光催化納米材料的毒理學研究進展

李莉

摘 要：光催化納米材料以其優異的光催化活性廣泛應用于處理廢水，廢氣，涂料，化妝品，食品添加劑等領域，超細顆粒不可避免地進入周圍環境和生命體，引發了一系列關于納米毒理的研究。本文綜述了幾種常見的光催化納米材料對生命體（活體和體外）和環境的毒理學研究，并對該領域的研究方向進行了探討和展望。

關鍵詞：光催化； 毒理； 納米材料

納米材料在醫療診斷，材料改性，環境污染物降解以及生物技術等諸多領域廣泛應用，隨著對納米材料深入研究，超細顆粒對環境造成的潛在危害逐漸受到重視。納米材料有小尺寸效應，大比表面積，高表面界面效應，量子尺寸效應和量子隧道效應等，在處理環境污染的時候表現出優良的特性，然而光催化納米材料是否會給環境帶來二次污染以及和環境中其他毒性物質是否有共同作用；如何評估光催化納米材料的毒性，并對材料應用時對其毒性進行預測，是當前的研究方向。

1 光催化納米材料的毒理學研究

1.1 光催化納米材料對環境的毒理學研究

光催化納米材料能夠通過多種途徑進入環境造成環境污染[1]。添加光催化納米材料的化妝品經日常生活排入水體、用于處理廢水的光催化納米材料的殘留水體，有可能破壞水生生態系統原有的物質組成和結構。Wichmann等對德國城市Erfurt大氣中的顆粒物進行了長達10年（1991-2000）的監測，研究了其粒徑分布，發現城市大氣中微米級顆粒物濃度逐年下降，而超細顆粒物濃度逐年上升[2] 。大氣中的光催化納米材料，主要來源于工業排放的廢氣和交通污染.光催化納米材料由于其光催化活性和大比表面積，可以和大氣中的有機污染物作用，極易吸附大氣中的有毒污染物（如多環芳烴等），被超細顆粒吸附的有毒污染物可進一步對生物體產生毒性效應。光催化納米材料可通過多種途徑進入土壤中，如土壤和水體的修復，納米肥料的使用等。但是檢測土壤中納米材料的環境存在難點：納米材料在土壤中的存在形態在很大程度上依賴于土壤的理化性質。

1.2 光催化納米材料對生物體的毒理學研究

目前研究光催化納米材料對生物體的毒理學研究主要集中在對各種細胞，細菌，病毒等可以在體外培養的微生物。也有對植物和低等動物的測試，數據仍然比較缺乏。

Lanone等人通過比較24種人工納米材料應用于細胞A549和THP-1的毒性，應用MTT分析方法對THP-1細胞暴露24h來測試納米材料細胞毒性，實驗表明Cu和Zn為金屬基體的納米材料是最毒的，Ti，Al，Ce，Zr等為金屬基體的納米材料毒性適中，碳化鎢則顯示無毒性[3]。Karin等人做了大型蚤48小時急性毒性實驗，和21天的大型蚤慢性暴露繁殖研究。實驗數據顯示納米的和非納米的TiO2，48小時急性毒性的EC50>100mg/L，而納米和非納米的ZnO，48小時急性毒性的EC50都接近1mg/L。實驗表明急性毒性測試中毒性不依賴于粒子的尺寸，粒子包覆，粒子團聚，媒介類型和前處理分散方式[4]。Lovern 等人發現經THF過濾處理的納米Ti02（10～20nm）可導致大型蚤死亡，并呈劑量效應關系，超聲處理的納米Ti02（10～20nm）對大型蚤的影響明顯比經THF過濾處理的小，未對大型涵產生明顯毒性作用[5]。Johnston等人報道了魚類在攝取了未改性的納米材料氧化物后的一系列綜合生物和物理化學反應的研究。通過作用于魚類其濃度影響關系，從水體到飲食來直接測量ZnO、CeO2、TiO2的潛在環境毒性 [6]。

2 結語和展望

以光催化納米材料和生物體與環境諸多方面的結合，來完善光催化納米材料的毒理學數據，我們可以開展以下相關研究：

（1）從光催化納米材料的暴露方式來看，大多數研究都集中在大劑量，急性毒性暴露，這些數據可以應用于突發事故的安全評估和一些毒性初篩，對納米材料含量低的納米產品不適用，以后的研究應該多集中于小劑量慢性暴露方面。

（2）從光催化納米材料組成來看，應該把已經研究的多種單一材料的毒性和一些聯合毒性納入構效模型，對實際應用的復合材料進行深入的研究，并且對復合材料的內部結構和毒性表現進行分析。

（3）從光催化納米材料的作用對象來看，數據主要在體外實驗（主要是細胞），而在體內試驗（個體）和生物分子實驗（分子）的研究較少，應該強調活體研究，把這三種層次的實驗方法有機的結合起來，能從多方面多層次的分析毒理效應，也能得到一些更有力的毒理機理分析。

（4）從光催化納米材料的應用看，很多新型的納米材料重在強調它的光催化降解過程，在空氣凈化，水凈化，土壤凈化，光催化納米材料都以不同的作用形勢和介質中的污染物催化反應，在具體應用中，要考慮到環境和生命體的復雜性，對實際環境進行高效的模擬，并考慮和環境以及生命體中的物質發生的聯合反應。

（5）從光催化納米材料的發展趨勢看，目前研究較熱的都是在開發新型光催化體系，例如BiOX體系，異質結體系，目前對于這些新型材料的毒理學研究還沒有報道，但是由于其有良好的應用前景，如果能夠做到先研究毒理，在確保安全的情況下投入使用，也可以為發展這些體系做一個指引。

（6）從光催化納米材料的標準化來看，目前針對納米材料毒理學的研究，不同的研究組研究得出的結論會有所差別，甚至相互矛盾，所以在對這些納米材料進行評估時，應該建立一個納米標準化實驗室，對已有的毒理學數據進行整理并驗證，把現有的納米毒理做到系統化真實化。

綜上所述，光催化納米材料作為大力發展的一類納米材料，在盡其能時要盡可能的控制其毒性，還需要進行的大量的毒理學研究，這是一個持續，發展的探索過程。

參考文獻

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[3] Lanone S， Rogerieux F， Geys J，et，al.Comparative toxicity of 24 manufactured nanoparticles in human alveolar epithelial and macrophage cell lines[J].Particle and Fibre Toxicology，2009，6（14）：1-12.

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[5] Lovern S B， Klaper R.Daphnia magna mortality when exposed to titanium dioxide and fullerene （C60）nanoparticles[J].Environmental Toxicology& Chemistry，2006，25（4）：1132—1137.

[6] Johnston BD， Scown TM， Moger J，et，al.Bioavailability of Nanoscale Metal Oxides TiO2， CeO2， and ZnO to Fish[J].Environ SciTechnol，2010，44（3）：1144-1151.