纳米材料的安全问题及对策.ppt

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近年来，由于纳米技术和纳米材料所带来的经济效益和技术进步，国内外的研究和相关投资都极为可观。

研究领域迅速拓宽，内涵不断发展。

随着纳米技术的飞速发展，各种纳米材料大量涌现，其优良特性及新奇功能使其具有广泛的应用前景，人们接触纳米材料的机会也随之迅速增多。

然而，任何一项新的技术都会带有“双刃剑”的两面性，存在其风险性，这是20世纪科学技术发展使人类得到的经验和共识，纳米科学技术也不例外。

纳米材料与技术的安全性问题,1.纳米材料的生物安全性2.纳米材料的生态环境安全性3.纳米技术的伦理风险,纳米技术的生物安全性问题是不容忽视的，即纳米技术的发展是否也将带来纳米物质对人体以及生态环境的污染，从而危及人类健康，同时，认识和解决这一问题，也是促进和保障纳米科技健康和可持续发展的必要条件。

我们知道，当物质细分到纳米尺度时，纳米颗粒在理化性质是那个发生巨大的变化，其生物学效应也出现了显著的改变，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的毒性，有可能进入人体中那些大颗粒所不能到达的区域，如健康细胞，纳米物质可能比较容易透过生物膜上的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的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的活性丧失。

1.纳米材料的生物安全性,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的研究表明：

正常无害的微米物质一旦细分成纳米级的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，对于纳米材料的安全性评价逐渐被认识和重视。

1.纳米材料的生物安全性,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的同时，其生物学效应的性质和强度也可能发生质的变化。

在空气中，以气溶胶的形式存在的纳米颗粒可长期漂浮，能成为多种有机污染物广泛传播的重要载体。

在水中，纳米颗粒很难沉降。

在土壤中，它能畅通无阻地转移，也能被蚯蚓、细菌吸收和进入食物链。

尽管纳米材料毒理的问题现在还说不清楚，但专家都同意需要对纳米科技的潜在风险及其负面影响进行专门研究。

才,1.纳米材料的生物安全性,纳米材料对人体的潜在影响包括以下几个方面：

纳米材料进入人机体的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的区域，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、相同组分的微米级颗粒物更易导致肺部炎症和氧化损伤。

1.纳米材料的生物安全性,纳米材料进入细胞的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，但对机体产生的生物效应的性质和强度可能已发生改变。

可能透过生物膜上的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的正常空间结构改变。

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.纳米材料的生物安全性,纳米材料通过血脑屏障和血睾屏障的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的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、心血管系统及其他组织器官的损害。

1.纳米材料的生物安全性,纳米材料的环境行为,一旦纳米材料进入环境，明确它的环境行（environmentalbehavior）是非常关键的问题，包括纳米材料在环境中的迁移、纳米材料特性的改变以及毒性作用等。

目前我们对这些方面还知之甚少，有限的资料主要来源于纳米材料环境治理的相关研究。

2.纳米材料的生态环境安全性,环境纳米污染物的共同特征为以下10点：

1）分子量和粒度的多分散性；2）化学官能团的多样多变性；3）形态结构和形貌的序列性；4）反应活性部位的各异相关性；5）电性与极性的显著取向性；6）生物大分子的强烈结合性；7）生态系统的潜在累积毒性；8）微界面反应的错综复杂性；9）多种污染物的组合复合性；10）扩散和迁移的传播广阔性。

其中前5点为纳米污染物的物理化学特征，后5点为环境生态特征，粗略概括了纳米材料的环境行为。

2.纳米材料的生态环境安全性,纳米材料的环境迁移及其影响因素,分散（disperse）和聚集（congregate）由于纳米材料的尺寸小，比表面积大，其表面缺少邻近的配位原子，因而具有很高的活性，而正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、具有电荷的颗粒以及粒径较大的纳米颗粒具有较强的吸附能力。

多种类型的分子可以吸附到纳米颗粒的表面，而被吸附的分子对纳米颗粒的迁移与转归可能具有明显的影响，如可大大增加被吸附分子的生物吸收；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）的运输载体。

2.纳米材料的生态环境安全性,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的含量达到物理环境中的数百倍、数千倍甚至数百万倍。

生物蓄积依赖于纳米材料的表面特性，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是相互联系的，较容易发生生物降解的纳米材料生物蓄积的可能性比较小，而在生物体内蓄积的纳米材料一般不被生物降解，目前生产的纳米材料以不可降解的居多，可降解纳米材料正在研究之中。

2.纳米材料的生态环境安全性,纳米材料在大气、土壤及水3种不同环境介质中的迁移受多种因素的影响，不同的纳米颗粒也可在环境中表现出不同的转移行为，实验证明C60水溶性衍生物富勒醇及表面活性剂分散的基于单壁碳纳米管（SWCNT）较其他纳米颗粒表现出较强的迁移性，而富勒烯迁移性较弱。

纳米氧化物颗粒的迁移对颗粒粒径及化学成分具有较强的依赖性。

纵观3种环境介质，影响纳米材料环境迁移的因素主要包括：

1）颗粒粒径；2）纳米材料的高反应性和吸附能力；3）聚集及解离程度；4）光催化和光降解的能力；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）影响沉积的各因素等。

2.纳米材料的生态环境安全性,纳米材料在环境中的特性改变,纳米材料的粒径大小、表面积、溶解性及表面基团等特性对其毒性作用非常重要，这些特性的改变可能导致材料毒性较原纳米材料变小或增大。

纳米材料的稳定性依赖于材料是否会分解（例如氧化）或者在环境中被修饰而散失纳米材料的特性（如聚集或粘附于其他材料）。

2.纳米材料的生态环境安全性,纳米材料在不同环境中的分散性不同，聚集形成的大颗粒其表面积急剧变小，纳米材料的表面特性可能会消失；水溶性C60和包被的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的资料，有待进一步研究。

纳米材料在不同介质中的溶解性对其毒性的影响也较大，如未经有机溶剂四氢呋喃（THF）处理的C60在淡水中的最高浓度仅为35mgkg-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的亲水性/疏水性、亲脂性/疏脂性或催化特性。

2.纳米材料的生态环境安全性,纳米材料在环境中的微界面行为,不可忽视纳米材料在环境中的微界面行为。

研究发现大部分纳米污染物都停留在较大颗粒物的表面，在此界面上进行比溶液中更强的反应，从而对生态环境产生影响。

环境中常见的微界面体系非常多，如水体中的悬浮物/地面水、大气中的烟尘/空气、土壤中的矿物颗粒/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。

微界面是污染物迁移转化过程中的重要载体和途径，几乎所有在溶液中进行的反应均可在微界面上进行，而且界面往往具有催化反应的作用。

微界面过程与纳米污染物密切相关，对纳米材料的环境生态行为有着非常重要的影响。

2.纳米材料的生态环境安全性,纳米材料对植物的影响,铝纳米颗粒的植物毒性。

研究者用根延长试验发现未包被的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种植物根的延长，而包被有菲（Phen）的铝纳米颗粒可以显著减小这种抑制，原因是菲的包被破坏了纳米颗粒表面本身具有的羟自由基，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的大小非常重要。

2.纳米材料的生态环境安全性,目前在纳米材料的生态毒理学研究中，对微生物影响的研究相对较多。

已有研究表明多种纳米材料具有抗菌作用，纳米材料的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）的膜上使细胞壁凹陷，从而导致细胞膜渗透性改变，最终死亡。

纳米材料对微生物的影响,2.纳米材料的生态环境安全性,TiO2包被的多壁纳米碳管（MWCNTs）经紫外线照射后对细菌内生芽孢的杀伤力明显比单独紫外线或者紫外线照射的TiO2要强。

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

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的破坏应引起注意。

一旦具有抗菌作用的纳米材料进入生态环境（如纳米废弃物或环境治理投放），是否会破坏正常微生物种群的生长而影响到整个生态环境的平衡，应进行更加深入的研究。

2.纳米材料的生态环境安全性,美国威斯康星州密尔沃基大学的Lovern和Klaper研究了纳米TiO2（1020nm）和C60（0.72nm）对水生模式生物大型溞（Daphniamagna）死亡的影响。

将水蚤暴露于四氢呋喃（THF）过滤和超声2种方法制备的各浓度纳米材料水溶液中，结果发现经THF过滤处理的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；超声处理的各浓度纳米TiO2和C60对大型溞的影响明显比经THF过滤处理的小，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的增大而升高，其原因可能是随着C60浓度的增加材料的团聚也明显增多。

从该研究结果可以看出粒径、材料的制备途径以及纳米材料的团聚对纳米材料毒性的重要影响。

纳米材料对无脊椎动物的影响,2.纳米材料的生态环境安全性,将黑鲈暴露于含0.5mgkg-1可溶性C60的水以及不含C60的水中，48h后取黑鲈脑部组织分析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以及肝基因表达的改变。

对成年雄性黑头呆鱼（Fatheadminnows，FHM）的实验发现0.5mgkg-1THF处理的C60在618h内可引起100%FHM死亡，而经水搅拌处理的纳米C60组48h后仍未发现死亡。

深入研究发现，经水搅拌处理的纳米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