纳米材料在水生动物中的生物动力学过程

One fundamental aspect regarding the ecological risk assessment of nanomaterials is their biokinetics in aquatic organisms. However, there are very few studies addressing such critical issue due to the lack of appropriate techniques. In this study, we will first investigate the physical-chemical behavior of nanomaterials (e.g., Silver nanoparticles and Titanium Dioxide Nanoparticles) in aqueous solution under different conditions. We will then synthesize or radiolabel the nanomaterials using sophisticated radiotracer methodology and quantify the biokinetics, trophic transfer, and chronic toxicity of nanomaterials in model organisms (i.e., daphnia, copepod, zebrafish and marine medaka). We will also quantify the influences of nanomaterials on the biokinetics and bioavailability of Cd and Zn in these model organisms. This study will provide the important information on the fate, transport and behavior of nanomaterials in aquatic environment and biological metrics, as well as the biokinetics of nanomaterials in aquatic organisms. Additionally, this study can help to reveal the potential hazards of nanomaterials in aquatic environments, especially at environmental relevant concentrations and as carriers of other toxic metals. Overall, the data generate from this study will be used to establish the biokinetic model and can provide theoretical and experimental foundation for the establishment of water quality standard.

研究纳米材料生态毒理的一个关键科学问题即是这些纳米材料的生物动力学过程，但这方面的研究仍然非常稀少。本研究将首先查明纳米材料（纳米银和纳米二氧化钛）在淡水和海水水环境中的地球物理化学特性规律，在此基础上以水生生物（水蚤和鱼）为实验对象，利用先进的放射性示踪剂合成标记纳米材料，一方面系统地研究纳米材料的水生生物动力学过程和低浓度下产生的慢性毒性效应以及在食物链上的传递过程，另一方面系统地研究纳米材料对水体中已有镉和锌生物动力学和生物有效性的影响。这两方面问题的解决不但可以查明纳米材料本身在环境介质和生物群体中的迁移、转化和归宿，生物吸收、同化和排出的速率，以及生物产生的响应，而且可以查明在较安全浓度下纳米材料作为载体结合和运输其它有毒金属的潜在危害。实验所得结果将用于建立纳米材料的生物动力学模型，为纳米材料的水质基准的建立提供理论和实验依据，具有重要的生态环境意义和地球化学意义。

随着纳米材料的广泛应用，越来越多的纳米颗粒进入水环境，对生态环境造成潜在的威胁。纳米颗粒的生物动力学过程是研究其生态毒理的一个重要科学问题。本项目利用聚集诱导发光（AIE）技术、同位素示踪法及生物动力学模型等方法系统研究纳米材料在水体中的溶解等行为，深入探究大型蚤、青鳉鱼幼体、牡蛎等多种水生生物对纳米材料的累积过程以及纳米材料在生物体内的转化过程，阐明纳米材料对水体中镉和锌生物有效性的影响，取得了一些有价值的研究成果，加深对纳米材料致毒机制的理解，为评估纳米颗粒环境风险提供科学的数据支撑。.1. 采用AIE探针快速实时监测纳米氧化锌在水体中的溶解动力学过程，发现粒径、表面修饰及形状均能影响ZnO的溶解。粒径越小，氧化锌的溶解就越快。.2. 通过建立生物动力学模型，计算得到生物富集因子（BCF）等动力学产参数。发现大型蚤对多种纳米二氧化钛（TiO2）具有生物蓄积性，且TiO2的表面性质在老化过程中发生改变，进而导致生物蓄积性改变；但环境介质及生物体内的TiO2都能在抵御UV-B的攻击方面起到一定的保护作用。发现纳米银可发生母源性传递，较AgNO3对大型蚤的繁殖有更深远的影响；牡蛎对大粒径纳米银的吸收以摄取为主，对小粒径纳米银的吸收则包括吸收及摄取共同作用，消化腺对牡蛎对纳米银的重要解毒器官。通过AIE探针实现对纳米银在体内溶解过程的动态监测，发现纳米银粒径越小，在大型蚤体内溶解越快，银离子可穿过鳃且溶解过程与肠道内微环境的pH直接相关；通过AIE分子包覆的纳米银材料与特异性识别银离子的AIE探针的联合使用，发现纳米银主要分布在青鳉鱼幼体的肠道及肝脏，而银离子主要分布在肠道内，纳米银的毒性主要归因于其溶解释放的银离子。.3. 发现喂食阶段食物的质量及净化阶段的食物量是影响大型蚤对金属同化效率的两大关键因素，实际水环境中存在的TiO2可能会降低水中其他金属的同化效率，进而影响其生物有效性。