纳米材料的生态环境效应

纳米机器人
医学界最津津乐道的是纳米技术渗入仿生学制出的机器 人。它们微小得几乎看不见，仅由数千个原子组成，可以在 细胞之间工作。据说在瑞典研制的这种机器人由多层聚合物 和黄金制作，有点像人的手臂，很灵活，能捡起和移动肉眼 看不见的玻璃珠。科学家希望它能在血液、尿液和细胞介质 中工作，可以捕捉和移动单个细胞。然而正因无可替代和无 与伦比的功能，它必将成为最有争议的技术。
生物吸收(bio-uptake)、生物蓄积(bioaccumulation)和生物 (bio降解（biodegrade）
细胞可以通过内吞作用(endocytosis)、膜渗透作用 细胞可以通过内吞作用(endocytosis)、膜渗透作用 (membrane penetration)以及跨膜离子通道(transmembrane penetration)以及跨膜离子通道(transmembrane channels)几种途径吸收纳米颗粒。纳米材料一旦被生物吸收， channels)几种途径吸收纳米颗粒。纳米材料一旦被生物吸收， 可能会在生物体内积累，并通过食物链进一步富集，使得较 高级生物体中纳米材料的含量达到物理环境中的数百倍、数 千倍甚至数百万倍。生物蓄积依赖于纳米材料的表面特性， 这种特性决定了纳米材料可能被脂肪组织、骨或体内蛋白吸 收。
纳米材料的环境和生态毒理学 Environmental and Eco-toxicological EcoResearch of Nanomaterials
一、纳米技术给人类带来的疑问
纳米技术实现了以纳米尺度研究、定义及控制材料的结构 以纳米尺度研究、 特性，藉以创造新的物质，包括生命体。 特性，藉以创造新的物质， 然而基因工程不只是带来乐观后果。科学家用显微操作技 术移动果蝇染色体的基因，培育出了比正常果蝇多长了一个胸 脯和翅膀的果蝇；可以通过基因操作把果蝇的眼睛搬到不该有 眼的地方，把翅膀搬到不该长翅膀的地方。 不难想像若用纳米技术操纵生物基因会制造出什么样的“ 怪物”来。
病救人却又很让人担心，因 病救人却又很让人担心， 为它对人体的破坏性也同样 巨大。 巨大。
因其反光度强，化学反应度低，二氧化钛在很多物质 中存在，包括白色的油漆。普通防晒霜靠加入二氧化钛阻 挡紫外线的辐射。 二氧化钛在纳米尺度下颜色出现异变，由一般的白色 变成透明，由二氧化钛纳米颗粒制作的防晒霜也是透明的， 它挡住紫外光却允许其他光进入。 科学研究指出，二氧化钛纳米微粒可以进入皮肤甚至 细胞，并在细胞内产生自由基，破坏原有的基因。 加入二氧化钛纳米微粒的防晒霜已和原先的产品不同， 但法律常常滞后于科技，世界上还没有对纳米产品的制造 法律常常滞后于科技， 及销售提出相应的规则、监管措施，也没有标识产品，消 费者目前还无从选择。
1.2 纳米材料的环境行为
一旦纳米材料进入环境，明确它 的环境行(environmental 的环境行(environmental behavior) 是非常关键的问题，包括纳米材料
在环境中的迁移、纳米材料特性的 在环境中的迁移、 改变以及毒性作用等。目前我们对
这些方面还知之甚少，有限的资料 主要来源于纳米材料环境治理的相 关研究。
生物降解与生物蓄积是相互联系的，较容易发生生物降
解的纳米材料生物蓄积的可能性比较小，而在生物体内蓄积 的纳米材料一般不被生物降解，目前生产的纳米材料以不可 降解的居多，可降解纳米材料正在研究之中。 降解的居多，可降解纳米材料正在研究之中
纳米材料在大气、土壤及水3 种不同环境介质中的迁 移受多种因素的影响，不同的纳米颗粒也可在环境中表 现出不同的转移行为，实验证明C60 水溶性衍生物— 现出不同的转移行为，实验证明C60 水溶性衍生物—富 勒醇及表面活性剂分散的基于单壁碳纳米管(SWCNT) 勒醇及表面活性剂分散的基于单壁碳纳米管(SWCNT) 较 其他纳米颗粒表现出较强的迁移性，而富勒烯迁移性较 弱。纳米氧化物颗粒的迁移对颗粒粒径及化学成分具有 较强的依赖性。 纵观3 纵观3 种环境介质，影响纳米材料环境迁移的因素 主要包括：1 主要包括：1） 颗粒粒径；2） 纳米材料的高反应性和吸 附能力；3）聚集及解离程度；4）光催化和光降解的能 力；5）土壤特性（pH、电荷及有机成份等）；6）水体 特性（pH、电荷及溶解能力等）；7）影响沉积的各因
渡大学碳纳米材料的环境转归项目提供了约200 渡大学碳纳米材料的环境转归项目提供了约200 万美元的资助，研 究介质包括所有类型的土壤和水体，主要观察碳纳米材料对细菌 土壤和水体， 和真菌的毒性。
目前可以获得的有价值的信息仍然屈指可数。 目前可以获得的有价值的信息仍然屈指可数。
二、纳米材料的环境和生态毒理学
基因芯片
基因芯片就是典型的纳米技 术与基因生物学结合的产物，人 们通过基因芯片能迅速查出自己 基因密码中的缺陷，并利用纳米 技术对错误基因进行修正。然而 当可以治愈各种遗传缺陷疾病和 肿瘤的一天来到的时候，可怕的
社会问题也许会随之而来。 社会问题也许会随之而来。
Leabharlann Baidu
生物医药
对纳米最有兴趣的恐怕要数 医药公司了。依靠纳米技术 很容易把药物直接送到肺、 心、肝、肾和大脑中去，能 轻易进入皮肤，穿越血管， 可是，这些“伟大能力”治 这些“伟大能力”
纳米技术对生物体及生态系统的影响、纳米材料在水体中的迁移、 纳米技术对生物体及生态系统的影响、纳米材料在水体中的迁移、 转化及毒性研究、光催化纳米颗粒对细菌、藻类和浮游生物的慢 转化及毒性研究、光催化纳米颗粒对细菌、 等。另外，美国国家自然基金委（NSF）和EPA 性毒性研究等。另外，美国国家自然基金委（NSF）和EPA 给普
纳米材料在不同介质中的溶解性对其毒性的影响 ，如未经有机溶剂四氢呋喃（THF）处理的C60 也较大，如未经有机溶剂四氢呋喃（THF）处理的C60
在淡水中的最高浓度仅为35mg·kg 在淡水中的最高浓度仅为35mg·kg-1，而这一浓度并不 能使实验无脊椎动物产生半数死亡。
表面基团如重金属也可以影响纳米材料的亲水性/ 疏水性、亲脂性/疏脂性或催化特性。
纳米材料污染环境
绿色和平组织的报告认为，现在各国政府都没有为新型 纳米材料制定严格管理制度。这样，细微的纳米颗粒有可 能经呼吸被吸入人体，从而危害人民健康；而且某些纳米 材料可能与有害的金属结合，从而污染环境。 有人认为，有关纳米技术的宣传有 点过热。人们对于纳米技术关注已经 开始产生副作用。“ 开始产生副作用。“当人们过分炒作 对于纳米技术的期望时，公众会认为 我们的研究水平的实际要高很多。” 我们的研究水平的实际要高很多。”
1.5 纳米材料在环境中的微界面行为
不可忽视纳米材料在环境中的微界面行为。
研究发现大部分纳米污染物都停留在较大颗粒物的表 面，在此界面上进行比溶液中更强的反应，从而对生态环 境产生影响。 环境中常见的微界面体系非常多，如水体中的悬浮物/ 环境中常见的微界面体系非常多，如水体中的悬浮物/ 地面水、大气中的烟尘/空气、土壤中的矿物颗粒/ 地面水、大气中的烟尘/空气、土壤中的矿物颗粒/空气、植 物根系/土壤水、活性污泥/生活污水及超滤膜/ 物根系/土壤水、活性污泥/生活污水及超滤膜/工业废水等。 微界面是污染物迁移转化过程中的重要载体和途径，几乎 所有在溶液中进行的反应均可在微界面上进行，而且界面 往往具有催化反应的作用。 微界面过程与纳米污染物密切相关，对纳米材料的环境 生态行为有着非常重要的影响。
这些纳米机器人移动和重新安排人体细胞中的原子排列顺。 被修改了的细胞按照新的指令发挥功能。利用自然界原有的生命 体(某些细菌、病毒等等)改造它们的生命过程，例如把细菌的尾 某些细菌、病毒等等) 巴去掉装上纳米管道，这种活的东西被称做“生物发动机”。就 是这样一批又一批功能相关的蛋白质组群可以在人的身体里不断 替换更新，不断复制。 原本细胞中发生的所有更新和运行都是按照DNA分子中的基 原本细胞中发生的所有更新和运行都是按照DNA分子中的基 因密码序列指令井然有序地进行的。纳米技术将可能仿照生命过 程的各个环节制造出各种各样的微型机器人，它们在血管中负责 清除血管壁上沉积物，进入组织间隙清除癌细胞。 问题是还没人研究由此引发的负反应。
环境纳米污染物的共同特征为以下10 环境纳米污染物的共同特征为以下10 点： 1）分子量和粒度的多分散性； 2）化学官能团的多样多变性； 3）形态结构和形貌的序列性； 4）反应活性部位的各异相关性； 5）电性与极性的显著取向性； 6）生物大分子的强烈结合性； 7）生态系统的潜在累积毒性； 8）微界面反应的错综复杂性； 9）多种污染物的组合复合性； 10）扩散和迁移的传播广阔性。 10）扩散和迁移的传播广阔性。 其中前5 其中前5点为纳米污染物的物理化学特征，后5点 ，后5 为环境生态特征，粗略概括了纳米材料的环境行为。
吸附（absorption） 吸附（
一般来说，两性颗粒、具有电荷的颗粒以及粒径较大 的纳米颗粒具有较强的吸附能力。多种类型的分子可以吸 附到纳米颗粒的表面，而被吸附的分子对纳米颗粒的迁移 与转归可能具有明显的影响，如可大大增加被吸附分子的 生物吸收；另外纳米颗粒还可能通过吸附而成为某些物质 （如重金属、农药等）的运输载体。
美国和日本一些大企业已经计划大量生 产纳米碳管材料。在一些商业化的材料中， 纳米碳管已经被采用。
在纳米碳管的生产过程中，工人是否可 能吸入这种纳米材料从而影响健康。
在IBM，纳米碳管已经用于集成电路。从 IBM，纳米碳管已经用于集成电路。从 长远看，将来纳米碳管大量生产，并应用于 衣物或是汽车车身，那么人们接触这种材料 的机会要大得多。
素等。
1.4 纳米材料在环境中的特性改变
纳米材料的粒径大小、表面积、溶解性及表面基团 等特性对其毒性作用非常重要，这些特性的改变可能导 致材料毒性较原纳米材料变小或增大。
纳米材料的稳定性依赖于材料是否会分解（例如氧 化）或者在环境中被修饰而散失纳米材料的特性（如聚 集或粘附于其他材料）。
纳米材料在不同环境中的分散性不同，聚集形成 的大颗粒其表面积急剧变小，纳米材料的表面特性可 能会消失；水溶性C60 和包被的SWCNTs 能会消失；水溶性C60 和包被的SWCNTs 可以稳定地 存在于盐溶液、细胞培养液、再生硬水和超纯(MilliQ) 存在于盐溶液、细胞培养液、再生硬水和超纯(MilliQ) 水中。目前还缺少各种纳米材料在不同环境中分散或 聚集过程及程度的资料，有待进一步研究。
1.3 纳米材料的环境迁移及其影响因素
分散（disperse）和聚集（congregate） 分散（ 和聚集（
由于纳米材料的尺寸小，比表面积大，其表面缺少邻 近的配位原子，因而具有很高的活性，而正是这种高活性 导致纳米材料较难分散，极易发生聚集，尤其在水体环境 中，如研究发现富勒烯易在水中聚集形成较大颗粒。
纳米碳管对于人类健康的影响到那时可 能显现出来。
“福兮祸所伏”
究竟是福是祸要看人类如何把握。
纳米技术的生物安全性已受到世界各国的广泛重视，美国、 欧盟及日本都对该领域的研究投入了大量经费。 美国国家纳米技术计划（NNI） 美国国家纳米技术计划（NNI）2006 财政年度为环境健康和安 全方面研究提供的资助高达3850 全方面研究提供的资助高达3850 万美元，约占整个纳米科技投入 的4%，并计划在今后几年将这一比例提高13%。2004~2005 年美 4%，并计划在今后几年将这一比例提高13%。 国环保署（EPA）对纳米安全性的合计资助金额达到362 国环保署（EPA）对纳米安全性的合计资助金额达到362 万美元， 项目涉及内容广泛，主要包括资助氧化锌纳米颗粒的环境影响、 氧化锌纳米颗粒的环境影响、
1.1 纳米材料进入环境的途径
纳米材料（Nanomaterials）可以通过多种途径进入环境而成 为纳米污染物（nano- pollutants）。
纳米药物或基因载体系统，虽然它并不直接用于环境，
但是可以通过废弃物排放而污染土壤和水体； 纳米材料的环境直接释放，如纳米监测系统（如传感 器）、污染物控制和清除系统以及对土壤和水体的脱盐处 理等。纳米材料的应用是否会对生态环境造成不利影响及 影响的程度如何，还有待研究； 工厂和实验室的废物排放也成为当前纳米材料进入环境 的重要途径； 纳米产品，如个人防护品（化妆品、遮光剂）、纳米运 动器材以及纳米纤维等都可以通过使用或废物处理等过程 被释放到环境。 研究、生产、运输、使用及废物处理等过程中的间接 和直接释放是纳米材料进入环境的主要途径，但目前还不 清楚这些过程的释放程度。