納米材料應用風險淺探

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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(nèi)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(nóng)作物的發(fā)芽以及幼苗根部的發(fā)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(nèi)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(fā)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(tǒng)的支氣管肺泡灌洗和細胞培養(yǎng)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(chǎn)生濃度依賴性損傷，表現(xiàn)為血腦屏障破壞、組織內(nèi)溢血、組織壞死。IngridBeck－Speier等在《自由基生物學和醫(yī)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(tǒng)中巨噬細胞的磷酰化酶，導致前列腺素等合成量增加，引發(fā)炎癥和免疫系統(tǒng)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(qū)間內(nèi)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(fā)現(xiàn)微米級TiO2僅與胃蛋白酶發(fā)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(fā)生協(xié)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(tǒng)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(tài)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(wěn)定基團從納米材料表面脫離或從內(nèi)部游離出來，則會具有相應有毒物質在傳統(tǒng)形態(tài)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(nèi)的顆粒尺寸、形狀、聚集態(tài)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(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的基點出發(fā)，制定出一套切實可行且符合我國納米產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀的納米材料安全性規(guī)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(huán)（Reduce，Reuse，Recycle），盡可能減少向環(huán)境的排放，在納米材料的環(huán)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(huán)境科學與工程學院