光催化纳米材料的毒理学研究进展

李莉

摘 要：光催化納米材料以其优异的光催化活性广泛应用于处理废水，废气，涂料，化妆品，食品添加剂等领域，超细颗粒不可避免地进入周围环境和生命体，引发了一系列关于纳米毒理的研究。本文综述了几种常见的光催化纳米材料对生命体（活体和体外）和环境的毒理学研究，并对该领域的研究方向进行了探讨和展望。

关键词：光催化； 毒理； 纳米材料

纳米材料在医疗诊断，材料改性，环境污染物降解以及生物技术等诸多领域广泛应用，随着对纳米材料深入研究，超细颗粒对环境造成的潜在危害逐渐受到重视。纳米材料有小尺寸效应，大比表面积，高表面界面效应，量子尺寸效应和量子隧道效应等，在处理环境污染的时候表现出优良的特性，然而光催化纳米材料是否会给环境带来二次污染以及和环境中其他毒性物质是否有共同作用；如何评估光催化纳米材料的毒性，并对材料应用时对其毒性进行预测，是当前的研究方向。

1 光催化纳米材料的毒理学研究

1.1 光催化纳米材料对环境的毒理学研究

光催化纳米材料能够通过多种途径进入环境造成环境污染[1]。添加光催化纳米材料的化妆品经日常生活排入水体、用于处理废水的光催化纳米材料的残留水体，有可能破坏水生生态系统原有的物质组成和结构。Wichmann等对德国城市Erfurt大气中的颗粒物进行了长达10年（1991-2000）的监测，研究了其粒径分布，发现城市大气中微米级颗粒物浓度逐年下降，而超细颗粒物浓度逐年上升[2] 。大气中的光催化纳米材料，主要来源于工业排放的废气和交通污染.光催化纳米材料由于其光催化活性和大比表面积，可以和大气中的有机污染物作用，极易吸附大气中的有毒污染物（如多环芳烃等），被超细颗粒吸附的有毒污染物可进一步对生物体产生毒性效应。光催化纳米材料可通过多种途径进入土壤中，如土壤和水体的修复，纳米肥料的使用等。但是检测土壤中纳米材料的环境存在难点：纳米材料在土壤中的存在形态在很大程度上依赖于土壤的理化性质。

1.2 光催化纳米材料对生物体的毒理学研究

目前研究光催化纳米材料对生物体的毒理学研究主要集中在对各种细胞，细菌，病毒等可以在体外培养的微生物。也有对植物和低等动物的测试，数据仍然比较缺乏。

Lanone等人通过比较24种人工纳米材料应用于细胞A549和THP-1的毒性，应用MTT分析方法对THP-1细胞暴露24h来测试纳米材料细胞毒性，实验表明Cu和Zn为金属基体的纳米材料是最毒的，Ti，Al，Ce，Zr等为金属基体的纳米材料毒性适中，碳化钨则显示无毒性[3]。Karin等人做了大型蚤48小时急性毒性实验，和21天的大型蚤慢性暴露繁殖研究。实验数据显示纳米的和非纳米的TiO2，48小时急性毒性的EC50>100mg/L，而纳米和非纳米的ZnO，48小时急性毒性的EC50都接近1mg/L。实验表明急性毒性测试中毒性不依赖于粒子的尺寸，粒子包覆，粒子团聚，媒介类型和前处理分散方式[4]。Lovern 等人发现经THF过滤处理的纳米Ti02（10～20nm）可导致大型蚤死亡，并呈剂量效应关系，超声处理的纳米Ti02（10～20nm）对大型蚤的影响明显比经THF过滤处理的小，未对大型涵产生明显毒性作用[5]。Johnston等人报道了鱼类在摄取了未改性的纳米材料氧化物后的一系列综合生物和物理化学反应的研究。通过作用于鱼类其浓度影响关系，从水体到饮食来直接测量ZnO、CeO2、TiO2的潜在环境毒性 [6]。

2 结语和展望

以光催化纳米材料和生物体与环境诸多方面的结合，来完善光催化纳米材料的毒理学数据，我们可以开展以下相关研究：

（1）从光催化纳米材料的暴露方式来看，大多数研究都集中在大剂量，急性毒性暴露，这些数据可以应用于突发事故的安全评估和一些毒性初筛，对纳米材料含量低的纳米产品不适用，以后的研究应该多集中于小剂量慢性暴露方面。

（2）从光催化纳米材料组成来看，应该把已经研究的多种单一材料的毒性和一些联合毒性纳入构效模型，对实际应用的复合材料进行深入的研究，并且对复合材料的内部结构和毒性表现进行分析。

（3）从光催化纳米材料的作用对象来看，数据主要在体外实验（主要是细胞），而在体内试验（个体）和生物分子实验（分子）的研究较少，应该强调活体研究，把这三种层次的实验方法有机的结合起来，能从多方面多层次的分析毒理效应，也能得到一些更有力的毒理机理分析。

（4）从光催化纳米材料的应用看，很多新型的纳米材料重在强调它的光催化降解过程，在空气净化，水净化，土壤净化，光催化纳米材料都以不同的作用形势和介质中的污染物催化反应，在具体应用中，要考虑到环境和生命体的复杂性，对实际环境进行高效的模拟，并考虑和环境以及生命体中的物质发生的联合反应。

（5）从光催化纳米材料的发展趋势看，目前研究较热的都是在开发新型光催化体系，例如BiOX体系，异质结体系，目前对于这些新型材料的毒理学研究还没有报道，但是由于其有良好的应用前景，如果能够做到先研究毒理，在确保安全的情况下投入使用，也可以为发展这些体系做一个指引。

（6）从光催化纳米材料的标准化来看，目前针对纳米材料毒理学的研究，不同的研究组研究得出的结论会有所差别，甚至相互矛盾，所以在对这些纳米材料进行评估时，应该建立一个纳米标准化实验室，对已有的毒理学数据进行整理并验证，把现有的纳米毒理做到系统化真实化。

综上所述，光催化纳米材料作为大力发展的一类纳米材料，在尽其能时要尽可能的控制其毒性，还需要进行的大量的毒理学研究，这是一个持续，发展的探索过程。

参考文献

[1] Tang H，Wang D，Ge X.Environmental nano-pollutants（ENP）and aquatic micro-interracial processes[J].Water Sci Technol，2004，50（12）：103—109.

[2] Wichmann H E， Cyrys J， Stolzel M ，et，al.2002.Sources and elemental composition of am bient particles [ A ]/Wichmann H E. Schlipktter H W . Ffilgraff G. Fortschritte in der Umweltmedizin [ C ].erfurt，Germany：Ecomed.

[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.

[4] Lin Dh， Xing Bs. Root Uptake and Phytotoxicity of ZnO Nanoparticles[J]. Environ. Sci. Technol.， 2008， 42 （15）：5580–5585.

[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.