碳納米管對生態系統的毒性研究進展1

申惠娟，韓太坤，鄧鋰強，賴國霞，祁玲敏，寧土榮

(廣東石油化工學院 理學院，廣東 茂名 525000)

納米材料為至少一維方向上的尺度在1～100 nm范圍內的材料，由于其獨特的物理結構，已在機械力學、電學、光學以及生物醫學等領域被廣泛應用。由于碳納米管具有比表面積大、抗拉伸能力強、耐高溫及導電性能好等優點，被廣泛應用于環境檢測及生物醫藥等領域[1，2]。與眾多其他納米材料類似，其小尺寸與大的比表面積可以使其發揮出獨特的化學特性，如可以作為催化劑或用于治療功能的靶向藥物運載，但治療的同時，也會誘導周圍其他組織產生氧化應激，甚至損壞細胞功能[3]。早在2009 年，美國和歐盟已經分別加強了對碳納米管的應用與管理的控制[4]。因此，關于碳納米管可能帶來的潛在健康危害也在被廣泛研究。碳納米管的毒性與許多因素有關，如單壁碳納米管的毒性會隨其功能化和表面活性劑濃度以及碳納米管的理化性質(如結構、直徑、金屬含量)不同而異[5]；多壁碳納米管的生物毒性則與其長度、形狀和硬度等物性參數有關[6]；有研究表明，同樣條件下，不同層數碳納米管的生物毒性大小順序為：單壁碳納米管 > 雙壁碳納米管 > 多壁碳納米管[7]。隨著碳納米管在各個領域的應用，人們在研究和制備碳納米管的過程中，就會暴露在碳納米管氛圍中，通過皮膚或呼吸道等，增加碳納米管進入體內的機會[8]。而隨著碳納米管的相關下游產品的大量涌入市場，進入到生活及各種應用領域后，碳納米管將會擴展到整個生態系統包括動物、植物及水體等。因此，研究碳納米管的生物毒性及其與不同生物種類的相互作用機理，對于合理利用和有效監管碳納米管的應用具有重要的意義。到目前為止，針對碳納米管材料的毒性研究資料尚不夠充足，缺乏更多實驗數據與細節的支撐[9]，本文總結了近幾年關于碳納米管在該領域的最新研究進展，以期為進一步推動相關工作的進程提供重要參考。

1 碳納米管對人體及動物組織的毒性研究

碳納米管由于獨特的物理化學性質，可以攜帶多種分子透過細胞膜進入體內。多項研究已經表明，碳納米管可以迅速分布到肝、腦、心臟、腎、肺、脾、胃等多個器官組織，并引起器官組織損傷，造成生殖毒性、遺傳毒性、肝腎功能減退等各種病變[10-14]。

丁世平等[15]研究了聚乙二醇改性多壁碳納米管對人胚腎細胞和人肝癌細胞的體外細胞毒性。在作用24 h后，隨著碳納米管的質量濃度從0增加到200 μg/mL，人胚腎細胞的形貌發生了明顯改變，壞死細胞的數量明顯增加；當碳納米管的質量濃度高于12.5 μg/mL 時，細胞的存活率隨碳納米管濃度的增加而降低。同樣，碳納米管對人體肝細胞形貌及細胞存活率的影響與人胚腎細胞類似，而該碳納米管對兩種細胞的毒性對時間的依賴性體現得并不明顯。進一步通過流式細胞術(FCM)分析了細胞的存活性與碳納米管濃度的關系，證明碳納米管的毒性質量濃度范圍為100～200 μg/mL，并根據ISO2109932-5毒性標準，表明該碳納米管在該范圍內的毒性等級為II級，即具有輕微毒性。

趙琢等[13,14]研究了單壁碳納米管和多壁碳納米管對人體肝細胞HepG2的致毒性。結果顯示，隨著濃度的增加，單壁碳納米管對人體肝細胞HepG2的增殖抑制作用更強；同時，延長碳納米管的作用時間對該肝細胞的抑制效果更明顯。在研究單壁碳納米管對肝的代謝能力及相關代謝酶的影響時發現，經單壁碳納米管處理后，肝細胞HepG2中的幾種重要的肝代謝酶包括CYP1A1、GSTP1和COMT的表達能力明顯降低。分析認為，降低的原因有可能來自實驗中的SWCNT導致體內雌激素積累；而另一方面，這幾種代謝酶表達水平的降低，同時也削弱了肝細胞的毒性代謝能力，從而使碳納米管對肝細胞的損傷程度加重。同樣的效果也表現在多壁碳納米管對人體肝細胞HepG2的毒性研究中。隨著多壁碳納米管濃度與作用時間的增加，人體肝細胞HepG2的存活率明顯下降。而且，多壁碳納米管對肝代謝酶CYP1A1和GSTP1的影響顯示，隨著多壁碳納米管濃度增加，肝代謝酶CYP1A1的蛋白含量與表達水平逐漸降低；然而，與單壁碳納米管不同的是，多壁碳納米管濃度增加后，另一種肝代謝酶GSTP1的表達水平和蛋白含量得到了明顯提高。由于肝代謝酶GSTP1是致癌細胞代謝酶中重要的成員之一，負責毒性物質的代謝及解毒，因此，該結果表明，多壁碳納米管存在于人體肝細胞HepG2中時，可以誘導肝代謝酶GSTP1的表達，增強肝細胞的排毒功能，從而降低多壁碳納米管對肝臟的毒性作用。

謝雪平等[16]研究了靜脈注射羧基化單壁碳納米管對大鼠腎臟的毒性作用。分別靜脈注射羧基化單壁碳納米管葡萄糖溶液30～90 d，以30 d為間隔進行測試。結果顯示，30 d后，大鼠的腎小球、細胞核和線粒體發生明顯變化；與未注射的對比，注射后的大鼠出現腎臟血管壁增厚，管腔擴張及纖維組織增生等現象；連續染毒90 d后注射組的大鼠腎臟驗證和纖維化程度最嚴重，但停止染毒30 d后，癥狀可以緩解。由此可見，長期靜脈注射羧基化單壁碳納米管會損傷大鼠的腎臟，引發腎臟發生炎癥反應和腎纖維化。

2 碳納米管對水體動物的毒性病理研究

大多數對碳納米管的毒性研究對象主要集中于淡水生物，而對海洋生物的毒性研究較少。楊占寧等[17]以太平洋牡蠣為實驗對象，研究了單壁碳納米管對海洋生物的毒性。首先對照鰓和消化腺的氧化損傷程度顯示，在暴露于單壁碳納米管中96 h后，鰓和消化腺的抗氧化酶活性均顯著升高，且隨著碳納米管濃度的升高而增大。繼而研究兩種組織中MDA含量的變化情況發現，在暴露96 h后，兩種組織中的MDA含量均出現明顯增加，且消化腺中的MDA含量隨碳納米管濃度的增加而增大，另一方面，鰓則即使在低質量濃度下(0.1 mg/L)，其MDA含量仍明顯高于對照組，表明鰓相對于消化腺更容易受到損傷。

目前，碳納米管對水生物的毒性研究大多來自歐美等國家，因此研究對象主要以水蚤和斑馬魚等為主，而我國在這方面的研究則以普遍存在的鯽魚或鯉魚為研究對象。如闞海峰等[18]研究了單壁碳納米管和羥基化多壁碳納米管對錦鯽抗氧化防御系統的影響。分別將錦鯽暴露在不同濃度的單壁碳納米管和羥基化多壁碳納米管環境中14 d后，發現兩種不同濃度的碳納米管均對錦鯽魚鰓造成了損傷。其中，暴露在低質量濃度下(10 μg /L)的魚鰓會出現鰓絲膨脹腫大；高質量濃度下(1000 μg /L)的魚鰓則出現鰓動脈瘤和鰓細胞水腫等使魚鰓完全喪失功能。在對錦鯽的肝臟染毒14 d后，高濃度下的單壁碳納米管和羥基化多壁碳納米管僅引起肝細胞炎癥等輕微損傷，低濃度下則未對肝細胞造成損傷。主要原因可能是魚鰓在呼吸過程中過濾大量的水，導致該部位更容易受到碳納米管的毒性侵染。通過研究兩種納米管對錦鯽抗氧化防御系統的影響發現，在暴露初期(7 d)，抗氧化酶SOD活性均增強，高濃度的單壁碳納米管對CAT產生抑制作用，而羥基化多壁碳納米管對CAT產生顯著誘導作用；14 d后，高濃度單壁碳納米管對SOD 產生抑制作用，而羥基化多壁碳納米管則使SOD酶活性提高，且單壁碳納米管對CAT產生了誘導作用；經過28 d后，各濃度下的兩種碳納米管對SOD酶和CAT酶產生了顯著抑制，導致肝臟受損。可見，碳納米管的暴露會使魚體產生氧化應激，增加了錦鯽體內活性氧的積累，大量的活性氧會消耗體內的抗氧化酶，從而損傷錦鯽組織。

以兩棲動物為測試對象研究碳納米管的毒性目前也相對較少，趙建彬等[19]以兩棲動物熱帶爪蛙為實驗對象，研究不同濃度多壁碳納米管在爪蛙不同生長階段的毒性效應。首先通過多壁碳納米管對爪蛙胚胎進行急性毒性實驗。研究表明，經過96 h后，與對照組相比，不同質量濃度(25， 50 mg/L)的碳納米管均對爪蛙胚胎的存活率造成了顯著的影響。在較高質量濃度(50 mg/L)下，不同時期的胚胎死亡率最高位為8.96%，表明多壁碳納米管對早期的爪蛙胚胎急性毒性較低。高濃度下的多壁碳納米管對胚胎孵化率、畸形率的影響較低濃度的明顯，而兩種濃度下對胚胎的心率和體長的影響與對照組相差不大。在爪蛙的蝌蚪階段，隨著多壁碳納米管暴露時間的增加，蝌蚪的死亡率先增高后下降。進一步研究多壁碳納米管在蝌蚪體內的富集部位發現，經過72 h暴露后，碳納米管主要集中在蝌蚪的腸、胃和鰓部位，而且濃度較高下的碳納米管更容易集中于鰓。后期將其置于清水中恢復4 d，低質量濃度下(0.5 mg/L)的蝌蚪只有43.3%恢復健康，而高濃度下的蝌蚪全部死亡，可見多壁碳納米管在體內的富集會導致不可逆的損傷。在爪蛙成年階段，研究顯示多壁碳納米管對爪蛙的體重增長具有一定的抑制作用，并且減少體內精原細胞和卵原細胞的數量。通過對遺傳毒性的研究表明，暴露于碳納米管顆粒環境中的爪蛙受精率明顯降低，且已受精后的胚胎存活率也會下降，可見碳納米管對爪蛙存在一定的生殖毒性。

3 碳納米管對植物的毒性研究

碳納米管的納米尺寸使其極易被植物吸收，碳納米管通過植物的根系吸附在植物表面，并逐漸與植物的細胞膜結合；或者直接穿透植物的細胞膜進入細胞內部。目前關于碳納米管對植物的影響研究中，既有促進作用，也有毒性作用，取決于碳納米管與植物細胞的作用機制。如賽鬧等[20]研究了多壁碳納米管對水稻幼苗的生理學效應，研究顯示，不同外管徑的多壁碳納米管處理后的水稻經過10 d后，管徑小于8 nm的多壁碳納米管處理后的水稻，與對照組相比，根系可溶性蛋白和可溶性根系含糖量有所降低；而管徑大于20 nm的多壁碳納米管，兩者均表現出明顯升高，尤其是管徑大于50 nm的碳納米管處理后的水稻，長勢明顯優于前兩者，且根系的抗氧化酶活性明顯提高，而外徑小于8 nm 的碳納米管處理后的水稻根莖，在10 d后的相比于其他兩組的氧產生率最高。隨著碳納米管外徑的增加，處理后的水稻幼苗葉綠素含量也逐漸增加。進一步研究多壁碳納米管在對緩解1,2,4-三氯苯(TCB)對水稻幼苗的生理學脅迫過程中的作用發現，多壁碳納米管與TCB的協同作用可以緩解水稻幼苗的失綠與萎蔫，而對其他因素無法起到顯著的改善作用。由此可見，碳納米管作用于水稻幼苗，可以促進水稻的生長，并增加水稻幼苗的成活率。

我國土壤重金屬污染形勢嚴峻，其中鎘點位超標率達到7%[21]，導致大面積水稻種植土壤出現“缺磷”現象，并影響稻米的質量安全。楊思楠等[22]利用碳納米管較強的吸附能力，分析了單一多壁碳納米管及其與鎘離子復合處理后的水稻生長狀況。結果顯示，培養20 d后，與對照組相比，單一碳納米管處理過的水稻幼苗根系活力隨碳納米管濃度的升高呈現出明顯的下降趨勢，最大下降率為69.6%。同樣，與鎘離子復合的碳納米管濃度越高，水稻幼苗活力下降程度越大，且比單一處理組下降率最大高出24.4%，可見復合處理組對水稻幼苗的損傷度更高。而且，與鎘離子復合的碳納米管對水稻幼苗葉綠素的降低程度也明顯高于單一碳納米管的作用。同時，與對照組相比，單一處理組和復合處理組對水稻幼苗的過氧化酶活性及光合作用能力的影響均具有不同程度增加，其中復合處理組使過氧化酶活性提高幅度最大，對光合作用能力的影響也最為明顯，表明與鎘離子復合的碳納米管對幼苗生長產生的負面影響最高。

與本征多壁碳納米管相比，羧基化多壁碳納米管具有更好的分散性和親水性。但其對重金屬離子的吸附性更強，會促進重金屬離子滲入到植物細胞，從而影響植物生長。劉玲等[23]對羧基化多壁碳納米管及其與鎘離子復合后對水稻幼苗葉片的毒性進行了分析。結果顯示，相同質量濃度下，羧基化多壁碳納米管與鎘離子復合物對水稻幼苗處理后，其葉片的葉綠素含量和抗氧化酶均低于單一處理組，而MDA 和陽離子產生率均高于單一對照組。表明羧基化多壁碳納米管與鎘離子復合會加劇對水稻幼苗的損傷，應盡量避免。

4 結語與展望

已有的研究表明，碳納米管被廣泛應用到生產和生活中的同時，會給動植物甚至人體帶來不同程度的毒性隱患，應加強對這方面的研究。從目前的研究進展可看出該領域還存在諸多空缺需進一步加強。首先，碳納米管的毒性與納米管本身的諸多因素有關，包括物性參數及合成過程等，而大多數研究對相關細節的描述不夠全面和具體，對碳納米管的毒性機理研究方面的工作還很欠缺，這與作用過程復雜且表征困難有關，需要進一步完善各方面的表征測試，有助于更好地分析其作用機理；其次，研究對象只局限于有代表性的動物或植物實驗體，應該開展更廣泛的研究，豐富研究種類和實驗數據，使碳納米管的毒性效應得到更多人的重視；最后，研究內容的系統性欠缺。如單壁碳納米管存在于人體肝細胞時，會抑制代謝酶GSTP1的表達，使排毒功能減弱；而多壁碳納米管則相反，可以起到增強肝細胞的排毒功能的效果。因此，單一地研究碳納米管的正面作用或者負面作用，而沒有將兩者有機結合起來，使碳納米管在很好地發揮正面作用的同時，也能有效緩解或適當控制其產生的負面影響，從而促進碳納米管更好地應用到生產和生活中。總之，關于碳納米管的毒性研究還需要更多技術和數據支撐，才能使該研究更加系統化和科學化。