光催化纳米材料的光引发毒性机理研究

Recent development of photo-catalytic nanomaterials has led to numerous environmental application potentials. Use of photo-catalytic nanomaterials for photodegradation or photolysis of environmental pollutants was considered as a promising, clean, efficient and stable nanotechnology. However, to further promote the environmental applications, there is an urgent need to characterize and possibly avoid the unintended environmental toxicity exerted by these nanomaterials. Based on extensive literature review, we hypothesized that “the environmental toxicity potential of photo-catalytic nanomaterials is closed related to nanomaterial’s ability of generating reactive oxygen species (ROS) under light activation”. To obtain the mechanistic understanding of the photo-induced toxicity of photo-catalytic nanomaterials, we proposed to establish nanomaterials libraries, perform comprehensive physicochemical characterizations, determine the ROS generation under simulated sunlight activation and assess the photo-induced toxicity using zebrafish models. This project will facilitate a proper risk assessment of photo-catalytic nanomaterials and provide guidance for the safe design and environmental applications of these nanomaterials.

光催化纳米材料近几年来发展迅速，其在环境领域的应用前景也较为广阔。纳米材料光催化降解环境污染物的方式被广泛认为是一种极具潜力、清洁、高效、稳定性好的纳米科技。然而，为了有效推动光催化纳米材料的实际应用，如何鉴别和避免此类纳米材料对环境健康的潜在负面影响是本领域急需解决的关键科学问题。本项目基于对光催化纳米材料以及纳米环境效应的研究现状，提出“光催化纳米材料光激发产生活性氧物质能力与其光引发毒性直接相关”的科学假设。拟通过纳米材料库的组建、材料物理化学性质全面系统的表征、光激发下产生活性氧物质能力的判断以及使用斑马鱼模型进行光引发环境毒性的甄别，深入研究纳米材料光引发毒性的作用机制。本项目的实施可更加客观的评估光催化纳米材料的环境风险，对纳米材料的安全性设计和环境应用具有指导意义。

纳米科技在环境领域中的应用愈发繁荣，其中光催化技术因其高效利用太阳光，将光能转化为化学能的特性，被广泛应用于光催化污染物降解，二氧化碳固定，催化产氢等环境与能源领域。光催化纳米材料的研发是推进光催化技术绿色高效发展的关键。在研发高效纳米催化材料的同时，也需要密切关注其潜在环境风险。本项目就光催化纳米材料的光引发毒性风险及其所产生的机制展开科学研究，旨在建立科学客观的光引发生物毒性甄别方法，解析光催化纳米材料物理化学性质与其光引发毒性之间的构效关系，探究毒性机制，从而推进光催化纳米材料的绿色设计与安全利用。项目在基金委的资助下，通过多系列的光催化纳米材料库的构建与表征，从中挑选出两类紫外和可见光响应的代表性光催化纳米材料作为研究对象，基于模式生物斑马鱼发展了光引发毒性的甄别方法，并通过机理解析和构效关系构建，得出光引发毒性机制以及材料安全性设计的策略。项目的主要研究成果包括： （1）将光催化特性的表征方法与毒性分析方法相结合，发展了基于斑马鱼胚胎和幼鱼这两个关键发育阶段的光引发毒性甄别方法；（2）解析了紫外和可见光响应两类光催化纳米材料产生光引发毒性的基本特征及其毒性机制；（3）建立了光催化纳米材料光激发产生活性氧自由基与生物毒性的构效关系，同时纳米生物相互作用关系是生物毒性产生的关键因素；（4）拓展研发了精细调控纳米材料物理化学性质，有效降低材料的潜在毒性的策略，为纳米材料的安全性设计提供了基础数据与实践案例。以上研究成果在Small, ACS Nano, Adv Mater等高水平杂志发表论文16篇，申请发明专利10项，其中获授权专利2项；基于课题培养博士后1名、博士生1名、硕士生3名。综上，项目的顺利开展为深入剖析环境功能纳米材料的环境风险，积极推动纳米科技的可持续发展提供了扎实的实践经验。