的也是希望通过这篇文章引起对这个现象的重视，明确毒性纳米材料对生物体的毒性影响，建议一套行之有效的研究生产方法：从生产纳米材料到纳米材料的利用以及释放到环境的过程中尽量降低或者消除纳米材料对人体，对微生物，对环境的毒性危害，让社会更有效的利用我们的研究成果。

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Study on Toxicity of Typical Nanomaterials*

LINXiao-wei,FENGShi-cheng,YANGSheng-tao

(College of Chemistry and Environment Protection Engineering, Southwest University for Nationalities,Sichuan Chengdu 610041, China)

With the progress of nanotechnology and the extensive uses of artificial nanomaterials, a large number of nanomaterials will inevitably enter the ecological environment. The nanomaterials are absorbed by organisms or directly contact with the biological systems. The potential ecological risk has attracted wide attention of the society. The degradation and transformation of nanomaterials in environment are directly related to their environmental risks and ecotoxicity, where the toxicity of nanomaterials is the most concerned one. It is important and crucial to study the potential environmental risk and hazard of nanomaterials. The recent advances in the toxicity of nanomaterials focusing on the domestic and international achievements were summarized.

artificial nanomaterials; toxicity; ecological effect; environmental effect

国家级大学生创新创业训练计划项目(No. 201510656062)。

林晓薇(1994-)，女，本科生，研究方向为纳米材料的环境效应。

冯世成(1993-)，男，硕士研究生，从事纳米材料的环境生物安全性研究。

X131

A

1001-9677(2016)020-0024-03