纳米材料毒性研究进展

罗迎娣 ， 刘 毅

(河南省化工研究所有限责任公司 ， 河南 郑州 450052)

0 前言

纳米材料是指几何尺寸达到纳米级并且具有特殊性能的一类材料。与其他材料相比，纳米材料具有常规材料不具有的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应，从而使它们在磁、光、电敏感等方面呈现出特殊性能[1]。近年来，纳米材料已广泛应用于化工、医药、农业等各个领域。大规模的生产和使用，带给了人们很多便利，也对环境和人类健康产生了不可预期的影响。越来越多的研究表明，纳米材料具有一定的生物毒性，释放到环境中可通过各种机制对微生物和高等生物产生毒性风险，对动物及其器官、组织等都会产生不同水平的影响。我们在肯定纳米材料带来了巨大便利的同时，对其可能产生的负面环境影响和生态效应也必需给予更多的关注[2-5]。本文就近几年关于纳米材料毒性研究以及降低其毒性的方法进行总结，以期为读者提供参考。

1 纳米材料的毒性研究

随着纳米材料的应用越来越广泛， 其对环境的影响也越来越大，对植物、动物、微生物都或多或少地表现出一定的毒性，对其进行研究，探讨其致毒机制，至关重要。近几年的毒性研究，主要围绕以下几方面进行。

1.1 对植物毒性的研究

纳米技术在农业领域已有广泛的应用，金属(氧化物)纳米粒子和纳米碳管(CNTs)等已被作为纳米肥料和纳米除草剂、杀虫剂、杀菌剂等使用[4]。自从纳米技术进入农业领域以来，其对农作物的安全影响一直受到高度关注，其研究日益受到重视。科研人员发现，纳米材料能够降低植物种子发芽率，抑制植物生长，导致植物枯萎死亡，甚至对植物细胞分裂、蛋白合成等也有干扰。

THABET等[5]评估了两种不同类型的纳米颗粒(纳米SiO2和纳米TiO2)对蚕豆(Vicia faba L.)地上和地下生长以及根尖细胞有丝分裂的影响。将蚕豆种子在不同浓度(25、50、75 mg/L)的纳米SiO2和纳米TiO2溶液中浸泡24 h，纳米TiO2降低了活力指数，出现短枝现象。相比之下，任何处理对种子发芽率和根长都没有影响。细胞学分析显示有丝分裂指数(细胞分裂活性指数)与对照组无显著差异。然而，纳米SiO2和纳米TiO2增加了染色体畸变率。此外，纳米材料还诱导了不同类型的染色体异常；纳米SiO2在50、75 mg/L时诱导了桥，而纳米TiO2在50 mg/L时诱导了断裂。研究结论指出，在所研究的浓度下，纳米TiO2对蚕豆染色体和早期植株发育的毒性大于纳米SiO2。

刘尚杰[6]为了探讨碳纳米颗粒对高等植物生长的影响机制，以石墨烯为研究对象，测试了其对水稻生长的影响。结果显示，石墨烯会延缓水稻种子的萌发速率，这种延缓效应随着石墨烯浓度的增大越来越显著。一定浓度的石墨烯对水稻种子的发芽率影响不大，但能抑制种子的胚芽和胚根的生长，且随着石墨烯浓度的升高这种抑制作用还会增强。研究也显示，低浓度的石墨烯对水稻幼苗形态建成的影响作用较小或有一定的促进作用；高浓度的石墨烯则对水稻幼苗形态建成有抑制作用，随着浓度的升高抑制作用还会逐渐增强。石墨烯既能诱导幼苗根部抗氧化系统发生应激反应，也能改变叶片中叶绿素含量。

1.2 对动物毒性的研究

纳米二氧化硅是目前使用较为广泛的一类纳米材料，被广泛应用于涂料添加剂、电子材料、杀菌剂、润滑剂以及医学相关领域。杨尚悦[7]分别用大型蚤和斑马鱼两种生物来研究纳米二氧化硅的生态毒性，尤其是对水生态环境造成毒性进行评价，结果显示，大型蚤实验组中，观察到大型蚤的体内检测出了纳米颗粒，大型蚤出现了肠道断裂和身体破裂的情况。常规二氧化硅均未观察到颗粒物进入大型蚤体内，仅有部分颗粒物附着于大型蚤体表，斑马鱼实验组中，纳米二氧化硅染毒组中，斑马鱼幼鱼在各时间段均发育畸形，并且出现提前孵化情况。此外，随着染毒浓度的升高，纳米实验组的受精卵孵化率逐渐下降。杨维超[8]的研究也证明，纳米二氧化硅可以导致斑马鱼胚胎及幼体出现发育畸形，延迟发育甚至死亡等。

刘修昀[9]将Fe3O4、SiO2、TiO2和CuO(均为纳米级)添加到家蚕的食物中，探讨了长期添食不同纳米颗粒对家蚕的毒性。结果显示，4种纳米材料都对家蚕血细胞有明显的损伤，其损伤程度与添食时间、纳米颗粒浓度以及种类相关，其中纳米CuO对家蚕血细胞的损伤最大，纳米SiO2、Fe3O4次之，纳米TiO2对家蚕的损伤最小。添食4种纳米颗粒后，家蚕血液蛋白质浓度均出现下降，此外，蚕丝的力学性能也降低了。

1.3 对微生物毒性的研究

微生物在生态系统中发挥着重要的作用，能够维持生态平衡系统的物质循环、分解生物遗体、分解有毒物质等。研究纳米材料对微生物的毒性效应，对改善和生态修复具有重要作用。

MANCUSO等[10]为了评估纳米CuO的急性细胞毒性，采用基于人骨髓间充质干细胞来进行毒性试验，结果发现，相比微米级CuO，纳米级CuO的毒性要大得多，其半数致死量(LC50)约为2.5 g/mL，而微米级CuO的LC50约72.13 g/mL。

傅世磊[11]将使用两种较为常用的纳米颗粒，并以重金属镉为研究对象对大肠杆菌进行毒性试验。试验表明，纳米ZnO颗粒细菌致死率高于纳米TiO2颗粒，在浓度为100 mg/L时致死率高达97.95%。纳米ZnO滤液对大肠杆菌有毒性，而纳米TiO2滤液没有明显毒性。

李琳慧[12]的研究发现，纳米TiO2对土壤中硝化细菌、氨化细菌、自生固氮菌数量产生抑制作用，对土壤中硝酸还原酶、脲酶、蛋白酶、脱氢酶活性产生抑制作用，纳米TiO2的用量越高其抑制率越大；纳米TiO2与土壤的接触时间越长则抑制率越小；而种植紫花苜蓿可以减轻其抑制作用。胡超[13]的研究也发现，纳米 TiO2的大量使用会降低土壤中线虫的存活率、体长和运动性能。高剂量的纳米TiO2不仅能严重影响母代线虫的运动和生存，还能显著诱导氧化应激响应；但随着线虫代数(子一代到子三代)增加，其毒性会逐渐减弱。

李锐真[14]以模式生物大肠杆菌(Escherichia coli)为研究对象， 研究纳米CuO对Escherichia coli的毒性作用，以 Escherichia coli的形貌影响和抑菌率定来表征其毒性。发现纳米CuO的使用使Escherichia coli的形状变得不规则，Escherichia coli表面出现破裂情况，而且纳米CuO能够进入Escherichia coli内部，造成细胞膜的破损和裂解，纳米CuO浓度越高，裂解程度也越高；纳米CuO对Escherichia coli的抑菌率随着浓度的增加和时间的增长而变大，说明纳米CuO对Escherichia coli的生长抑制作用明显。

2 纳米材料毒性机制研究进展

大量研究表明，纳米材料的毒性在生物个体、组织、细胞和分子水平都会产生，它可以引起生物大分子活性异常、发育异常、器官损伤、生物死亡、DNA损伤等。目前，纳米材料的研究很多，但关于其毒性机制的研究并不十分丰富。研究也大多集中在纳米材料及其与重金属或有机污染物复合后对水生生物(如鱼类、软体动物、藻类等) 的毒性效应方面，对细胞、微生物、哺乳动物的毒性研究也有部分成果，其毒性机制也有不少人进行了探讨。

刘哲[15]探索了纳米TiO2对巴斯德毕赤酵母GS115的毒性及其机制，发现锐钛型纳米TiO2对毕赤酵母有毒性效应，它能够进入细胞内部，打破线粒体动态平衡，引起线粒体片段化，从而引起液泡膜渗透性增强，细胞膜受损，细胞壁损伤，并造成细胞壁损伤相关的ROS积累等。而毕赤酵母细胞自身可以通过合成不饱和脂肪酸来抵御纳米材料的毒性，研究显示，不饱和脂肪酸能够对抗氧化压力，这为研究纳米TiO2对真核生物的毒性机制提供了线索。研究还发现，锐钛型TiO2纳米颗粒对毕赤酵母的毒性强于金红石型。前者主要通过内吞作用进入细胞内部，损伤细胞ROS清除系统，进而造成细胞死亡；后者则是激活细胞的凋亡途径，影响细胞的正常功能，导致细胞核DNA片段化及细胞死亡。

樊俊鹏[16]以真核微生物酿酒酵母、动物细胞HeLa和大鼠个体为实验对象，从三个层次对细胞自噬异常导致的纳米材料生物效应和毒性机制进行了探讨。实验观察了碲化镉量子点在酵母群体和细胞水平的生物效应，证明自噬流阻断是碲化镉量子点一种新的毒性机制。

近几年，很多研究表明，纳米材料与污染物一起，可能会出现复合毒性。复合毒性的出现可能有两种情况：①纳米材料自身对生物没有明显的物毒性，但其能促进污染物生物积累或通过其他机制，使污染物对生物的毒性效应增强；②纳米材料与污染物对同一生物指标有相似的作用，二者共存，放大了其毒性效应。主要表现在促进污染物积累、影响基因表达、抑制解毒过程等[17-18]。

3 降低纳米材料毒性的途径

随着纳米材料的应用越来越广泛，正确认识其毒性诱发机制并降低纳米材料毒性，从而更好地利用其潜在价值，为纳米医学、农业科技等领域提供低毒甚至无毒的纳米材料，成为重要的研究课题。从当前的研究成果来看，纳米材料的毒性受很多因素影响，如纳米材料的尺寸、纯度、表面性质、暴露时间、暴露剂量、和反应/作用介质等。降低纳米材料毒性的方法也主要这几方面入手，比如改变纳米材料的尺寸，提高其纯度，改变其表面性质(亲疏水性、表面电荷和表面修饰)，减少暴露剂量和时间，调整反应/作用介质等[19-20]。

作为稀土氧化物，纳米CeO2和La2O3具有较好的催化活性，被大量用于化工催化和尾气处理。同时，也有研究表明，纳米CeO2和纳米La2O3对植物有一定的植物毒性。姚瑶[21]制备了纳米CeO2，并以乙二胺四甲撑膦酸(EDTMP)、氨基三亚甲基膦酸(ATMP)来修饰CeO2(所用材料均为类球形)，修饰后的CeO2颗粒大小几乎不变，产品中EDTMP 、ATMP中所占比例较少。将产品施于生菜生长地，结果发现：纳米CeO2本身对生菜生长有抑制作用，而经修饰后的纳米CeO2对生菜这种抑制作用明显降低，特别是EDTMP修饰的纳米CeO2，生菜的根伸长量施用后与没有施用相比几乎没有变化。将相关La2O3产品用于黄瓜，研究发现，相比未修饰的纳米La2O3，经ATMP修饰的纳米La2O3对黄瓜的根伸长量抑制效果明显降低，经EDTMP修饰的纳米La2O3组的抑制效果降低较少；ATMP@La2O3组的La在黄瓜根部组织中的分布较纳米La2O3组明显减少，由此可见，抑制材料表面的解离可以降低其植物毒性。

药姣[22]用硫代甜菜碱(DMT)及硫代甜菜碱的类似物S，S-二甲基-β-丙酸噻亭(DMPT)作为改性剂，借助化学共沉淀法对四氧化三铁纳米粒子(MNPs)进行改性，合成了两种新型Fe3O4纳米粒子DMNPs和DPMNPs，改性后的Fe3O4纳米粒子水溶性及分散性都得到提高，二者的水溶性良好，粒径小，比表面积高， 通过细胞毒性分析，证明两种材料对HepG2细胞和PC12细胞均无显著毒性(P>0.05)。

量子点材料具有低生物毒性，关于其研究及应用越来越多。孙溥临[23]结合现有的CuInS量子点探针，据EDC偶联的原理，通过将改进ZCIS/ZnS量子点纳米探针与cRGD多肽进行偶联，得到ZCIS/ZnS-cRGD量子点纳米探针，该探针是一种有效的肿瘤靶向探针，具有良好的肿瘤特异性识别能力，可用于实际肿瘤靶向检测。通过MTT实验对ZCIS/ZnS-cRGD量子点细胞毒性进行评估发现，当ZCIS/ZnS-cRGD量子点浓度<0.8 μmol时，细胞的存活率保持在87%以上，说明该量子点毒性较低，可用于后续医学研究和应用。

4 结论

关于纳米材料毒性的研究表明，纳米材料自身的物理化学性质决定了其对生物体的作用和毒性，纳米材料的形状、尺寸、化学组成、表面电荷、表面修饰、金属杂质、团聚与分散性、降解性能以及蛋白质的形成等都会影响到其产品毒性。截止目前，对纳米材料的环境释放量、在环境中的存在形式变化以及影响纳米复合材料释放纳米材料的主要因素都有了较充分的研究。对其致毒机制的讨论也达成了一些共识，但机制尚未完全清楚。研究也大多集中在个体及细胞水平，关于分子水平的研究则相对较少；由于深层的毒理研究缺乏，尚不能准确评价复合污染的环境风险，尽快建立一套相对科学、完整的毒性试验标准方法非常必要。此外，科研工作者还需要多关注纳米材料在生产使用环节对生物体的毒性效应、在环境中与其他污染物可能产生的复合污染及生态效应等。