改性纳米碳黑-Cd对蚯蚓的联合毒理效应与机理
发布时间：2021-02-02 12:16
随着《土壤污染防治行动计划》和《土壤污染防治法》的颁布实施,我国土壤污染防治进入了新的时期。针对我国土壤重金属轻微、轻度污染的特点,原位钝化修复技术蓬勃发展。纳米材料,由于具有超强的吸附能力,已被广泛应用于土壤重金属的原位钝化修复研究。但是,应用于重金属污染土壤修复进入土壤的纳米材料与通过其他途径进入土壤的纳米材料存在显著地不同:一是,土壤中浓度高,二是,选择性钝化吸附着大量重金属,改变了纳米材料的表面性质。纳米材料,尤其应用于重金属污染土壤修复后,在土壤中长期蓄积令人担忧。“强化土壤污染管控和修复,有效防范风险”要求必须清楚认识进入土壤中纳米材料和将要应用于污染土壤修复的纳米材料的生物毒理效应,这对土壤污染管控至关重要。本文以纳米碳黑为核心研究材料,在对纳米碳黑（CB）、还原氧化石墨烯（RGO）、单壁碳纳米管（SWCNT）形貌结构、表面电荷、化学组成等的分析基础上,以赤子爱胜蚓（Eisenia fetida）为受试生物,通过模拟试验、培养试验和体外试验等,研究同质异形（纳米碳黑、还原氧化石墨烯、单壁碳纳米管）碳纳米材料对蚯蚓死亡率、体重、抗氧化生物标志物、体腔细胞毒性、肠道细菌群落组...
【文章来源】：山东师范大学山东省
【文章页数】：163 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
纳米材料在土壤中的生物毒理效应研究设想Fig.1-1.Schematicdiagramofconceivablebiotoxicologicaleffectofnanomaterialsinsoilsystem.目前有关纳米材料在空气、水体中对生物影响的研究已逐步开展
17图2-1纳米消费品库存列出的纳米材料组分，分为五大类:未知、金属（包括金属和金属氧化物）、碳质纳米材料（碳黑、碳纳米管、富勒烯、石墨烯）、硅基纳米材料（硅和二氧化硅）和其他（有机物、聚合物、陶瓷等）；引自参考文献[6]。Fig.2-1.Claimedcompositionofnanomaterialslistedintheconsumerproductsinventory.Copyright2015Vanceetal[6];licenseeBeilstein-Institut.2.2土壤中纳米材料的毒理效应纳米毒理学是从与工作场所和一般环境以及消费者安全相关的成熟科学—颗粒毒理学发展而来的一个新领域[98,99]，是研究负面纳米生物效应的科学[47]。目前，更多的研究关注于大气中的纳米颗粒通关呼吸途径造成的肺毒性，但对于纳米颗粒在土壤中生物毒性研究仍处于起步阶段。纳米材料对土壤生物的影响主要包括对土壤微生物和酶活性、植物、动物的影响几个方面。2.2.1纳米材料对土壤酶活性的影响土壤酶主要位于土壤微生物、植物根系分泌物、动植物残体中，包括只能在细胞内发挥作用的与代谢中心相关的细胞内酶（例如糖酵解酶）和可以泌出胞外保持活性的细胞外酶[100]。土壤酶是土壤微生物学和生物化学的主要研究议题，也是评估土壤质量和土壤健康的重要指标。几种用于反映金属氧化物纳米材料影响的重要的酶有氧化原核糖核酸酶（如过氧化氢酶）、水解酶（如脲酶）和转化酶（如蔗糖酶）。研究指出，Zn和ZnO纳米颗粒会降低土壤中的脱氢酶、磷酸酶和β-葡糖苷酶活性，然而纳米Zn和ZnO对脱氢酶活性的抑制效应小于Zn2+[101]，并且ZnO纳米颗粒也会显著抑制土壤蛋白酶，过氧化氢酶和过氧化物酶的活性[102]。以上研究都认为离子释放是金属基纳米颗粒产生毒性的原因。但是对纳米银（AgNPs）的研究发现，AgNPs可以在受试浓度内（1、10、100和1000μg/g）?
山东师范大学硕士学位论文22图2-2不同形貌纳米材料-生物膜界面相互作用概念模型（a）穿透（b）切割（c）内吞。Fig.2-2.Conceptualmodeldiagramofnanomaterial-biofilminterfaceinteractionwithdifferentmorphologies.(a)penetration(b)insertion(c)endocytosis.尺寸大校一般来说，粒径越小，毒性越大。用不同粒径（15nm、30nm、55nm）的AgNPs颗粒处理细胞24h后，更小粒径的银纳米颗粒会产生更高的ROS和细胞凋亡水平[141]。而且线虫更易吸收小粒径的AgNPs颗粒[142]。美国耶鲁大学MenachemElimelech研究团队利用大肠杆菌实验证明由于相同长宽比条件下，SWCNT比MWNT有更小的直径、更短的长度和更大的表面积，与细胞表面接触的几率和面积更大，更容易分配和穿过细胞壁，具有更大的细胞毒性[137]。表面性质。纳米材料不同的表面化学性质会使其与邻近分子产生不同的静电作用、氢键作用、亲疏水作用、π-π共轭作用，与空间构型有关的毒作用过程也会受到表面改性的显著影响。有研究表明，表面羟基化的水溶性富勒烯C60(OH)24比易团聚态的原始C60产生更少的超氧阴离子自由基，减轻了对两种人体细胞的危害[143]。还原石墨烯（RGNWs）比含有C-OH、C=O、O=C-OH等官能团的氧化石墨烯（GONWs）有更强的抗菌能力，这种对细菌细胞膜损伤的优越性主要归因于其更锋利边的直接作用和其与细菌膜之间更好的电荷传导性能，氧化损伤的作用是其次的[139]。相反地，有大量研究表明，官能团化纳米颗粒比原始颗粒的毒性更大[144-146]。高分子（PVP、PEG等）表面修饰或包覆常常用来提高纳米材料的溶液稳定性，减少团聚。但同时也可能因溶剂化作用、配体作用等，改变它们的生物有效性和毒性[147,148]。也有研究表明，PEI修饰的MWCNTs对蚯蚓的摄入没有明显影响[78]，PV
【参考文献】：
期刊论文
[1]磷酸改性纳米黑碳的制备及对Cd的吸附研究[J]. 刘雅心,成杰民,徐坤. 环境污染与防治. 2019(08)
[2]草坪基质添加碳纳米材料对高羊茅生长和蚯蚓生理的影响[J]. 王彦力,白雪,多立安,赵树兰. 农业环境科学学报. 2019(04)
[3]单壁碳纳米管对太平洋牡蛎（Crassostrea gigas）的毒性效应及生物体防御机制研究[J]. 杨占宁,丁光辉,于源志,李西山,张楠楠,李瑞娟,张晶,崔福旭. 生态毒理学报. 2019(01)
[4]石灰与生物炭配施对不同浓度镉污染土壤修复[J]. 王刚,孙育强,杜立宇,吴岩,梁成华,王沛文,郭炜辰. 水土保持学报. 2018(06)
[5]Zn还原氧化石墨烯（RGO）和ZnO/RGO自组装复合材料的电磁响应行为[J]. 马志军,莽昌烨,翁兴媛,赵海涛,高静. 复合材料学报. 2019(07)
[6]纳米羟基磷灰石钝化修复重金属污染土壤的稳定性研究[J]. 邢金峰,仓龙,葛礼强,周东美. 农业环境科学学报. 2016(07)
[7]大气纳米颗粒物对人体健康效应的研究进展[J]. 熊丽林,吴添舒,唐萌. 中华预防医学杂志. 2015 (09)
[8]纳米Ag粒子在我国主要类型土壤中的迁移转化过程与环境效应[J]. 周东美. 环境化学. 2015(04)
[9]改性纳米黑碳对棕壤有效态Cu、酶活性和微生物呼吸的影响[J]. 刘玉真,成杰民. 湖北农业科学. 2015(03)
[10]氮掺杂还原氧化石墨烯负载铂催化剂的制备及甲醇电氧化性能[J]. 王丽,马俊红. 物理化学学报. 2014(07)
博士论文
[1]改性纳米黑碳的土壤环境行为及其环境效应研究[D]. 刘玉真.山东师范大学 2015
硕士论文
[1]不同钝化材料对重金属钝化稳定性机理研究[D]. 于亚琴.山东师范大学 2017
[2]典型纳米金属氧化物对不同类型土壤中蚯蚓、小麦的毒性效应[D]. 曹圣来.南京大学 2015
本文编号：3014681
【文章来源】：山东师范大学山东省
【文章页数】：163 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
纳米材料在土壤中的生物毒理效应研究设想Fig.1-1.Schematicdiagramofconceivablebiotoxicologicaleffectofnanomaterialsinsoilsystem.目前有关纳米材料在空气、水体中对生物影响的研究已逐步开展
17图2-1纳米消费品库存列出的纳米材料组分，分为五大类:未知、金属（包括金属和金属氧化物）、碳质纳米材料（碳黑、碳纳米管、富勒烯、石墨烯）、硅基纳米材料（硅和二氧化硅）和其他（有机物、聚合物、陶瓷等）；引自参考文献[6]。Fig.2-1.Claimedcompositionofnanomaterialslistedintheconsumerproductsinventory.Copyright2015Vanceetal[6];licenseeBeilstein-Institut.2.2土壤中纳米材料的毒理效应纳米毒理学是从与工作场所和一般环境以及消费者安全相关的成熟科学—颗粒毒理学发展而来的一个新领域[98,99]，是研究负面纳米生物效应的科学[47]。目前，更多的研究关注于大气中的纳米颗粒通关呼吸途径造成的肺毒性，但对于纳米颗粒在土壤中生物毒性研究仍处于起步阶段。纳米材料对土壤生物的影响主要包括对土壤微生物和酶活性、植物、动物的影响几个方面。2.2.1纳米材料对土壤酶活性的影响土壤酶主要位于土壤微生物、植物根系分泌物、动植物残体中，包括只能在细胞内发挥作用的与代谢中心相关的细胞内酶（例如糖酵解酶）和可以泌出胞外保持活性的细胞外酶[100]。土壤酶是土壤微生物学和生物化学的主要研究议题，也是评估土壤质量和土壤健康的重要指标。几种用于反映金属氧化物纳米材料影响的重要的酶有氧化原核糖核酸酶（如过氧化氢酶）、水解酶（如脲酶）和转化酶（如蔗糖酶）。研究指出，Zn和ZnO纳米颗粒会降低土壤中的脱氢酶、磷酸酶和β-葡糖苷酶活性，然而纳米Zn和ZnO对脱氢酶活性的抑制效应小于Zn2+[101]，并且ZnO纳米颗粒也会显著抑制土壤蛋白酶，过氧化氢酶和过氧化物酶的活性[102]。以上研究都认为离子释放是金属基纳米颗粒产生毒性的原因。但是对纳米银（AgNPs）的研究发现，AgNPs可以在受试浓度内（1、10、100和1000μg/g）?
山东师范大学硕士学位论文22图2-2不同形貌纳米材料-生物膜界面相互作用概念模型（a）穿透（b）切割（c）内吞。Fig.2-2.Conceptualmodeldiagramofnanomaterial-biofilminterfaceinteractionwithdifferentmorphologies.(a)penetration(b)insertion(c)endocytosis.尺寸大校一般来说，粒径越小，毒性越大。用不同粒径（15nm、30nm、55nm）的AgNPs颗粒处理细胞24h后，更小粒径的银纳米颗粒会产生更高的ROS和细胞凋亡水平[141]。而且线虫更易吸收小粒径的AgNPs颗粒[142]。美国耶鲁大学MenachemElimelech研究团队利用大肠杆菌实验证明由于相同长宽比条件下，SWCNT比MWNT有更小的直径、更短的长度和更大的表面积，与细胞表面接触的几率和面积更大，更容易分配和穿过细胞壁，具有更大的细胞毒性[137]。表面性质。纳米材料不同的表面化学性质会使其与邻近分子产生不同的静电作用、氢键作用、亲疏水作用、π-π共轭作用，与空间构型有关的毒作用过程也会受到表面改性的显著影响。有研究表明，表面羟基化的水溶性富勒烯C60(OH)24比易团聚态的原始C60产生更少的超氧阴离子自由基，减轻了对两种人体细胞的危害[143]。还原石墨烯（RGNWs）比含有C-OH、C=O、O=C-OH等官能团的氧化石墨烯（GONWs）有更强的抗菌能力，这种对细菌细胞膜损伤的优越性主要归因于其更锋利边的直接作用和其与细菌膜之间更好的电荷传导性能，氧化损伤的作用是其次的[139]。相反地，有大量研究表明，官能团化纳米颗粒比原始颗粒的毒性更大[144-146]。高分子（PVP、PEG等）表面修饰或包覆常常用来提高纳米材料的溶液稳定性，减少团聚。但同时也可能因溶剂化作用、配体作用等，改变它们的生物有效性和毒性[147,148]。也有研究表明，PEI修饰的MWCNTs对蚯蚓的摄入没有明显影响[78]，PV
【参考文献】：
期刊论文
[1]磷酸改性纳米黑碳的制备及对Cd的吸附研究[J]. 刘雅心,成杰民,徐坤. 环境污染与防治. 2019(08)
[2]草坪基质添加碳纳米材料对高羊茅生长和蚯蚓生理的影响[J]. 王彦力,白雪,多立安,赵树兰. 农业环境科学学报. 2019(04)
[3]单壁碳纳米管对太平洋牡蛎（Crassostrea gigas）的毒性效应及生物体防御机制研究[J]. 杨占宁,丁光辉,于源志,李西山,张楠楠,李瑞娟,张晶,崔福旭. 生态毒理学报. 2019(01)
[4]石灰与生物炭配施对不同浓度镉污染土壤修复[J]. 王刚,孙育强,杜立宇,吴岩,梁成华,王沛文,郭炜辰. 水土保持学报. 2018(06)
[5]Zn还原氧化石墨烯（RGO）和ZnO/RGO自组装复合材料的电磁响应行为[J]. 马志军,莽昌烨,翁兴媛,赵海涛,高静. 复合材料学报. 2019(07)
[6]纳米羟基磷灰石钝化修复重金属污染土壤的稳定性研究[J]. 邢金峰,仓龙,葛礼强,周东美. 农业环境科学学报. 2016(07)
[7]大气纳米颗粒物对人体健康效应的研究进展[J]. 熊丽林,吴添舒,唐萌. 中华预防医学杂志. 2015 (09)
[8]纳米Ag粒子在我国主要类型土壤中的迁移转化过程与环境效应[J]. 周东美. 环境化学. 2015(04)
[9]改性纳米黑碳对棕壤有效态Cu、酶活性和微生物呼吸的影响[J]. 刘玉真,成杰民. 湖北农业科学. 2015(03)
[10]氮掺杂还原氧化石墨烯负载铂催化剂的制备及甲醇电氧化性能[J]. 王丽,马俊红. 物理化学学报. 2014(07)
博士论文
[1]改性纳米黑碳的土壤环境行为及其环境效应研究[D]. 刘玉真.山东师范大学 2015
硕士论文
[1]不同钝化材料对重金属钝化稳定性机理研究[D]. 于亚琴.山东师范大学 2017
[2]典型纳米金属氧化物对不同类型土壤中蚯蚓、小麦的毒性效应[D]. 曹圣来.南京大学 2015
本文编号：3014681
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