毒理学-纳米材料环境毒理学研究进展课件.ppt

1、纳米技术与纳米材料纳米技术与纳米材料纳米材料进入环境的途径纳米材料进入环境的途径纳米材料的水环境行为纳米材料的水环境行为纳米材料可能的毒性机制纳米材料可能的毒性机制纳米材料水生态毒理效应的研究纳米材料水生态毒理效应的研究研究展望研究展望1.纳米技术与纳米材料纳米技术与纳米材料纳米技术概述：纳米技术概述：纳米技术是一个包括物理、化学、生物、工程以及电纳米技术是一个包括物理、化学、生物、工程以及电子过程和材料应用等为一体的多学科技术，包括生产、处子过程和材料应用等为一体的多学科技术，包括生产、处理及应用粒径在理及应用粒径在100 nm以内的特殊材料以内的特殊材料纳米材料。纳米材料。纳米材料粒径非常

2、小，处于原子簇和宏观粒子交界的纳米材料粒径非常小，处于原子簇和宏观粒子交界的过渡区域。它和微米级的材料相比；具有非常大的比表面过渡区域。它和微米级的材料相比；具有非常大的比表面积和特殊的量子效应，这使其拥有了许多奇异的特性。积和特殊的量子效应，这使其拥有了许多奇异的特性。纳米材料在电子、磁学、光学、生物医学、药学、化纳米材料在电子、磁学、光学、生物医学、药学、化妆品、能源、传感器、催化剂以及材料学等各个领域均有广妆品、能源、传感器、催化剂以及材料学等各个领域均有广泛的用途。泛的用途。1.纳米技术与纳米材料纳米技术与纳米材料纳米材料分类：纳米材料分类：（1）按颗粒形态：）按颗粒形态：纳米管、纳米

3、线、纳米晶体、量子点等。纳米管、纳米线、纳米晶体、量子点等。（2）按化学组成：）按化学组成：纳米金属、纳米晶体、纳米高分子和纳米复合材料等。纳米金属、纳米晶体、纳米高分子和纳米复合材料等。（3）按材料物性：）按材料物性：纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线性光学材料和纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线性光学材料和纳米超导材料等。纳米超导材料等。1.纳米技术与纳米材料纳米技术与纳米材料纳米材料的环境特性：纳米材料的环境特性：（1）生物大分子的强烈结合性。）生物大分子的强烈结合性。（2）生态系统的潜在累积毒性。）生态系统的潜在累积毒性。（3）多种污染物的组合复合性。）多种污染物的组合复合性。（4）扩

4、散和迁移的传播广阔性。）扩散和迁移的传播广阔性。2.纳米材料进入环境的途径纳米材料进入环境的途径纳米材料进入环境的途径：纳米材料进入环境的途径：纳米材料可以通过多种途径进入环境而成为纳米污染纳米材料可以通过多种途径进入环境而成为纳米污染物。总的来说，在研究、生产、运输、使用及废物处理等物。总的来说，在研究、生产、运输、使用及废物处理等过程中的直接或间接释放，是纳米材料进入环境的主要途过程中的直接或间接释放，是纳米材料进入环境的主要途径。径。（1）随着近年来纳米材料研究的广泛兴起以及生产纳）随着近年来纳米材料研究的广泛兴起以及生产纳米材料的工厂在世界范围内的迅速增加，米材料的工厂在世界范围内的迅

5、速增加，工厂和实验室的工厂和实验室的废物排放是当前纳米材料进入环境的重要途径。废物排放是当前纳米材料进入环境的重要途径。2.纳米材料进入环境的途径纳米材料进入环境的途径纳米材料进入环境的途径：纳米材料进入环境的途径：（2）与人们生活密切相关的纳米产品的使用。如个人防）与人们生活密切相关的纳米产品的使用。如个人防护品护品(化妆品、遮光剂化妆品、遮光剂)、纳米运动器材以及纳米纤维等都可以、纳米运动器材以及纳米纤维等都可以通过在使用与处理等过程被释放到环境。通过在使用与处理等过程被释放到环境。（3）纳米材料的环境直接释放。如纳米监测系统）纳米材料的环境直接释放。如纳米监测系统(如传感如传感器器)、污

6、染物控制和清除系统以及对土壤和水体的脱盐处理等。污染物控制和清除系统以及对土壤和水体的脱盐处理等。目前己经有多种纳米材料用于环境治理，目前己经有多种纳米材料用于环境治理，当处理不当很可能造当处理不当很可能造成环境二次污染。成环境二次污染。3.纳米材料的水环境行为纳米材料的水环境行为 鉴于纳米材料的特性及其潜在的环境影响，纳米材料一旦进鉴于纳米材料的特性及其潜在的环境影响，纳米材料一旦进入水环境，明确其在水环境中的行为是非常关键的问题，这直接入水环境，明确其在水环境中的行为是非常关键的问题，这直接关系到纳米材料在水环境中的迁移转化、纳米材料特性及毒性变关系到纳米材料在水环境中的迁移转化、纳米材料

7、特性及毒性变化等。化等。（1）团聚作用）团聚作用 纳米材料的粒径小、比表面积大、表面活性高，一旦进入水纳米材料的粒径小、比表面积大、表面活性高，一旦进入水体就很难分散，极易发生团聚。体就很难分散，极易发生团聚。纳米材料在水中的粒径与其浓度纳米材料在水中的粒径与其浓度相关，随着浓度的提高粒径增大。相关，随着浓度的提高粒径增大。3.纳米材料的水环境行为纳米材料的水环境行为（2）吸附作用）吸附作用 一般来说，纳米材料表面都带有电荷，如纳米一般来说，纳米材料表面都带有电荷，如纳米TiO2的零电势的零电势点为点为5.2，而天然水体的，而天然水体的pH一般都高于此值，所以天然水体中纳米一般都高于此值，所以

8、天然水体中纳米TiO2。表面都带有负电荷。另外，纳米材料拥有大比表面积，在。表面都带有负电荷。另外，纳米材料拥有大比表面积，在水中可以吸附多种类型的分子。水中可以吸附多种类型的分子。（3）生物积蓄）生物积蓄 生物降解与生物积蓄是相互联系的，能在生物体内积蓄的纳生物降解与生物积蓄是相互联系的，能在生物体内积蓄的纳米材料一般不被生物降解，而目前生产的纳米材料以不可生物降米材料一般不被生物降解，而目前生产的纳米材料以不可生物降解的居多，所以纳米材料在生物体内的积蓄作用不可忽略。解的居多，所以纳米材料在生物体内的积蓄作用不可忽略。3.纳米材料的水环境行为纳米材料的水环境行为（4）纳米材料与有机质的相互

9、作用）纳米材料与有机质的相互作用 有机质是天然水体中普遍存在的物质，由于纳米材料具有较有机质是天然水体中普遍存在的物质，由于纳米材料具有较强的吸附性能，所以存在于天然水体中的纳米材料极有可能与其强的吸附性能，所以存在于天然水体中的纳米材料极有可能与其中的有机质相互作用，从而改变纳米材料本身的特性，进而影响中的有机质相互作用，从而改变纳米材料本身的特性，进而影响到纳米材料的水生态毒性。到纳米材料的水生态毒性。（5）纳米材料的水环境微界面行为）纳米材料的水环境微界面行为 由于较强的吸附作用，纳米颗粒会富集在天然水体中的各种由于较强的吸附作用，纳米颗粒会富集在天然水体中的各种大颗粒物表面，组成微界面

10、，且微界面的纳米材料的浓度高于天大颗粒物表面，组成微界面，且微界面的纳米材料的浓度高于天然水体中的浓度，因此微界面上纳米材料的水环境行为会更强烈。然水体中的浓度，因此微界面上纳米材料的水环境行为会更强烈。4.纳米材料可能的毒性机制纳米材料可能的毒性机制 细胞能够直接摄取纳米颗粒，同时纳米颗粒也可以直接穿透细胞能够直接摄取纳米颗粒，同时纳米颗粒也可以直接穿透细胞膜进入细胞，这主要是由于纳米材料粒径小细胞膜进入细胞，这主要是由于纳米材料粒径小(比细胞小比细胞小100010000倍倍)，并且有文献表明，细胞对纳米颗粒的摄取主要取决于其，并且有文献表明，细胞对纳米颗粒的摄取主要取决于其粒径。这些被细胞

11、摄取的纳米颗粒一般都富集在细胞的特定部分粒径。这些被细胞摄取的纳米颗粒一般都富集在细胞的特定部分(如线粒体如线粒体)，位于细胞内的纳米颗粒能够产生细胞内毒性。，位于细胞内的纳米颗粒能够产生细胞内毒性。部分纳米材料与光或紫外线一起暴露时，活性氧化自由基的部分纳米材料与光或紫外线一起暴露时，活性氧化自由基的产生速率明显加快，纳米材料的毒性明显加强。产生速率明显加快，纳米材料的毒性明显加强。5.纳米材料水生态毒理效应的研究纳米材料水生态毒理效应的研究 人工制备的纳米颗粒可通过工业生产、纳米产品分解、纳米人工制备的纳米颗粒可通过工业生产、纳米产品分解、纳米材料自组装等途径释放到空气中，并与空气中的化学

12、污染物、重材料自组装等途径释放到空气中，并与空气中的化学污染物、重金属及各种细粒子结合，反应形成二次粒子来增强纳米材料的毒金属及各种细粒子结合，反应形成二次粒子来增强纳米材料的毒性作用。有研究发现，多种纳米材料可以对受试动物造成明显的性作用。有研究发现，多种纳米材料可以对受试动物造成明显的毒理效应。毒理效应。有许多研究表明：纳米材料可以通过消化道、呼吸道及皮肤有许多研究表明：纳米材料可以通过消化道、呼吸道及皮肤接触等方式进入生物体，被生物体所摄取的纳米颗粒不仅可以在接触等方式进入生物体，被生物体所摄取的纳米颗粒不仅可以在生物体相应组织中沉积，而且可以通过血液循环等方式进入其他生物体相应组织中沉

13、积，而且可以通过血液循环等方式进入其他组织中。组织中。5.纳米材料水生态毒理效应的研究纳米材料水生态毒理效应的研究对水生动物的毒理效应对水生动物的毒理效应 水生动物对纳米材料的摄取途径主要包括通过摄食过程进入水生动物对纳米材料的摄取途径主要包括通过摄食过程进入生物体内和纳米材料直接穿透表皮进入生物体。生物体内和纳米材料直接穿透表皮进入生物体。纳米纳米TiO2颗粒会在虹鳟鱼的消化道和鳃内积蓄，并且通过消颗粒会在虹鳟鱼的消化道和鳃内积蓄，并且通过消化道和表皮摄取的纳米化道和表皮摄取的纳米TiO2颗粒可以转运到其他的器官组织中。颗粒可以转运到其他的器官组织中。毒理学实验表明，不管从细胞水平还是生物个

14、体水平来看，纳米毒理学实验表明，不管从细胞水平还是生物个体水平来看，纳米材料对水生动物均有一定的毒性作用。材料对水生动物均有一定的毒性作用。将黑鲈暴露于含将黑鲈暴露于含0.5 mg/kg可溶性纳米可溶性纳米C60的水溶液中，的水溶液中，48 h后后发现黑鲈出现了明显的脑部脂质过氧化损伤、鳃部总谷胱甘肽显发现黑鲈出现了明显的脑部脂质过氧化损伤、鳃部总谷胱甘肽显著下降及肝基因表达的改变。著下降及肝基因表达的改变。5.纳米材料水生态毒理效应的研究纳米材料水生态毒理效应的研究对浮游植物的毒理效应对浮游植物的毒理效应 浮游植物作为水环境中重要的生产者，在整个水生态系统中浮游植物作为水环境中重要的生产者，

15、在整个水生态系统中占重要的地位，纳米材料对浮游植物的毒害及浮游植物对纳米颗占重要的地位，纳米材料对浮游植物的毒害及浮游植物对纳米颗粒的积蓄均能直接或间接地影响整个水生态系统。粒的积蓄均能直接或间接地影响整个水生态系统。纳米纳米C60为为90mg/L时，对藻的生长速率的抑制大约为时，对藻的生长速率的抑制大约为30，当，当藻与纳米藻与纳米C60颗粒团聚体接触时，会加速水体中其他污染物在藻细颗粒团聚体接触时，会加速水体中其他污染物在藻细胞内的富集。胞内的富集。将纳米材料制成纳米杀藻布，用于纳米杀藻的研究。结果发将纳米材料制成纳米杀藻布，用于纳米杀藻的研究。结果发现，当纳米杀藻布面积为现，当纳米杀藻布

16、面积为0.08 cm2/mL、光照下处理、光照下处理24 h时，藻悬时，藻悬浮液中微囊藻、鱼腥藻、裸藻和衣藻的细胞密度分别下降了浮液中微囊藻、鱼腥藻、裸藻和衣藻的细胞密度分别下降了77.0、69.1、89.1和和56.9，硅藻舟型藻的叶绿素下降了，硅藻舟型藻的叶绿素下降了187(质质量分数量分数)。5.纳米材料水生态毒理效应的研究纳米材料水生态毒理效应的研究对微生物的毒理效应对微生物的毒理效应 纳米材料具有胞内毒性，对微生物具有抑制杀灭作用，纳米材料具有胞内毒性，对微生物具有抑制杀灭作用，而且在实际应用中已将纳米材料用于杀毒抗菌等方面。而且在实际应用中已将纳米材料用于杀毒抗菌等方面。纳米颗粒悬

17、浮液的灭菌活性随着纳米颗粒浓度的升高纳米颗粒悬浮液的灭菌活性随着纳米颗粒浓度的升高而加强；革兰氏阳性菌对纳米颗粒的敏感性要强于革兰氏而加强；革兰氏阳性菌对纳米颗粒的敏感性要强于革兰氏阴性菌，这可能与细胞膜的结构及细胞的代谢方式相关。阴性菌，这可能与细胞膜的结构及细胞的代谢方式相关。光照对部分纳米材料的毒性作用也有一定的影响。光照对部分纳米材料的毒性作用也有一定的影响。6.研究展望研究展望不足之处不足之处 现有的资料大部分都着重于研究纳米材料对鱼类的毒理现有的资料大部分都着重于研究纳米材料对鱼类的毒理效应，对于水生态系统中其他生物研究还很少，这限制了整效应，对于水生态系统中其他生物研究还很少，这限制了整体认识纳米材料在水环境中的生物效应。并且对纳米材料的体认识纳米材料在水环境中的生物效应。并且对纳米材料的致毒机制的研究还不够深入。致毒机制的研究还不够深入。展望展望(1)建立纳米材料的研究策略与评价方法。建立纳米材料的研究策略与评价方法。(2)纳米颗粒的毒理学研究。纳米颗粒的毒理学研究。(3)建立纳米材料的生命周期评估系统。建立纳米材料的生命周期评估系统。(4)把纳米生物效应的研究结果与化学领域相结合。把纳米生物效应的研究结果与化学领域相结合。(5)纳米材料的安全性评价和绿色化生产。纳米材料的安全性评价和绿色化生产。