纳米材料对水生生物的生态毒理效应研究进展.pdf

第30卷第12期环境化学Vo1．30，No．12
2011拄12月ENVIRONMENTALCHEMISTRYDecember20l1

纳米材料对水生生物的生态毒理效应研究进展

李晶胡霞林陈启晴尹大强

(同济大学环境科学与工程学院，污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海，200092)

摘要随着纳米材料的大量生产和应用，其将不可避免地释放到水环境中．近年来，纳米材料对水生生物的
生态毒理效应已经引起了科学家的广泛关注．纳米材料在水环境中的分散液／悬浮液是与环境最为相关的形
态；纳米材料在水环境中的分散与团聚、生物累积直接决定了其生态毒理学效应．本文概述了纳米材料在水环
境中的环境行为，归纳了纳米材料在水生生物中的生物累积及机制，总结了纳米材料对水生生物的毒理效应，
并阐述了对其它有毒污染物的生态毒理效应的影响．最后，本文展望了纳米材料对水生生物的生态毒理效应
这一研究领域的发展方向．
关键词纳米材料，水生生物，生物累积，毒理效应．

纳米科技的到来使多种工程纳米材料在生产和市场中崭露头角，据估计，纳米科技的影响将远远超
过工业革命，预计到2015年形成一万亿美元的市场j．这意味着将有更多的纳米材料进入环境中，其生
物毒性具有潜在风险．纳米毒理学作为生态毒理学的新分支，主要研究方向是对工程纳米结构和纳米器
件的安全性评价．早期的纳米毒理学主要限于哺乳动物的研究(如大鼠、兔子等)；而自2004年
OberdtirsterE发现低浓度的富勒烯水溶液(0．5mg·L～nC印)在48h内使大嘴黑鲈脑部产生脂质过氧
化开始，纳米材料对水生生物的生态毒理效应逐渐受到人们的关注．
水环境是最易受污染的系统之一，多种污染物(包括纳米材料)可通过污废水，地表径流或大气沉
降等最终归于河、湖和溪流中．目前纳米材料本身在水环境中的浓度较低，TiO：在地表水中的浓度为
21ng·L一，而c∞在污水厂出水中的浓度为4ng·L；但一些环境相关过程能使纳米材料形成更高浓
度的悬浮液，如无限搅拌使c印在淡水中的浓度达到35mg·L-116]，自然有机物(NOM)使疏水的多壁碳
纳米管(MWNTs)在水中稳定分散J．此外，一些纳米材料还能在多孔介质中迁移J，说明其影响范围
更广．纳米材料对水生生物的负面影响不仅在于自身毒性，而且体现在对其它有机污染物和重金属的生
物有效性和毒性效应的干扰“j，如纳米TiO能加剧cd在斑马鱼体内的富集ll．为了全面了解纳米
材料的性质和毒性机理，达到保护生产和市场安全的目的J，需加强水生纳米毒理学的研究．
本文总结了近年来纳米材料对水生生物的生态毒理效应研究进展，包括纳米材料在水环境中的环
境行为、生物累积及其机制、水生生物毒性效应等，并阐述了对其它有毒污染物的生态毒理效应的影响．

1纳米材料在水环境中的行为
纳米材料可通过生产设备、垃圾填埋、污水处理、商品使用、生产和运输中的意外排放等途径直接或
间接地进入水环境¨．此外，人类也主动地向环境中引入纳米材料，如采用零价纳米铁(ZVI)修复受污
染的地下水等．
纳米材料能在水环境中分散团聚、沉降、吸附其它物质、被生物吞食或粘附、在多孔介质中被截留或
穿透滤层进入地下水．其中，纳米材料在水中的分散团聚和在多孔介质中的迁移一直受到研究关注．朱
小山等孓发现斑马鱼胚胎及幼鱼对纳米ZnO，以及大型蚤对6种不同的纳米材料皆表现出浓度依赖
性毒性．此外，纳米TiO：的生物有效性在团聚物尺寸超过3m时减弱_1’；稳定的CdSe／ZnS量子点对大

2011年4月513收稿．
国家自然科学基金项目(21007047)；国际科技合作计划资助(2010DFA91800)；高等学校博士学科点专项科研基金
(20090072120058)资助．

$通讯联系人，Tel：021—65982268；E—mail：[e-mail]
1994环境化学30卷

型蚤毒性较小．可见纳米材料的毒性与溶液浓度、团聚颗粒的尺寸和稳定性有关，而纳米颗粒的分散
团聚决定了以上性质，所以研究纳米材料的分散团聚具有重要意义．一些纳米材料在多孔介质中迁移能
力较强]，说明其影响范围不止局限于地表水，很可能对地下水的安全造成威胁．纳米材料的环境行为
对其生物有效性和毒性影响较强，因此了解纳米颗粒在地下水、江河、湖泊、海水中的环境行为尤为
重要．
1．1纳米材料在水环境中的分散和团聚
1．1．1NOM和表面活性剂的影响
水中的纳米材料颗粒之间主要存在静电斥力和范德华引力．由于纳米材料本身粒径很小，比表面能
和范德华力大，在布朗运动作用下易于聚集而沉降．但是NOM和一些表面活性剂能吸附在纳米材料上，
产生体积斥力或静电斥力使纳米材料稳定悬浮．银纳米颗粒(AgNPs)在水中不易分散，但加入腐植
质(HS)后