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          納米材料應用風險淺探

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          納米材料應用風險淺探

          納米材料的潛在風險

          盡管目前已有多種納米材料被證明是有毒的,但具體的毒理學機制尚不明確(見圖3)。有文獻指出納米顆粒能夠被真核細胞和原核細胞吸收并在細胞內積累。另有研究指出納米顆粒可以進入植物細胞,而此前也有研究認為植物細胞壁可以阻擋納米顆粒的侵入。Lin等[16,17]的研究顯示,含有鋅和鋁的外源性納米顆粒會影響農作物的發芽以及幼苗根部的發育,吸附于根表面的ZnO能夠進入根部細胞的質外體和原生質體,使幼苗的生物質明顯減少,根尖萎縮,根部細胞高度空泡或瓦解。Warheit等[18]研究了單壁碳納米管(Single-wallcarbonnanotubes,SWCNT)的肺部毒性。實驗通過向大鼠氣管內按1mg/kg和5mg/kg分別灌輸單壁碳納米管、石英顆粒、羥基鐵顆粒,并以灌輸磷酸鹽緩沖溶液和土溫80(乳化劑)的大鼠作為對照進行對比實驗。結果顯示,暴露于高濃度SWC-NT下的大鼠24h后的死亡率約為15%,源于肺部支氣管的機械性堵塞;同時,SWCNT和石英顆粒一樣會引起肺部炎癥和細胞損傷。而且SWCNT還會引發特殊的多灶性單核肉芽腫,它以SWCNT顆粒為核心,外側包裹巨噬細胞樣大型細胞。這種病變無法用傳統的支氣管肺泡灌洗和細胞培養法診斷。李俊剛等[19]研究了納米TiO2對小鼠腦部的毒性,方法與D.B.Warheit等的類似,通過向小鼠氣管按0.4mg/kg、4.0mg/kg、40.0mg/kg3種劑量灌輸納米TiO2,3d后用電感耦合等離子質譜儀(ICP-MS)測定每組小鼠大腦和血漿中的TiO2濃度。結果顯示,隨劑量的增加,大腦和血液中TiO2的濃度增加,腦漿中H2O2的濃度也增加,同時對大腦產生濃度依賴性損傷,表現為血腦屏障破壞、組織內溢血、組織壞死。IngridBeck-Speier等在《自由基生物學和醫學》上指出,納米碳顆粒的尺寸下降到5~10nm時,會刺激人體免疫系統中巨噬細胞的磷酰化酶,導致前列腺素等合成量增加,引發炎癥和免疫系統紊亂。D.M.Brown等研究了納米氧化鈦、納米聚苯乙烯和碳納米管的負面效應,結果顯示尺寸在幾到幾十納米區間內的顆粒對人體甲硫氨酸中的硫鍵有極強的氧化性,氧化生成亞砜,同樣對半胱氨酸也有類似的破壞作用[5]。Zhu等[20]比較了微米級TiO2和納米TiO2對胃液中胃蛋白酶結合能力和酶活性的抑制作用,發現微米級TiO2僅與胃蛋白酶發生物理吸附,對蛋白質一級和二級結構均無影響;而納米TiO2除存在物理吸附外,還與之發生協同作用,使蛋白質的二級結構展開,從而破壞酶的保護機制,顯著降低酶活性。另外,納米材料也存在傳統意義上的毒性。某些納米材料中包含了金屬元素,與金屬鹽不同,這些金屬元素通常是非離子態的,包括零價的重金屬,而另一些納米材料表面則連接有一些可能脫落的基團[21],若重金屬粒子和有毒的不穩定基團從納米材料表面脫離或從內部游離出來,則會具有相應有毒物質在傳統形態下的毒性。

          存在的問題和思考

          納米材料的性質及生物活性是由包括其化學成分在內的顆粒尺寸、形狀、聚集態等多方面特征共同決定的。這使納米材料在生物體這一復雜體系中的行為更加撲朔迷離,如果沒有對上述復雜性狀進行準確的描述和限定,就沒有辦法準確地標定劑量。我國亟待從可持續發展戰略的基點出發,制定出一套切實可行且符合我國納米產業現狀的納米材料安全性規劃。在處理納米廢棄物時,亦應遵循固體廢棄物管理的3R原則———減量、回用、循環(Reduce,Reuse,Recycle),盡可能減少向環境的排放,在納米材料的環境影響明確之前,最大限度地降低潛在風險。

          本文作者:沈哲代朝猛張亞雷作者單位:同濟大學環境科學與工程學院