水介质中C60纳米晶体颗粒对氧自由基参与反应的作用机制研究

C60是被广泛应用在物理化学、材料科学和生物医学等领域的碳纳米材料之一，在水中可以形成C60纳米晶体颗粒，对水生生物、细菌、人类组织细胞具有毒性，但毒性机制复杂。申请者的已有研究发现，水介质中，光照条件下，C60纳米晶体颗粒能够促进过氧化氢参与的氧化反应，但对其促进作用机制及影响因素尚不清楚。自然水环境及生物系统内有很多氧自由基参与的反应，如果氧自由基的产生与清除在C60纳米晶体颗粒干扰下失去平衡，则势必对环境和生物体产生潜在危害。本课题拟通过4个方面研究，包括C60纳米晶体颗粒对各种氧自由基反应（过氧化氢、羟基自由基、单线态氧和超氧自由基阴离子）的促进作用、环境因素影响、C60纳米晶体颗粒对生物体内典型超氧自由基阴离子产生反应的影响及C60纳米晶体颗粒对氧自由基反应作用的机制研究，为探明C60纳米晶体颗粒在水环境中的迁移转化及生物生态毒性机制提供新思路。

由于富勒烯C60的生产量及应用范围不断扩大，C60将不可避免地在使用、排放、废弃过程中进入水体。C60极其疏水，在水介质中以纳米晶体颗粒—“nC60”的形式存在，nC60在水环境中的迁移转化行为及其生物生态效应一直倍受关注。C60分子在不同介质中释放或吸收自由基的能力各异，虽然在水介质中形成的nC60不具备产生自由基的能力，但是大量有关nC60的生物毒性研究报导认为nC60引发的生物效应与活性氧自由基密切相关。本文首先探讨nC60在水中的形成规律，以及nC60性质与释放活性氧自由基能力之间的关系；其次通过建立产生氧自由基的反应，探究nC60对氧自由基产生水平的影响，旨在揭示nC60对氧自由基发生过程的作用机制；最后通过研究nC60的去除评价nC60的毒性风险，并探讨氧自由基与nC60的残留毒性之间的关系。研究表明，nC60与几种活性氧自由基的作用机制各不相同，表现为催化H2O2反应，猝灭•OH，抑制O2•−产生，不与1O2反应。nC60能够在黑暗中催化H2O2转变为共轭酸碱对HO2•/O2•−，原因是nC60具有电子传递的能力将电子传递给H2O2，促进HO2•/O2•−的生成；nC60能够“吸收”•OH，但反应速率较慢受扩散速度的限制；nC60抑制O2•−的产生，原因是nC60作为电子受体抢夺电子传递链上原本要传递给O2的电子，导致O2被还原成O2•−的机率变小。而对于单线态氧产生的体系，nC60既不干扰反应本身，也不与1O2发生反应。活性氧自由基的产生是nC60具有残留毒性风险的重要原因。通过混凝−沉淀−过滤水处理工艺评价nC60的去除效果，运用发光细菌评价nC60经过去除工艺后的残留毒性。结果表明复杂的水体成分，如表面活性剂、天然腐殖质及悬浮固体会不同程度地降低nC60的去除率，导致nC60残留在过滤液中，增大其毒性级别。尤其是TX100存在时，与nC60表现出协同毒性，使残留在滤液中的nC60产生氧自由基，且氧自由基的产生量与nC60残留浓度成正相关。. nC60对于不同氧自由基的发生过程的影响和作用机制各不相同，因此氧自由基的检测及种类鉴别应是评价nC60生物效应中的关键，本研究的结论为深入探讨nC60的毒性机制提供了重要思路。