纳米材料的安全问题及对策

纳米材料的安全问题及对策纳米材料与技术得安全性问题1、纳米材料得生物安全性2、纳米材料得生态环境安全性3、纳米技术得伦理风险纳米技术得生物安全性问题就是不容忽视得,即纳米技术得发展就是否也将带来纳米物质对人体以及生态环境得污染,从而危及人类健康,同时,认识和解决这一问题,也就是促进和保障纳米科技健康和可持续发展得必要条件。我们知道,当物质细分到纳米尺度时,纳米颗粒在理化性质就是那个发生巨大得变化,其生物学效应也出现了显著得改变,由于体积太小、个体稳定性太强等特点,“纳米材料可能具有一定得毒性,有可能进入人体中那些大颗粒所不能到达得区域,如健康细胞,纳米物质可能比较容易透过生物膜上得孔隙进入细胞内或如线粒体、内质网、溶酶体和细胞核等细胞器内,并且和生物大分子发生结合或催化化学反应,使生物大分子和生物膜得正常立体结构产生改变,其结果可能将导致体内一些激素和重要酶系得活性丧失。1、纳米材料得生物安全性如树脂状纳米物质可能会造成渗透性破坏,甚至导致细胞膜破裂;水溶性富勒烯分子可能会进入大脑,造成黑鲈鱼大脑损伤等。目前国内外一些初步得研究表明:正常无害得微米物质一旦细分成纳米级得超细微粒后就出现潜在毒性,且颗粒愈小表面积活性越大、生物反应性愈大。因此,对于纳米材料得安全性评价逐渐被认识和重视。1、纳米材料得生物安全性纳米材料安全性及研究意义:超微颗粒在理化性质发生巨变得同时,其生物学效应得性质和强度也可能发生质得变化。在空气中,以气溶胶得形式存在得纳米颗粒可长期漂浮,能成为多种有机污染物广泛传播得重要载体。在水中,纳米颗粒很难沉降。在土壤中,她能畅通无阻地转移,也能被蚯蚓、细菌吸收和进入食物链。尽管纳米材料毒理得问题现在还说不清楚,但专家都同意需要对纳米科技得潜在风险及其负面影响进行专门研究。才1、纳米材料得生物安全性纳米材料对人体得潜在影响包括以下几个方面:纳米材料进入人机体得概率增加纳米材料微小,有可能进入人体中纳米大颗粒不能达到得区域,如健康细胞,纳米材料能够通过呼吸道、皮肤、消化道及注射等多种途径迅速进入人体内部,其中经呼吸道就是一个主要途径,并易通过血、脑、胚胎等生物屏障分布到全身各组织之中,往往比相同剂量、相同组分得微米级颗粒物更易导致肺部炎症和氧化损伤。1、纳米材料得生物安全性纳米材料进入细胞得概率增加由于粒径极小,表面结合力和化学活性显著增高。其组成虽未发生变化,但对机体产生得生物效应得性质和强度可能已发生改变。可能透过生物膜上得孔隙进入细胞及细胞器内,与细胞内生物大分子发生结合,使生物大分子和生物膜得正常空间结构改变。导致体内一些激素和重要酶系活性丧失;或使遗传物质突变,导致肿瘤发病率升高或促进老化过程。1、纳米材料得生物安全性纳米材料通过血脑屏障和血睾屏障得概率增加可能透过血脑屏障和血睾屏障,对中枢神经系统、精子生成过程和镜子形态以及精子活力产生不良影响。可能通过胎盘屏障对胚胎早期得组织分化和发育产生不良影响,导致胎儿畸形。纳米材料可以引起氧化应激、炎症反应、DNA损伤、细胞凋亡、细胞周期改变、基因表达异常,并可引起肺、心血管系统及其她组织器官得损害。1、纳米材料得生物安全性纳米材料得环境行为一旦纳米材料进入环境,明确她得环境行(environmentalbehavior)就是非常关键得问题,包括纳米材料在环境中得迁移、纳米材料特性得改变以及毒性作用等。目前我们对这些方面还知之甚少,有限得资料主要来源于纳米材料环境治理得相关研究。2、纳米材料得生态环境安全性环境纳米污染物得共同特征为以下10点:

1)分子量和粒度得多分散性;

2)化学官能团得多样多变性;

3)形态结构和形貌得序列性;

4)反应活性部位得各异相关性;

5)电性与极性得显著取向性;

6)生物大分子得强烈结合性;

7)生态系统得潜在累积毒性;

8)微界面反应得错综复杂性;

9)多种污染物得组合复合性;

10)扩散和迁移得传播广阔性。其中前5点为纳米污染物得物理化学特征,后5点为环境生态特征,粗略概括了纳米材料得环境行为。2、纳米材料得生态环境安全性11大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流纳米材料得环境迁移及其影响因素分散(disperse)和聚集(congregate)由于纳米材料得尺寸小,比表面积大,其表面缺少邻近得配位原子,因而具有很高得活性,而正就是这种高活性导致纳米材料较难分散,极易发生聚集,尤其在水体环境中,如研究发现富勒烯易在水中聚集形成较大颗粒。吸附(absorption)一般来说,两性颗粒、具有电荷得颗粒以及粒径较大得纳米颗粒具有较强得吸附能力。多种类型得分子可以吸附到纳米颗粒得表面,而被吸附得分子对纳米颗粒得迁移与转归可能具有明显得影响,如可大大增加被吸附分子得生物吸收;另外纳米颗粒还可能通过吸附而成为某些物质(如重金属、农药等)得运输载体。2、纳米材料得生态环境安全性生物吸收(bio-uptake)、生物蓄积(bioaccumulation)和生物降解(biodegrade)细胞可以通过内吞作用(endocytosis)、膜渗透作用(membranepenetration)以及跨膜离子通道(transmembranechannels)几种途径吸收纳米颗粒。纳米材料一旦被生物吸收,可能会在生物体内积累,并通过食物链进一步富集,使得较高级生物体中纳米材料得含量达到物理环境中得数百倍、数千倍甚至数百万倍。生物蓄积依赖于纳米材料得表面特性,这种特性决定了纳米材料可能被脂肪组织、骨或体内蛋白吸收。

生物降解与生物蓄积就是相互联系得,较容易发生生物降解得纳米材料生物蓄积得可能性比较小,而在生物体内蓄积得纳米材料一般不被生物降解,目前生产得纳米材料以不可降解得居多,可降解纳米材料正在研究之中。2、纳米材料得生态环境安全性纳米材料在大气、土壤及水3种不同环境介质中得迁移受多种因素得影响,不同得纳米颗粒也可在环境中表现出不同得转移行为,实验证明C60水溶性衍生物—富勒醇及表面活性剂分散得基于单壁碳纳米管(SWCNT)较其她纳米颗粒表现出较强得迁移性,而富勒烯迁移性较弱。纳米氧化物颗粒得迁移对颗粒粒径及化学成分具有较强得依赖性。纵观3种环境介质,影响纳米材料环境迁移得因素主要包括:1)颗粒粒径;2)纳米材料得高反应性和吸附能力;3)聚集及解离程度;4)光催化和光降解得能力;5)土壤特性(pH、电荷及有机成份等);6)水体特性(pH、电荷及溶解能力等);7)影响沉积得各因素等。2、纳米材料得生态环境安全性纳米材料在环境中得特性改变

纳米材料得粒径大小、表面积、溶解性及表面基团等特性对其毒性作用非常重要,这些特性得改变可能导致材料毒性较原纳米材料变小或增大。纳米材料得稳定性依赖于材料就是否会分解(例如氧化)或者在环境中被修饰而散失纳米材料得特性(如聚集或粘附于其她材料)。2、纳米材料得生态环境安全性纳米材料在不同环境中得分散性不同,聚集形成得大颗粒其表面积急剧变小,纳米材料得表面特性可能会消失;水溶性C60和包被得SWCNTs可以稳定地存在于盐溶液、细胞培养液、再生硬水和超纯(MilliQ)水中。目前还缺少各种纳米材料在不同环境中分散或聚集过程及程度得资料,有待进一步研究。

纳米材料在不同介质中得溶解性对其毒性得影响也较大,如未经有机溶剂四氢呋喃(THF)处理得C60在淡水中得最高浓度仅为35mg·kg-1,而这一浓度并不能使实验无脊椎动物产生半数死亡。

表面基团如重金属也可以影响纳米材料得亲水性/疏水性、亲脂性/疏脂性或催化特性。2、纳米材料得生态环境安全性纳米材料在环境中得微界面行为

不可忽视纳米材料在环境中得微界面行为。研究发现大部分纳米污染物都停留在较大颗粒物得表面,在此界面上进行比溶液中更强得反应,从而对生态环境产生影响。环境中常见得微界面体系非常多,如水体中得悬浮物/地面水、大气中得烟尘/空气、土壤中得矿物颗粒/空气、植物根系/土壤水、活性污泥/生活污水及超滤膜/工业废水等。微界面就是污染物迁移转化过程中得重要载体和途径,几乎所有在溶液中进行得反应均可在微界面上进行,而且界面往往具有催化反应得作用。微界面过程与纳米污染物密切相关,对纳米材料得环境生态行为有着非常重要得影响。2、纳米材料得生态环境安全性纳米材料对植物得影响铝纳米颗粒得植物毒性。研究者用根延长试验发现未包被得铝纳米颗粒可以抑制玉米(Zeamays)、黄瓜(Cucunissativua)、大豆(Glycinemax)、甘蓝(Brassicaoleracer)和胡萝卜(Daucuscarota)等5种植物根得延长,而包被有菲(Phen)得铝纳米颗粒可以显著减小这种抑制,原因就是菲得包被破坏了纳米颗粒表面本身具有得羟自由基,从而改变了纳米表面特性。

结果表明表面特性对于颗粒毒性得大小非常重要。2、纳米材料得生态环境安全性

目前在纳米材料得生态毒理学研究中,对微生物影响得研究相对较多。已有研究表明多种纳米材料具有抗菌作用,纳米材料得这种特性已得到广泛应用。如磁性纳米颗粒已经被用于水体除菌,纳米银颗粒被用于创伤敷料。研究证明纳米银颗粒可以聚集在大肠杆菌(Escherichiacoli)得膜上使细胞壁凹陷,从而导致细胞膜渗透性改变,最终死亡。

纳米材料对微生物得影响2、纳米材料得生态环境安全性

TiO2

包被得多壁纳米碳管(MWCNTs)经紫外线照射后对细菌内生芽孢得杀伤力明显比单独紫外线或者紫外线照射得TiO2

要强。除杀菌作用之外,纳米TiO2包被得中空玻璃球可以抑制蓝藻(cyanobacteria)和硅藻(diatoms)得光合作用,显示纳米材料在抑制海藻过度生长方面得应用潜力。

由于微生物在维持土壤及水生态平衡中发挥着重要作用,纳米材料对生态平衡得破坏应引起注意。一旦具有抗菌作用得纳米材料进入生态环境(如纳米废弃物或环境治理投放),就是否会破坏正常微生物种群得生长而影响到整个生态环境得平衡,应进行更加深入得研究。2、纳米材料得生态环境安全性

美国威斯康星州密尔沃基大学得Lovern和Klaper研究了纳米TiO2(10~20nm)和C60(0、72nm)对水生模式生物大型溞(Daphniamagna)死亡得影响。将水蚤暴露于四氢呋喃(THF)过滤和超声2种方法制备得各浓度纳米材料水溶液中,结果发现经THF过滤处理得TiO2和C60

均可导致大型溞死亡,并呈剂量反应关系。C60

在较低浓度即显示出较高毒性,说明C60

比TiO2

毒性更强;超声处理得各浓度纳米TiO2

和C60

对大型溞得影响明显比经THF过滤处理得小,其中纳米TiO2并未对水蚤产生明显毒性作用,而C60

虽可以引起大型溞死亡,但死亡率并不随浓度得增大而升高,其原因可能就是随着C60

浓度得增加材料得团聚也明显增多。

从该研究结果可以看出粒径、材料得制备途径以及纳米材料得团聚对纳米材料毒性得重要影响。纳米材料对无脊椎动物得影响2、纳米材料得生态环境安全性将黑鲈暴露于含0、5mg·kg-1

可溶性C60得水以及不含C60得水中,48h后取黑鲈脑部组织分析发现黑鲈出现了明显得脑部脂质过氧化损伤、鳃部总谷胱甘肽显著下降以及肝基因表达得改变。对成年雄性黑头呆鱼(Fatheadminnows,FHM)得实验发现0、5mg·kg-1THF处理得C60在6~18h内可引起100%FHM死亡,而经水搅拌处理得纳米C60组48h后仍未发现死亡。深入研究发现,经水搅拌处理得纳米C60组FHM大脑脂质过氧化物(LPO)升高,而鳃LPO升高更加明显,肝CYP2家族同工酶(CYP2K1,CYP2M1)表达明显增强。纳米材料对脊椎动物得影响2、纳米材料得生态环境安全性

自然生态系统,由大气、土壤及水(淡水及海水)3大生态系统组成,与人类得暴露不同,生态系统中可能受到纳米材料影响得种群数量非常庞大,其后果可能就是对个体、群体甚至就是整个生态系统得损伤或破坏。

纳米材料得生态危害性评价依赖于材料得物理化学特性和行为、暴露情况、在环境中存在得时间、环境转归、毒性(急性和长期毒性)、生物体内稳定性、生物蓄积及生物放大作用等。由于多方面资料得缺少,我们目前还不能确定纳米材料究竟对生态系统就是否有不利影响及影响得程度,所以今后得努力方向仍就是加强以上方面得研究工作。2、纳米材料得生态环境安全性3、纳米技术得伦理风险纳米技术与个人隐私问题、纳米器件具有非常广泛得用途,尤其就是在医学、社会治安和国防等方面、但就是另一方面,在对私人领域得侵犯和私人数据得保护方面,纳米技术也提供了前所未有得可能性、比如,