纳米二氧化钛与重金属对秀丽线虫的复合毒性及其机制研究

发布时间：2020-08-21 05:31

【摘要】：纳米二氧化钛(TiO_2 NPs)是最早实现商业化并且应用广泛的一种纳米材料。随着纳米TiO_2产量的不断提升,其在环境中的持有量不断增长。在实际水环境中,纳米TiO_2不可避免的与其他共存污染物(如重金属)接触并发生相互作用,从而改变共存污染物的环境行为与生态毒性。然而,纳米材料与重金属之间的相互作用及潜在的环境健康风险在很大程度上仍是未知的,复合生物效应及其机制研究尚处于起步阶段。本课题以秀丽隐杆线虫为实验生物,对纳米TiO_2与重金属镉(Cd)、砷(As)和镍(Ni)的相互作用,纳米TiO_2联合重金属暴露的水环境分布及暴露水平变化,以及纳米TiO_2联合镉暴露的多代生殖毒性及其机制进行了研究。具体研究结果如下:1、纳米TiO_2与重金属的相互作用研究:利用多种表征手段分别对纳米TiO_2及其与重金属相互作用后样品的形貌特征、分散性、水合粒径、Zeta电位等进行表征。结果发现:1)该实验所用锐钛矿型纳米TiO_2在水环境中对重金属离子具有较强的吸附和富集作用。2)分散介质的离子强度可显著影响纳米TiO_2的水合粒径,高离子强度的KM溶液显著增大其水合粒径;重金属离子的加入可进一步的增大其水合粒径。分散介质亦可显著影响纳米TiO_2的Zeta电位,KM使纳米TiO_2的Zeta电位绝对值降低,重金属离子的加入可进一步的降低其Zeta电位绝对值。但As(Ⅲ)对纳米TiO_2的Zeta电位的影响与Cd、Ni存在差异,这与As在溶液中的存在价态密切相关。纳米TiO_2的Zeta电位与团聚程度之间具有密切相关性。2、纳米TiO_2对重金属的水环境分布及暴露水平的影响:以秀丽隐杆线虫为实验生物,对纳米TiO_2及其与重金属的混合物在水环境中的沉降作用及其暴露水平、生物毒性和积累水平的变化进行研究。结果发现:1)纳米TiO_2极易在水环境中发生动态沉降,离子强度是影响纳米TiO_2沉降效率的重要因素,高离子强度的KM对纳米颗粒的团聚与沉降具有显著的促进作用,且重金属的加入也可进一步的增强其沉降作用。2)纳米TiO_2及其负载重金属的沉降作用导致重金属在水环境中的垂直分布发生变化。水环境底层的重金属浓度随着时间的延长而逐步增强,而水环境上层的重金属浓度则逐步下降,这导致不同水层的水生生物的污染物暴露水平受到不同程度的影响。3)纳米TiO_2剂量依赖的促进重金属对底栖生物秀丽隐杆线虫的生物积累、生殖和发育毒性,但纳米TiO_2对As(Ⅲ)的影响低于对Cd和Ni的影响。3、纳米TiO_2联合镉暴露的多代生殖毒性及其机制研究:1)亲代暴露于纳米TiO_2(无毒剂量)不仅能增强Cd对当代线虫的生殖毒性,还能增强其子一代和子二代的生殖毒性。此外5 nm TiO_2对Cd的多代生殖毒性的促进作用高于15nm TiO_2。2)积累与排泄实验发现,纳米TiO_2的存在促进了生物体对重金属的摄取和积累,纳米TiO_2与Cd在生物体内的积累具有密切相关性。纳米TiO_2与Cd团聚体被摄入肠道后会受肠道pH环境的影响。溶液pH值的改变影响纳米TiO_2的表面电势,从而影响纳米TiO_2对Cd的吸附作用。肠道的酸性pH促进纳米TiO_2与Cd的解吸附,增强Cd离子在肠道中的释放,从而进一步提高其生物利用度。金属硫蛋白mtl-2的基因表达水平的上调对重金属生物积累水平的上升做了进一步的验证。3)利用突变品系发现,金属敏感基因mtl-2和pcs-1参与线虫对污染物的响应以及纳米TiO_2对Cd毒性的调控作用。4)利用原位成像技术LA-ICP-MS直观的发现,纳米TiO_2促进了 Cd的生物积累,且纳米TiO_2与Cd的生物体分布存在差异,Cd在线虫中的分布范围较大,而纳米TiO_2则大量积累于肠道、咽泵、阴部和肛门。更进一步的我们发现,纳米TiO_2促进了重金属在生殖细胞和胚胎中的积累,从而增强了重金属沿生殖系的世代间传递作用。综上所述,纳米TiO_2通过增加重金属的局部暴露浓度和生物积累水平来增加重金属对秀丽隐杆线虫的生殖和发育毒性,该结果为纳米TiO_2对重金属的水层分布和生物效应的影响提供新的数据参考。更进一步的,纳米TiO_2可通过增加Cd的生殖系统积累而增强Cd的多代生殖毒性,该结果对重金属联合纳米材料暴露的多世代毒性研究做了新探索,并为污染物的生殖系传递提供了新证据。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X171.5
【图文】：

范围,纳米材料,物质结构,纳米尺度

１．２．１纳米材料的定义与分类逡逑纳米材料（ＮＭｓ）是指物质结构在三维内至少有一个处于纳米尺度，即逡逑０．１￣丨００邋ｎｍ邋（图１．１），或是由基本单元（Ｂｕｉｌｄｉｎｇ邋Ｂｌｏｃｋｓ）组成的材料。纳米材逡逑料亦可定义为具有纳米结构的材料。逡逑Ａｎｔ逦Ｈａｉｒ邋Ｍａｍｍａｌｉａｎ邋ｃｅｌｌ邋Ｂａｃｔｅｒｉａ邋Ｍｉｔｏｃｈｏｎｄｒｉｏｎ邋Ｖｉｒｕｓ邋Ｐｒｏｔｅｉｎ邋Ｓｍａｌｌ邋ｍｏｌｅｃｕｌｅ邋Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ逡逑＾邋８邋＠逡逑ｉ逦ｉ逦ｉ逦ｉ逦ｉ逦ｉ逦ｉ逦ｉ逡逑１邋ｎｉｍ逦１００逦Ｉ0邋Ｍｍ逦１逦１００邋ｎｍ逦１０邋ｎｍ逦１邋ｎｍ逦０．１邋ｎｍ逡逑卜■■■■■■■逦■■■■■■■邋Ｎａｎｏｓｃａｉｅ邋逦Ｉ逡逑图１．１纳米粒径范围逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ａ邋ｎａｎｏｍｅｔｅｒ邋ｉｓ邋ｏｎｅ邋ｂｉｌｌｉｏｎｔｈ邋ｏｆ邋ａ邋ｍｅｔｅｒ逡逑纳米材料按照不同的参数标准可以有不同的分类。逡逑（１）

纳米材料,生物体,主要途径

的现场修复，零价纳米铁也由此进入水环境２５。逡逑１．２．３．２纳米材料的暴露风险逡逑环境中的纳米材料可通过多种途径进入生物体（图１．４），并可通过食物链进逡逑行传递：１）空气暴露或者吸入途径可能是纳米材料特别是纳米颗粒进入机体的逡逑主要途径。研究发现，粒径在１０邋ｐｍ以下的空气悬浮颗粒（ＰＭｉａ）均可被吸入逡逑并在呼吸道的不同区域发生沉积２６。２）纳米材料可通过消化道吸收途径进入机逡逑体，如生物直接摄入纳米材料污染的食物或通过食物链间接摄入２７，２８。３）近年逡逑来纳米材料在化妆品中的应用逐渐增多，例如Ｔｉ０２和ＺｎＯ纳米颗粒，皮肤接触逡逑的这些纳米材料可能会穿过表皮和真皮细胞，进入毛细血管或淋巴管２９。４）作逡逑为药物载体或治疗性药物，纳米材料还可能通过静脉注射等途径进入血液从而产逡逑生毒性效应３（），３１。逡逑纳米材料进入逡逑Ｉ生物体的主要逡逑途径逡逑：空气暴露／消化道吸化妆品皮药物载体／逡逑吸入途径收途径肤接触治疗性药逡逑、逦Ｖ，逦Ｖ逦、物逡逑图１．４纳米材料进入生物体的主要途径逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．４邋Ｔｈｅ邋ｍａｉｎ邋ｗａｙ邋ｆｏｒ邋ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ邋ｔｏ邋ｅｎｔｅｒ邋ｏｒｇａｎｉｓｍｓ逡逑纳米技术的发展为人们的生产、生活带来巨大利益。然而

锐钛矿型,晶型结构,金红石型

蛋白质、Ｃａ２＋等具有很强的吸附能力，因此加入到生物复杂，有可能形成二次颗粒物。这种与生物分子结合后细胞的离子通道、主动转运而进入细胞，具有更高的生钛逡逑钛的特征与应用逡逑型是Ｔｉ０２应用较多两种形式，其都可以描述为Ｔｉ０２体分别与１０个和８个八面体接触邋＇邋如Ｐ邋１．６所示。２的八面体的变形和排列形式不同，锐钛矿中Ｔｉ－Ｏ距离离则大于金红石。这些差别导致了二者具有不同的质锐钛矿型表现出较高的活性和氧化能力，表面吸附ｈ２，光催化活性较高６１。逡逑锐钛矿型逡逑

【参考文献】