水环境中人工纳米颗粒对重金属生物有效性与毒性影响研究

随着纳米科技的高速发展，不可避免的将会有很大一部分纳米颗粒特别是亲水性颗粒被有意或无意地释放到水环境中去。尽管近年来对纳米颗粒的环境行为与潜在的毒性进行了广泛的研究，我们对于纳米颗粒与现存污染物（如重金属与有机污染物）之间的相互作用以及由此带来的对各自生物有效性与毒性的影响特别是后者的了解还很缺乏。有限的研究主要集中在纳米颗粒对有机污染物影响方向而对于重金属这方面的研究则是少之又少。因此本项目拟将传统的重金属生物有效性及毒性研究与新兴的纳米颗粒的环境行为及毒性研究相结合，以纳米颗粒与重金属间的相互作用为依托，着重探讨纳米颗粒对重金属污染物的生物有效性与毒性的影响。所获成果不但可以让我们换个角度了解纳米颗粒可能存在的安全风险，为制定相关的环境标准提供理论依据，同时也将丰富现有的金属有效性与毒性模型以及金属生物地球化学循环知识体系。

尽管近年来对纳米颗粒的环境行为与潜在毒性进行了广泛研究，我们对于纳米颗粒与现存污染物（如重金属与有机污染物）之间的相互作用以及由此带来的对各自生物有效性与毒性的影响方面的认知还很缺乏。在这样的背景下，本项目着重探讨了不同二氧化钛纳米颗粒对重金属镉在莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）、嗜热四膜虫(Tetrahymena thermophila)以及大型溞(Daphnia magna)体内的富集与毒性的影响。我们发现不同受试生物在二氧化钛共存条件下镉生物有效性与毒性的变化呈现出截然不同的规律。莱茵衣藻有着厚厚的细胞壁，不同表面特性的纳米二氧化钛均无法进入其细胞。此种情况下，二氧化钛只能通过吸附镉降低胞外自由镉离子浓度，进而降低其生物有效性与毒性，但镉的生物富集与毒性依然符合传统的自由离子活度模型。与莱茵衣藻不同，四膜虫作为原生动物可以吞噬纳米颗粒，因此二氧化钛除了可以通过上述途径降低自由镉的生物富集与毒性外，还可以携带部分镉进入细胞。由于两种途径在胞内富集的镉在亚细胞水平上的分布有着潜在差异，镉的效应不仅仅取决于它在细胞内的浓度，因此它的毒性在这种情况下不能简单地通过自由离子活度模型进行预测。与此同时，四膜虫对二氧化钛的吸收同样也受到外界镉浓度的影响，呈现先上升后下降的趋势。对于大型溞，二氧化钛使镉在它们体内的富集大大增加了，但是相应的毒性反而减轻，并且镉的毒性完全取决于溶液中自由镉离子的浓度说明被二氧化钛携带进入大型溞体内的这部分镉的毒性被钝化了。鉴于纳米颗粒在生物体内富集的复杂性，我们也借助于具有荧光特性的量子点系统研究了纳米颗粒进出棕鞭藻（Ochromonas danica）细胞的动力学过程，发现量子点的生物富集符合传统的动力学模型，它们主要通过macropinocytosis途径进入细胞，而且从溶液中扩散到细胞表面是量子点整个吸收过程的限速步骤。进入细胞的量子点主要蓄积在液泡中，而且它们的荧光可以发生快速淬灭。总体来讲，本项目所获结果让我们从新的角度了解到纳米颗粒可能存在的安全风险，为制定相关的环境标准提供了一定的理论依据，同时也为今后这方面的研究打下了坚实基础。