富勒烯的生物转化：机理及毒性效应

The potential health impact and environmental safety issue caused by nanomaterials have raised much concern recently. This project will investigate both the microbial-mediated transformation of fullerens (either through biotic or abiotic reactions stimulated by microorganisms) under environmental condition and metabolic transformation under simulated body condition. The changes of photo reactivity,cytotoxicity and genotoxicity due to the biotranformation process will also be evaluated. Emphasis will be placed on characterizing transformation products, rates and mechanism. The improved mechanistic understanding of fullerene biotransformation will benefit evaluating engineering applications, fate & transport characteristics,ecological impact and heath risk from environmental exposure.

纳米碳材料所引起的潜在健康影响及环境安全已成为人们越来越关注的问题。本研究以富勒烯（C60）为研究对象，探索它在自然环境中被微生物或微生物产生的活性物质转化的可能性，及在模拟人体条件下的可能代谢转化，系统比较二者转化产物、转化途径及效率的差异；评价生物转化过程导致C60反应活性、细胞毒性、遗传毒性的改变及机理。研究重点在于转化产物的鉴定、转化机理推测及转化效率的定量分析。深入理解富勒烯的生物转化特性对于科学评价其工程应用、环境归趋、生态效应、环境暴露健康风险等具有重要意义。

本研究按计划进行，完成以下部分的研究工作：1）探索了包括锰过氧化物酶、木质素过氧化物酶、漆酶、络氨酸酶、细胞色素氧化酶、多样氧化酶在内的不同氧化还原酶对富勒烯（C60）的酶促转化研究，在16天的培养期间发现仅漆酶对C60有明显的酶促转化效果。2）运用动态光散射、液相色谱、可见紫外吸收分光光度计、透射电镜、基质辅助激光解析电离飞行时间质谱检测了可能的转化产物及理化性质。研究结果表明，C60在酶促下转化为亲水性的类似富勒醇的产物，含有羟基、环氧化物/醚、半酮缩醇等结构。3）比较了C60的不同聚集状态、环境有机物/共存污染物、光照条件下对微生物的毒性差异，研究结果表明光照条件下nC60悬浮液能通过滤光效应对E. coli起到保护作用； 四氯苯（TeCB）会与光照产生协同杀菌毒性，但是相同条件下nC60的存在遮蔽了TeCB对微生物毒性作用。研究结果表明复杂环境条件下富勒烯并不一定表现出普遍认为的毒性效应，其滤光作用反而会在一定程度上保护微生物免受光照及其他有毒物质的毒性影响。.此外在上述研究的过程中，我们额外补充了以下的研究内容：4）因本研究侧重的是纳米颗粒的酶促转化，我们还系统研究了纳米颗粒空间特征、表面官能团对酶的结构、活性影响，以期能深入理解纳米碳——酶的相互作用机理。研究结果表明，过氧化氢酶在三种碳管上的吸附态活性大小依次为：o-SWNT>SWNT>MWNT，过氧化氢酶与纳米碳管之间不同的作用力是影响吸附态酶活性的重要因素。5）纳米碳管与C60有一定的结构相似性，但是空间结构差异显著，为阐释纳米颗粒结构对降解性能的影响我们补充比较了上述氧化还原酶对纳米碳管（单壁碳管、氧化单壁碳管）的降解性。研究结果表明，仅锰过氧化物酶对单壁碳管有降解作用，而对氧化单壁没有明显转化。这与锰过氧化物酶的催化反应途径有关系，氧化单壁的羧基官能团有可能与参与反应的锰离子相结合，干扰了酶的催化反应循环。.综上所述，纳米颗粒在环境中具有被环境中的酶、微生物转化的可能性，这种转化会改变它们的环境行为及毒性，同时环境的复杂条件也会使得他们的生物毒性发生显著改变