纳米技术被认为是下一次的工业革命,目前发展迅速,已引起全球范围内的科学技术、工业和农业等发生革命性变革,将给人类社会带来巨大的变化。而人工纳米材料(Manufactured nanomaterials,以下简称MNMs)正是这一新兴产业的基础。由于MNMs具有许多优良而又奇异的物理或化学性质(例如由纳米尺度所引起的尺寸效应,量子效应、巨大的表面效应以及界面效应等),因而在医药,工业,建筑,染料、涂料、食品,化妆品和环保等产业中具有十分诱人的前景,其产量越来越多,应用越来越广泛。但是,也正因为MNMs的这些奇异特性,及其日益增加的产量和应用,人们担心MNMs潜在的对环境、人体健康和社会的有害影响最终是否会超过他带给人类社会的效益。MNMs可能在其生命周期(生产、贮存、运输、消费、处置或回收再生产)中泄漏进入水体,造成水环境和沉积物的污染,导致对水生生态系统的污染胁迫,甚至可能通过食物链对人类健康产生潜在的危害。但遗憾的是,迄今为止有关纳米材料水生生态毒理学的数据仍极为匮乏。基于上述认识,为评价纳米颗粒泄漏进入水环境后对水生生态系统可能造成的影响及其影响机制,确定其潜在的生态风险,以便能及早采取相应的风险管理措施,本文以生态毒理学理论为基础,从以下几个方面进行了前瞻性的探索:1.对传统生态毒性测试方法进行修改,以应用于人工纳米材料的生态毒性测定,在此基础上集中比较了2类6种人工纳米材料(金属氧化物纳米颗粒:纳米二氧化钛nTiO2、纳米氧化锌nZnO、纳米氧化铝nAl2O3;碳纳米颗粒:富勒烯C60、单壁碳纳米管SWCNTs和多壁碳纳米管MWCNTs)对模式生物——斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)和大型蚤(Daphnia magna)的毒性效应。结果发现:⑴人工纳米颗粒进入水环境后确实能产生一定的生态毒性。6种纳米材料水悬浮液均能抑制斜生栅藻的生长,抑制大型蚤的活动,并导致大型蚤死亡。根据6种纳米材料对斜生栅藻生长的96 h EC50值,可排出其毒性大小顺序为:nZnO > C60、nTiO2、MWCNTs、SWCNTs > nAl2O3;而根据对大型蚤活动抑制的48 h EC50值,可得到6种纳米材料水悬浮液的毒性大小顺序为:nZnO > SWCNTs >C60、MWCNTs >nTiO2 > nAl2O3。总体而言,无论对大型蚤还是对斜生栅藻,nZnO的毒性均较其他纳米材料大,对藻类有毒,对大型蚤为剧毒;而nAl2O3则最小,可认为基本无害或低毒;3种碳纳米材料的毒性大致相当,对藻类有害,对大型蚤则是有毒,考虑到C60在一定条件下能溶于水中形成稳定的纳米尺度悬浮聚合物,而且浓度高达20 mg/L以上,可认为是最有可能带来环境风险的碳纳米材料形式。因此,可以考虑以nZnO和C60作为金属氧化物纳米颗粒和碳纳米材料的代表性种类,应用于MNMs的生态毒理学研究。⑵通过对现有的评价化学物质生态毒性的标准方法/程序进行适当地修改,在使实验体系最优化后,纳米颗粒的生态毒性测定将是可能的。对藻类而言,人工纳米材料可能遮蔽光,导致实验体系内实际光强下降而抑制藻类的生长。可通过降低光径、减少溶液体积扩大受光面积、保持实验体系处于紊流状态等措施加以解决。⑶实验发现,纳米颗粒对大型蚤的毒性大于其相对应的大尺度物质,推测大型蚤能更多地滤食纳米颗粒以及纳米颗粒本身更高的生物活性是造成上述毒性差异的原因。2.在上述研究基础上,采用生命早期发育阶段技术,进一步研究了代表性人工纳米材料(nZnO纳米颗粒)进入水体后形成的水悬浮液对斑马鱼(Danio rerio)鱼卵和仔鱼的发育毒性及其相关作用模式,结果发现:⑴nZnO纳米颗粒进入水体后形成的水悬浮液对斑马鱼鱼卵和仔鱼具有显著的发育毒性,并呈浓度依赖性和时间依赖性。nZnO水悬浮液对斑马鱼胚胎孵化率具有很高的毒性,84 h EC50仅为1.174 mg/L,低浓度下即可造成胚胎发育延迟;nZnO水悬浮液暴露条件下,能导致斑马鱼胚胎—仔鱼发生心包囊水肿和血流障碍,最终导致斑马鱼胚胎或仔鱼的死亡。⑵在本实验条件下,nZnO纳米颗粒进入水环境中后形成的水悬浮液对斑马鱼鱼卵和仔鱼的发育毒性除了nZnO纳米颗粒在水中溶出的自由锌离子作用机制之外,还可能存在接触毒性作用,即nZnO水悬浮液中的nZnO能通过某种途径(如吸附或沉积等)到达斑马鱼受精卵的卵膜表面或仔鱼机体表皮,引起细胞膜的损伤从而造成对斑马鱼的伤害。而氧自由基的检测结果表明,nZnO水悬浮液中氧自由基的生成并不是nZnO水悬浮液对斑马鱼鱼卵和仔鱼产生发育毒性的主要途径。3.本文还研究了代表性碳纳米材料C60纳米颗粒进入水体后形成的水悬浮液(nC60)对斑马鱼鱼卵和仔鱼的发育毒性及其相关毒性机制,结果发现:⑴nC60的制备过程以及nC60本身的结构能影响其潜在生物毒性。38mg/L nC60/toluene(以甲苯toluene为助溶剂)、5.0mg/L nC60/aq(经长时间搅拌制备,无任何添加剂)和50 mg/L C60(OH)16-18(C60水溶性衍生物)都没有对斑马鱼胚胎发育产生毒性。而低浓度的nC60/TTA(以甲苯toluene,四氢呋喃THF和丙酮acetone为助溶剂)不仅能造成胚胎或幼鱼发育的延迟,存活率和孵化率的下降,甚至能造成部分斑马鱼心包囊水肿和畸形,其96h LC50仅为2.561 mg/L。⑵进一步的研究表明,nC60/TTA可能通过产生ROS攻击生物体引起氧化伤害的途径作用于斑马鱼胚胎(仔鱼)发育过程,引发发育毒性。nC60/TTA和nC60/aq实验溶液中均检测到超氧阴离子自由基的生成,并且nC60/TTA实验溶液中的含量远大于nC60/aq实验溶液。nC60/TTA的暴露能导致斑马鱼仔鱼超氧化物歧化酶(SOD)发生氧化应激,当浓度≥0.670mg/L时,SOD活性下降,丙二醛(MDA)含量继续上升,表明机体抗氧化系统防御功能已经衰竭。nC60/aq的暴露同样能导致斑马鱼仔鱼SOD活性显著增加(p<0.05),发生氧化应激。加入抗氧化剂(维生素C,VC)后能明显减缓nC60/TTA和nC60/aq对斑马鱼胚胎的发育毒性。表明,nC60/TTA的发育毒性存在氧自由基的作用机制。4.实际环境中的暴露水平通常较低,低剂量长期暴露的研究结果将能更真实地反映生物的暴露状况。因此,本文进一步研究低剂量(0.04～1.0 mg/L)C60纳米颗粒长期(32 days)暴露对水生生物(鲫鱼,Carassius auratus)生长和生理生化的影响,结果表明:⑴1mg/L nC60/aq长期曝露下鲫鱼幼鱼的全长和体重显著小于对照。⑵鲫鱼幼鱼不同组织对nC60/aq暴露胁迫的应激方式各异,抗氧化能力也不同。脑组织中主要的解毒物质是还原型谷胱甘肽(GSH),随暴露浓度的增加GSH含量不断降低,而其他指标没有显著变化。肝脏组织中,SOD、过氧化氢酶(CAT)、Na+-K+-ATPase活性和GSH含量均对低剂量nC60/aq(0.04mg/L)暴露产生明显的响应,表明肝脏可能是nC60/aq毒性作用的重要靶器官之一。鳃组织中Na+-K+-ATPase酶活性被显著激活,表明鳃组织细胞膜受到损伤,鳃组织可能是鱼体最先受到伤害的部位。值得注意的是,各实验组(0.04～1.0 mg/L)中鲫鱼幼鱼不同组织中的GSH含量都发生显著降低,而肝脏组织中CAT和SOD活性均显著激活,提示长期暴露引起机体组织的氧化应激,可能是nC60/aq的致毒机制之一。⑶机体自稳态是正常生理功能的标志,也是机体健康的必须条件。鳃组织中Na+-K+-ATP酶活性被显著激活,同时GSH含量的不断消耗,表明组织内抗氧化防御功能的衰竭,导致膜的损伤,细胞内平衡被打破。进一步表明,低剂量nC60/aq长期污染胁迫下,体外和体内活性氧的产生及其氧化损伤可能是nC60/aq致毒的重要路径。从上述结果可知,人工纳米材料进入水环境后,在一定条件下能对包括浮游植物、浮游动物和游泳生物在内的水生生物产生显著的急性和慢性伤害,表现出明显的生态毒理效应,其水生生态毒性可能与其本身的性质(如粒径、光敏性、高表面积和反应活性等)有关,同时也依赖于所用的测试生物及其相关生理学(如生物自身的生理构造、功能和敏感性等)。有关MNMs对环境和人类安全性的问题已引起各个领域专家学者的广泛争论,本文的结果表明人工纳米材料的暴露对水生生态的影响不容忽视,亟需进一步开展更加全面、系统的生态毒理学研究,并对人工纳米材料的生态风险进行评价,以保护环境,保护人类健康,同时促进纳米科技健康有序的发展。