典型纳米材料的食物链传递行为及生态毒理效应

In view of the problems and challenges in ecotoxicological research of nanomaterials, the effects of some typical nanomaterials to multilevel food chains are intended to be evaluated in this project with emphasis on the trophic transfer, biotransformation and toxicological effects. By controlling single variable, nanomaterials with different physical and chemical properties will be synthesized. The trophic transfer behavior of nanomaterials is proposed to be investigated using two lab-constructed aquatic (fairy shrimp --- Japanese medaka) and terrestrial (carrot --- mealworm --- frog) food chains. The organs of Japanese medaka and frog are planned to be analyzed, which may help elucidate the biodistribution and biotransformation mechanism of nanoparticles in high trophic level animals. Also, the project will seek for the relevance between the physical/chemical properties of nanomaterials and toxic response of high trophic level animals, and reveal the underlying molecular mechanism. The findings of this project is expected to provide important scientific data for risk assessment on environmental occurrence of nanomaterials and to be essential for proper development of government regulations for the use of nanomaterials.

基于目前纳米材料的生态毒理学研究存在诸多问题和挑战，本项目拟模拟慢性暴露下纳米材料对多级食物链中生物的长期影响，研究纳米材料随食物链的迁移转化规律以及对生物的毒性效应。通过控制单因素变量，合成不同理化性质的纳米材料，采用丰年虫-日本青鳉作为水生食物链模型，胡萝卜-黄粉虫-黑斑蛙作为陆生食物链模型，模拟自然环境中纳米材料沿食物链的传递行为，探讨影响这一过程中的关键理化特性。通过对高营养级生物（日本青鳉和黑斑蛙）各脏器中纳米材料的分析，明确污染物的分布规律和特征，阐释纳米材料在随食物链传递过程中可能发生的物理化学变化机制。分析不同纳米材料理化性质与高营养级生物毒性之间的相关性，揭示其对高营养级生物的致毒效应与分子机制。揭示纳米污染物暴露可能引起的生态风险，并为环境友好纳米材料的设计合成、安全生产、规范使用和科学处置与管理提供重要参考。

纳米材料的生命周期包括生产、使用和废弃三个阶段，仅仅重视纳米材料使用阶段的生物安全性是远远不够的。由于其难降解难回收，废弃纳米材料将不可避免地污染环境，对生态系统与人体健康造成威胁。对比临床药学，纳米技术完整的开发、应用体系应该兼顾其优异的性能和良好的环境安全性，而目前纳米材料研究领域显然缺乏这方面的思考和具体的评价。此项研究针对这些问题，设计了陆生和水生食物链探索纳米材料潜在的食物链传递毒理和对生态功能的影响。..一、不同内核的纳米材料（纳米金和纳米银）在胡萝卜-黄粉虫-黑斑蛙构成的食物链中的生物传递和毒性效应： . 我们提出了纳米材料在食物链中传递的“类勒夏特列原理”。食物链中两种动物进入迟钝状态（Torpor status）从而降低代谢速率，规避纳米毒性，提高生存率。期间，纳米金由于其生物稳定性尺寸和化学成分基本保持不变；而纳米银与食物链中生物发生逐级作用，逐渐硫化并减小尺寸，以降低颗粒毒性并且提高可代谢性。我们首次发现的这种食物链自我保护和解毒现象从生态级联反应的角度评价了贵金属纳米材料的生态毒性，明确了纳米材料在不同食物链中的传递规律，揭示其对高营养级生物的致毒效应与分子机制，从而为纳米材料的安全使用和管理提供了科学依据。. .二、单因素变量分析法研究纳米材料不同的物化性质对其在丰年虫-日本青鳉组成的水生食物链中传递和毒性的影响规律：. 虽然我们发现四种纳米材料在所研究的水生食物链中均未存在生物放大效应，但食物链传递后毒性的归类与传递前迥异，食物链会通过改变纳米材料物理化学性质，改变其对高营养级生物的毒性和生物可利用性。此外我们证明，虽然金属纳米材料硫化会导致毒性降低，而表面修饰分子CTAB的累积会引起毒性升高，造成木马毒性现象。因此纳米材料通过食物链传递之后毒性的变化需要具体事例具体分析。