環境化學未來發展方向之二：納米顆粒物的環境行為與生物效應

由於納米材料具有尺寸效應、結構效應、高反應活性等獨特的理化性質，與其相關的製備與應用研究成為熱點。然而，納米材料產業化將導致各種納米物質通過不同途徑進入環境，進而對生態環境乃至人類健康產生影響。因此，開展包括納米顆粒物環境行為與生物學效應在內的納米安全性研究，對指導納米材料的生產、使用與處置具有重要意義，同時為評價納米材料潛在的生態風險提供科學依據。重要研究方向包括：納米材料在不同環境介質中的存在形態、時空分布、遷移轉化等環境行為，納米材料在生物體內的遷移、轉化、代謝的表徵方法，納米尺度相關性生物學效應與作用機制，複雜環境介質中納米顆粒物與其他污染物的相互作用機理，納米顆粒物毒性作用的評價方法。

2.1納米顆粒物的環境化學行為

納米顆粒可通過多種途徑和形式進入環境。納米顆粒在使用損耗以及廢棄處置中，直接進入水和土壤環境。比如，在牆壁上使用含有納米氧化鈦的油漆以後，在其鄰近的土壤甚至水體中都檢測到了納米氧化鈦的存在。在環境污染治理中，作為治理材料的納米顆粒通常都是直接施放到水體和土壤等開放環境中，很難控制它們在這些環境中擴散遷移。部分納米顆粒可能會進入污水處理系統，如果能被去除，會截留在污泥中，但在污泥後續處置過程中可能進入水-土環境；如果不能在污水處理系統中去除，它們會隨著排水進入地表水和地下水，甚至進入飲用水系統。因此，納米顆粒一旦被生產和使用，它們可以通過多種途徑進入環境，在氣-水-土等環境介質中遷移，直接或間接地構成了環境風險。納米顆粒的分散和懸浮性能決定著其在水和土壤環境中擴散遷移程度。難分散和懸浮的納米顆粒通常會在水中沉澱，難以被誰攜帶遷移擴散。納米顆粒的懸浮受納米顆粒被氧化程度和環境離子強度的影響較大。一般而言，氧化程度大，離子強度小，納米顆粒分散較好，容易遷移擴散。

對納米顆粒進入環境以後遷移轉化行為的定量描述，是認識和評價其環境風險的基礎。對於傳統有機污染物，我們常可以通過獲得目標污染物的辛醇-水分配係數、飽和蒸汽壓、吸附係數等相關理化參數，建立它們在環境介質中的遷移轉化模型，進行定量預測評價。但是由於缺乏這些理化參數，這種傳統預測評價方法對納米顆粒失去了意義。Mueller和Nowack（2008）首次模擬研究了納米顆粒的環境行為，初步建立了概念型的定量評價模型，並比較了納米銀、納米氧化鈦和碳納米管的環境暴露。在該模型中，納入了全球納米顆粒的生產、使用、回收和處置過程情況，並對每個過程中納米顆粒可能進入環境的途徑和排量進行了預測計算，通過對各個環境介質中納米顆粒的可能存在濃度與無風險濃度的比對，評價了納米顆粒的環境風險。模擬的結果顯示，不同的納米顆粒的環境行為和環境風險顯著不同，而且將隨著人類對納米顆粒的使用、改造和新產品的開發而發生改變。由於缺乏對合成納米材料顆粒濃度的直接檢測技術，至今仍無法對該模型的準確性進行驗證。同時，對納米顆粒環境行為的定量描述如何突破這種籠統的概念型模擬，實現真正的模擬表達，還有待大量的研究。

2.2環境納米材料在水質控制中的應用

在工業生產和社會生活中使用納米材料不但能夠提高效率並且可以直接降低能源和材料的消耗，減輕甚至消除有害有毒廢物的排放，降低對環境污染的負荷。例如，利用納米技術的居室照明可以降低10%的電能消耗。若推廣應用此技術，據計算每年可以節約1000億美元，並且減少碳排放2億t。如果以生物高分子材料及納米印刷術製成生物晶元來代替現有的半導體晶元，就可以節約大量材料和能源消耗。以納米金屬顆粒在賴氨酸聚合物材料中組成結構線和網路製成晶元，可以具有環境中生物可降解性，減輕廢棄後的持久污染。以碳納米管製成的各種監聽器屏幕代替現有的陰極射線管和液晶，不但顯著減少材料及能源消耗，而且消除了多種有毒重金屬，總之，各種納米材料的廣泛應用，其高效氯和日益提高的環境友好功能可以推動實現節能減排，對環境保護做出有益貢獻，這也是納米技術發展對環境影響的主導方面。

納米技術的發展開發出眾多環境污染控制的高效功能材料，應用在大氣、水體、土壤和其他環境治理和修復方面。其中水污染控制占重要地位而且應用範圍甚廣，幾乎遍及各種防治技術。主要類別包括吸附劑、螯合劑、氧化劑、還原劑、光催化劑、絮凝劑、過濾劑、消毒劑、檢測器等。

2.3納米材料的生物效應

隨著商品化納米材料的大量湧現與廣泛應用，關於納米尺度物質的生物學效應以及對環境和健康的影響已經引起公眾的高度關注。2003年4月Servive在Science上發表相關論文，7月Brumfiel在Nature發表相關論文，闡明材料的尺度減小可能會改變其化學性質，巨噬細胞在清除更小的納米顆粒時會更加困難。美國化學學會ES&T雜誌（2004年1月）、Science（2004年6月）載文強調，必須對納米技術的安全性問題進行研究。同時英國皇家科學院也相繼發表文章，討論納米尺度物質對生物、環境、健康等可能帶來的潛在影響。美國國家科學基金會、環境保護局、國家納米技術發展協會為此設立多項研究基金。近幾年，人們針對不同類型額納米材料，特別是人工納米材料的毒理學效應展開了廣泛的研究。研究目標物質涵蓋了碳納米管、富勒烯C60、納米TiO2、納米SiO2、納米鐵。納米銅、納米銀、納米金、納米鋅、量子點以及多種類修飾或未修飾的新型納米材料。

對納米顆粒毒性影響的討論中，主要有兩個問題需要引起關注。首先，現有生物毒性效應的研究通常是建立在污染物劑量濃度基礎上，在實驗室模擬研究中，納米顆粒的濃度往往是非常高的，在實際環境中非常罕見。這樣高劑量濃度下獲得的毒性數據如何指導評價納米顆粒進入環境以後的風險？而且，目前發現的粒徑對納米顆粒毒性的影響說明常用的建立在劑量濃度-毒性效應基礎上生物毒性效應評價方法並不適合納米顆粒的評價。至少，在現有計量濃度-毒性效應評價方法基礎上應該引入納米顆粒粒徑這個校正因子。其次，由於目前納米顆粒毒性研究試驗中的一些干擾因素影響沒被很好的排出，納米顆粒的自身毒性仍待確證。一個比較典型的例子是針對富勒烯的生物毒性研究：儘管研究者發現了富勒烯的生物毒性，並從富勒烯對活性氧形成的影響以及細胞膜磷脂層的破壞等機理解釋了富勒烯的制毒效應，但是，由於富勒烯懸浮液的製備過程複雜，並涉及有機溶劑，對富勒烯的自身毒性目前仍有爭議。比如，在製備的富勒烯懸浮液中，有大量四氫呋喃等溶劑存在，當富勒烯的製備過程中沒有用極性溶劑時，富勒烯沒有表現出毒性特徵，甚至能保護動物的肝臟免受自由基的損傷。有研究認為，富勒烯具有表觀毒性的主要原因是其懸浮液中殘留的有機溶劑會被分解成為有生物毒性的毒物，而非富勒烯則有自身的毒性。另外，在碳納米管合成過程中會使納米顆粒中含有多種有毒金屬催化劑，同時碳納米管的聚合體可能包裹一些粒徑很小的無定形碳，以及碳納米管表面吸附的多環芳烴等有毒物質，都可能在毒性試驗中產生影響。因此，毒性試驗中對干擾因素的排除還需要有更加深入細緻的工作。

說明：本文摘自《中國學科發展戰略·環境科學--中國科學院編寫》，僅供學習使用，不做商業用途，如需參考，請購買正版書籍查閱。

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