水环境中人工与天然无机纳米颗粒复合污染的环境行为、生物效应与机制研究

In most of the current nanotoxicological studies, a single type of nanoparticle was used as the objective material and relatively unrealistic concentrations of nanoparticles were applied. Further, when engineered nanoparticles enter the environment, they will interact with natural inorganic nanoparticles (NINPs). However, it remains unknown how these interactions may affect the environmental behavior, effects and fates of engineered nanoparticles. From these perspectives, with the help of stable isotope tracer techniques, we propose to 1) investigate the heteroaggregation and dissolution of Ag nanoparticles (Ag-NPs) and three typical NINPs (hematie, silica, and montmorillonite nanoparticles) based on the interactions between these two types of nanoparticles at environmentally realistic concentrations; 2) examine the uptake and elimination kinetics, distribution, and transformation of Ag-NPs and NINPs mixtures in two aquatic model organisms (Tetrahymena thermophila and Daphnia magna); 3) test the acute and chronic toxicity of Ag-NPs and NINPs mixtures, and illustrate the correlation between the bioaccumulation, distribution, and transformation of Ag-NPs and NINPs mixtures and their toxicity. Based on the results above, current models for nanoparticle heteroaggregation and bioaccumulation will be developed, and the possibility to evaluate the toxicity of nanoparticle mixtures according to their bioaccumulation will be evaluated. Overall, the research plans we propose herein will not only improve the methodology of current nanotoxicological studies, but also provide a more realistic evaluation of the potential environmental risks of nanoparticles.

纳米毒理学研究目前多以单一纳米颗粒为对象且暴露浓度较高，同时人工纳米颗粒进入环境后必然会遇到广泛存在的天然无机纳米颗粒（NINPs）。有鉴于此，本项目拟以稳定同位素示踪技术为基础，在环境真实浓度下，1）研究Ag-NPs与三种典型NINPs（赤铁矿、二氧化硅、蒙脱石纳米颗粒）间的相互作用及其对各自团聚溶解行为的影响；2）探讨Ag-NPs与NINPs复合暴露下各自在典型水生生物（嗜热四膜虫与大型溞）中的分布、形态变化及累积动力学过程；3）测试Ag-NPs与NINPs复合暴露下的急慢性毒性，明确生物体内纳米颗粒的累积、分布及转化与毒性效应间的关联。在此基础上，建立完善相关纳米颗粒异质团聚与生物累积动力学模型，分析通过纳米颗粒生物累积对其毒性进行预测的可能。本项目不但可以发展现有以单一颗粒为主的纳米环境行为与生物效应研究方法学，而且有助于我们更真实地评估纳米颗粒生态环境风险，具有重要理论现实意义。

本项目以同位素示踪技术为基础，研究了不同颗粒复合条件下纳米颗粒的环境行为、生物累积与毒性效应，取得如下发现：.1、不同颗粒复合条件下的环境行为：我们成功合成了能够在多种培养基中稳定分散的纳米α-Fe2O3（HemNPs）以及纳米SiO2（SiNPs），购买了同样能够稳定分散的纳米Ag（AgNPs）、纳米TiO2（AnaNPs）以及纳米聚苯乙烯（PsNPs）。通过多种表征手段，我们发现上述各纳米颗粒两两之间不发生异质团聚。由于显著吸附Ag+，HemNPs可以降低溶液中AgNPs溶解所释放的Ag+浓度。相比较而言，PsNPs对Ag+的吸附作用较弱，不能降低溶液中Ag+浓度。.2、不同颗粒复合条件下的生物累积：我们以原生动物嗜热四膜虫和浮游动物大型溞为对象，研究了不同颗粒复合条件下纳米颗粒生物累积的变化规律。研究结果表明，HemNPs可以通过胞吞和胞饮作用分别四膜虫食物泡和细胞质中累积，而AnaNPs主要通过胞吞作用在食物泡中累积。尽管吸收途径不同，但两者在吸收过程中存在竞争以及非竞争性抑制作用。与此同时，不同粒径的SiNPs对大型溞吸收HemNPs也存在显著抑制作用。进一步研究发现，SiNPs改变了大型溞的滤水速率，从而影响了HemNPs的吸收。.3、不同颗粒复合条件下的毒性效应：我们研究了AgNPs分别与HemNPs和PsNPs复合条件下的藻细胞毒性。对于像HemNPs这样毒性较低的纳米颗粒，它的存在可以通过吸附作用降低溶液中AgNPs溶解所释放出的Ag+浓度降低藻细胞中Ag的累积，也可以通过吸附作用携带Ag+增加藻细胞中Ag的累积，还可以通过相互竞争直接抑制AgNPs的累积。不管怎样，两种藻细胞最终的毒性效应取决于胞内所累积银的量。与HemNPs不同的是，PsNPs本身有毒，此种情况下，藻细胞毒性不止取决于细胞内Ag的累积，所测得的复合毒性高于通过浓度加和以及独立作用模型所预测得到的毒性，表明两者存在协同毒性效应。.总而言之，本项目研究结果表明，不同颗粒复合条件下纳米颗粒行为效应的变化是一个非常复杂的过程，由纳米颗粒自身的理化性质以及受试生物的特性等多方面因素决定，今后还需要更加深入系统的研究。