表面电荷对纳米银在生物体内的积累、转化和效应机制的影响研究

The environmental behavior and toxicity of nanoparticles are significantly influenced by their surface charge, but the mechanisms remain unclear. Bioaccumulation, biotransformation and sublethal responses of nanoparticles in soil determine its human health and environmental risks. This project aims to gain new insights into the mechanisms of surface-charge dependent bioaccumulation, biotransformation and sublethal responses in the model earthworm Eisenia fetida following exposure to silver nanoparticles. Silver nanoparticles with different surface charge are used for this study. Following exposure to the silver nanoparticles with different surface-charges, advanced technique such as synchrotron X-ray absorption spectroscopy is employed to investigate different Ag species and their distribution (%) in the earthworm and soil; subcellular fractionation of Ag is studied to indicate different routes of cellular internalization; and 1H NMR-based metabolomics are used to examine sublethal responses of the earthworm, and to highlight the value of applying metabolomics to assess the sublethal response of an organism to an emerging contaminant with an unknown mode of action. The findings contribute to the understanding of toxicity mechanisms of nanoparticles and provide scientific basis for the risk assessment of nanoparticles.

纳米颗粒的表面电荷是影响其环境行为与毒性的重要因素之一，但是其影响机制还不清楚。纳米颗粒在土壤介质中的生物积累、生物转化和亚致死效应是决定其人体健康及生态环境效应的重要因素，亟待研究。项目拟以纳米银颗粒为例，选用蚯蚓（Eisenia fetida）为模式生物，应用系列表面电荷的纳米银颗粒，研究不同表面电荷纳米银颗粒的生物累积、转化和效应差异，阐述其影响机制。具体将运用同步辐射X-射线吸收光谱研究表面电荷对纳米银在土壤和蚯蚓体内的形态及各形态分布比例的影响，及对各亚细胞组分中Ag的分布及纳米银的细胞内化路径的影响，以揭示表面电荷对纳米银在蚯蚓体内积累和转化的影响及其机理；通过1H-NMR代谢组学新技术，研究不同表面电荷纳米银对蚯蚓的亚致死效应机制，筛选表征亚致死效应的有效代谢指标，阐明亚致死压力的环境指示意义。成果是对纳米颗粒生态毒理效应的新贡献，并为纳米颗粒风险评估提供科学依据。

工程纳米颗粒物的环境行为是一项非常具有挑战性的课题。当我们考虑水环境中的传统污染物如多氯联苯（PCBs）及有毒金属（如Cd，Cu，Ni，Zn），通常认为他们主要在自由溶解态、颗粒态及溶解胶体态之间进行分配，进而影响他们在环境中的迁移和归趋，最终影响生物有效性和对水生生物造成潜在危害。纳米颗粒物在自由溶解相中的分配是文献中研究争论的内容之一，一些金属纳米颗粒（如Ag, Cu）可以以金属离子进入到自由溶解相中，而其他则依旧以颗粒形式存在（如单壁碳纳米管）。由于一些工程纳米颗粒是由相对普遍存在的物质合成而来，他们既不一定是微量污染物，也不容易与自然存在的形式相区分，比如二氧化钛纳米颗粒物。自然存在的二氧化钛浓度要远高于环境中可能存在的二氧化钛纳米颗粒物的最大浓度，这就使得研究二氧化钛纳米颗粒物的环境行为具有挑战性；目前也缺乏有效区分自然存在的二氧化钛与工程纳米颗粒物的方法。二氧化钛纳米颗粒物对环境中的颗粒物有很高的亲和性，较易沉积到水体沉积物（尤其是海洋沉积物）中。一方面难以区分工程二氧化钛纳米颗粒物与自然存在的二氧化钛，另一方面Ti元素的背景浓度相对较高，使得二氧化钛纳米颗粒物的安全使用及对人类和环境的潜在影响这一重要科学问题的研究面临诸多不确定性及挑战。 . 这些挑战并不仅针对二氧化钛纳米颗粒物，其他工程纳米颗粒物（如Si，Fe，Al）等在自然界中具有较高丰度但又缺乏定量区分工程纳米颗粒物与自然存在的形式的方法面临类似的挑战。这些挑战主要是针对水环境，尤其是海洋环境中的二氧化钛纳米颗粒物研究。目前水环境中二氧化钛纳米颗粒物研究的关键是开发区分自然存在的形式与工程纳米颗粒物的有效方法。. 项目阐述了目前水环境中如二氧化钛纳米颗粒物研究所面临的挑战，分析了挑战产生的原因，提出了解决的方法，并推广到其他类似的纳米颗粒物，对明确纳米颗粒物对环境和人体健康的潜在风险，及科学、安全的使用和管理纳米颗粒物具有非常重要的意义。