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碳納米材料對蚯蚓的生態毒理學效應 版權信息
- ISBN：9787030697349
- 條形碼：9787030697349 ; 978-7-03-069734-9
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
碳納米材料對蚯蚓的生態毒理學效應 內容簡介
本書主要介紹碳納米材料的毒理學效應研究進展，碳納米材料對蚓毒理效應研究方法，碳納米材料的表面改性、表征及其對重金屬的吸附性能；不同形貌碳納米材料對蚯蚓的生態毒理效應；碳納米材料表面改性對蚯蚓的生態毒理效應；碳納米材料用于Cd污染土壤修復對蚯蚓的毒理效應，很后探討了碳納米材料對蚯蚓的生態毒理效應機理，并指出今后的相關研究方向。本書可作為環境學、土壤學、生物學等學科研究生學習用書，可供環境、土壤、農業、林業、生物、地學等學科科技工作者、技術管理人員以及大專院校相關專業師生參考。
碳納米材料對蚯蚓的生態毒理學效應 目錄
目錄
前言
英文縮略語詞表
第1章 緒論 1
1.1 納米材料及其對土壤生物的毒理效應 1
1.1.1 納米材料定義 1
1.1.2 土壤中納米材料的毒理效應 1
1.2 影響納米材料生物毒性的主要因素 4
1.2.1 納米材料性質的影響 4
1.2.2 共存污染物的影響 6
1.2.3 遷移轉化的影響 6
1.3 碳納米材料及其毒理效應 7
1.3.1 碳納米材料種類 7
1.3.2 碳納米材料對蚯蚓的毒理效應 9
1.3.3 碳納米材料與重金屬的聯合毒性 10
1.4 改性納米炭黑及其毒理效應 11
1.4.1 納米炭黑 11
1.4.2 納米炭黑的改性方法 11
1.4.3 改性納米炭黑對重金屬的吸附性能 14
1.4.4 改性納米炭黑的土壤環境行為 15
1.4.5 改性納米炭黑的生物毒理效應 17
1.5 改性納米炭黑在修復Cd污染土壤中的應用 17
1.5.1 我國土壤Cd污染現狀 17
1.5.2 土壤中Cd的生物毒性 18
1.5.3 改性納米炭黑修復Cd污染土壤機制 18
參考文獻 19
第2章 碳納米材料對蚯蚓毒理效應研究方法 30
2.1 供試材料 30
2.1.1 供試納米材料 30
2.1.2 供試蚯蚓 30
2.1.3 供試土壤 30
2.1.4 試劑和設備 30
2.2 研究方法 32
2.2.1 納米炭黑的改性方法 32
2.2.2 納米炭黑對重金屬的吸附特性 34
2.2.3 濾紙接觸蚯蚓毒性試驗 35
2.2.4 土壤中蚯蚓毒性試驗 37
2.2.5 改性納米炭黑對模擬大單層囊泡的影響實驗 39
2.3 分析方法 41
2.3.1 土壤基本性質 41
2.3.2 重金屬含量 41
2.3.3 納米材料的表征 42
2.3.4 蚯蚓毒理效應指標 44
2.4 數據處理 48
2.4.1 數據的統計分析 48
2.4.2 納米材料對重金屬的吸附特性 48
2.4.3 綜合生物標志物響應法(IBR)49
2.4.4 MIXTOX模型計算 50
參考文獻 53
第3章 改性納米炭黑的制備及其對重金屬的吸附性能 56
3.1 改性納米炭黑的制備 56
3.1.1 氧化改性劑的篩選 56
3.1.2 氧化改性工藝參數研究 58
3.1.3 改性納米炭黑制備工藝的優化 60
3.2 改性納米炭黑對重金屬的吸附特性 62
3.2.1 吸附等溫線 62
3.2.2 吸附動力學 64
3.2.3 吸附熱力學 65
3.2.4 改性納米炭黑表面重金屬的解吸 67
3.2.5 不同氧化改性方法的比較 70
3.3 改性納米炭黑對土壤中重金屬的鈍化 73
3.3.1 MCB對土壤pH的影響 73
3.3.2 土壤重金屬有效態含量變化 74
3.3.3 土壤中重金屬形態分布變化 75
3.4 小結 77
參考文獻 77
第4章 碳納米材料的表征 80
4.1 不同碳納米材料的形貌 80
4.2 不同碳納米材料的表面性質 83
4.2.1 比表面積 83
4.2.2 Zeta電位 83
4.2.3 官能團和含氧量 84
4.3 不同碳納米材料結晶度和缺陷 84
4.4 不同碳納米材料含重金屬雜質 86
4.5 表面改性對納米炭黑結構性質的影響 87
4.6 小結 90
參考文獻 91
第5章 不同形貌碳納米材料對蚯蚓的生態毒理效應 94
5.1 不同碳納米材料對蚯蚓生長的影響 95
5.1.1 死亡率 95
5.1.2 體重 96
5.2 不同碳納米材料對蚯蚓生理生化的影響 97
5.3 不同碳納米材料對蚯蚓體腔細胞的毒性 99
5.4 不同碳納米材料對蚯蚓腸道細菌群落多樣性和結構的影響 100
5.4.1 測序結果可靠性分析 100
5.4.2 對蚯蚓腸道微生物多樣性的影響 101
5.4.3 對蚯蚓腸道細菌群落組成的影響 106
5.5 不同碳納米材料對蚯蚓代謝物的影響 109
5.5.1 不同碳納米材料對蚯蚓全部代謝物的影響 109
5.5.2 不同碳納米材料對蚯蚓典型代謝物的影響 112
5.6 小結 118
參考文獻 119
第6章 表面改性納米炭黑對蚯蚓的毒理效應 123
6.1 表面改性納米炭黑對蚯蚓生長的影響 124
6.1.1 死亡率、異常率和體重 124
6.1.2 回避率 125
6.2 表面改性納米炭黑對蚯蚓生理生化指標的影響 126
6.2.1 抗氧化標志物 126
6.2.2 谷胱甘肽/氧化型谷胱甘肽 128
6.2.3 蛋白質和酶活性 129
6.2.4 表面改性納米炭黑對蚯蚓生理生化指標影響的綜合分析 130
6.3 表面改性納米炭黑對蚯蚓組織和細胞病理指標的影響 131
6.3.1 組織病理學檢查 131
6.3.2 細胞病理學檢查 132
6.3.3 體腔細胞存活率 132
6.3.4 DNA損傷 133
6.4 小結 134
參考文獻 135
第7章 改性納米炭黑-Cd對蚯蚓的聯合毒理效應 138
7.1 Cd和MCB對體腔細胞的聯合毒性 139
7.1.1 Cd和MCB單一的細胞毒性 139
7.1.2 Cd和MCB聯合的細胞毒性 140
7.2 改性納米炭黑對蚯蚓細胞吸收Cd和超微結構的影響 144
7.2.1 MCB-Cd對體腔細胞超微結構的影響 144
7.2.2 MCB對細胞吸收Cd的影響 145
7.2.3 MCB吸附Cd對細胞聯合毒性的驗證 145
7.3 土壤中Cd和MCB對蚯蚓的聯合毒性 146
7.3.1 存活率 146
7.3.2 生物標志物 147
7.3.3 土壤Cd有效態含量和蚯蚓吸收Cd含量 148
7.4 小結 149
參考文獻 150
第8章 碳納米材料對蚯蚓的生態毒理效應機理 153
8.1 不同碳納米材料對蚯蚓毒理效應機理 154
8.1.1 不同碳納米材料的差異對蚯蚓毒理效應的影響 154
8.1.2 不同形貌碳納米材料對蚯蚓生物膜的損傷 157
8.1.3 不同碳納米材料對蚯蚓氧化應激的影響 159
8.2 表面改性納米炭黑對蚯蚓毒理效應機理 162
8.2.1 納米炭黑(CB)和表面改性納米炭黑(MCB)對蚯蚓的直接影響機理 163
8.2.2 納米炭黑(CB)和表面改性納米炭黑(MCB)對蚯蚓的間接影響機理 164
8.3 改性納米炭黑-Cd對蚯蚓的聯合毒理效應機理 165
8.3.1 納米炭黑改性后對Cd的吸附特性變化 165
8.3.2 MCB-Cd相互作用對蚯蚓體腔細胞的聯合毒理效應 166
8.3.3 土壤中MCB-Cd對蚯蚓的聯合毒理效應 171
8.4 MCB對細胞毒性機理初探 173
8.4.1 CB和MCB對GUV+和GUV-的影響 173
8.4.2 不同濃度CB和MCB對GUV+的影響 175
8.4.3 不同暴露時間CB和MCB對GUV+的影響 177
8.4.4 CB和MCB對GUV+的作用機制 178
8.5 小結 179
參考文獻 180
第9章 結論與展望 186
9.1 結論 186
9.2 展望 189
參考文獻 191
前言
英文縮略語詞表
第1章 緒論 1
1.1 納米材料及其對土壤生物的毒理效應 1
1.1.1 納米材料定義 1
1.1.2 土壤中納米材料的毒理效應 1
1.2 影響納米材料生物毒性的主要因素 4
1.2.1 納米材料性質的影響 4
1.2.2 共存污染物的影響 6
1.2.3 遷移轉化的影響 6
1.3 碳納米材料及其毒理效應 7
1.3.1 碳納米材料種類 7
1.3.2 碳納米材料對蚯蚓的毒理效應 9
1.3.3 碳納米材料與重金屬的聯合毒性 10
1.4 改性納米炭黑及其毒理效應 11
1.4.1 納米炭黑 11
1.4.2 納米炭黑的改性方法 11
1.4.3 改性納米炭黑對重金屬的吸附性能 14
1.4.4 改性納米炭黑的土壤環境行為 15
1.4.5 改性納米炭黑的生物毒理效應 17
1.5 改性納米炭黑在修復Cd污染土壤中的應用 17
1.5.1 我國土壤Cd污染現狀 17
1.5.2 土壤中Cd的生物毒性 18
1.5.3 改性納米炭黑修復Cd污染土壤機制 18
參考文獻 19
第2章 碳納米材料對蚯蚓毒理效應研究方法 30
2.1 供試材料 30
2.1.1 供試納米材料 30
2.1.2 供試蚯蚓 30
2.1.3 供試土壤 30
2.1.4 試劑和設備 30
2.2 研究方法 32
2.2.1 納米炭黑的改性方法 32
2.2.2 納米炭黑對重金屬的吸附特性 34
2.2.3 濾紙接觸蚯蚓毒性試驗 35
2.2.4 土壤中蚯蚓毒性試驗 37
2.2.5 改性納米炭黑對模擬大單層囊泡的影響實驗 39
2.3 分析方法 41
2.3.1 土壤基本性質 41
2.3.2 重金屬含量 41
2.3.3 納米材料的表征 42
2.3.4 蚯蚓毒理效應指標 44
2.4 數據處理 48
2.4.1 數據的統計分析 48
2.4.2 納米材料對重金屬的吸附特性 48
2.4.3 綜合生物標志物響應法(IBR)49
2.4.4 MIXTOX模型計算 50
參考文獻 53
第3章 改性納米炭黑的制備及其對重金屬的吸附性能 56
3.1 改性納米炭黑的制備 56
3.1.1 氧化改性劑的篩選 56
3.1.2 氧化改性工藝參數研究 58
3.1.3 改性納米炭黑制備工藝的優化 60
3.2 改性納米炭黑對重金屬的吸附特性 62
3.2.1 吸附等溫線 62
3.2.2 吸附動力學 64
3.2.3 吸附熱力學 65
3.2.4 改性納米炭黑表面重金屬的解吸 67
3.2.5 不同氧化改性方法的比較 70
3.3 改性納米炭黑對土壤中重金屬的鈍化 73
3.3.1 MCB對土壤pH的影響 73
3.3.2 土壤重金屬有效態含量變化 74
3.3.3 土壤中重金屬形態分布變化 75
3.4 小結 77
參考文獻 77
第4章 碳納米材料的表征 80
4.1 不同碳納米材料的形貌 80
4.2 不同碳納米材料的表面性質 83
4.2.1 比表面積 83
4.2.2 Zeta電位 83
4.2.3 官能團和含氧量 84
4.3 不同碳納米材料結晶度和缺陷 84
4.4 不同碳納米材料含重金屬雜質 86
4.5 表面改性對納米炭黑結構性質的影響 87
4.6 小結 90
參考文獻 91
第5章 不同形貌碳納米材料對蚯蚓的生態毒理效應 94
5.1 不同碳納米材料對蚯蚓生長的影響 95
5.1.1 死亡率 95
5.1.2 體重 96
5.2 不同碳納米材料對蚯蚓生理生化的影響 97
5.3 不同碳納米材料對蚯蚓體腔細胞的毒性 99
5.4 不同碳納米材料對蚯蚓腸道細菌群落多樣性和結構的影響 100
5.4.1 測序結果可靠性分析 100
5.4.2 對蚯蚓腸道微生物多樣性的影響 101
5.4.3 對蚯蚓腸道細菌群落組成的影響 106
5.5 不同碳納米材料對蚯蚓代謝物的影響 109
5.5.1 不同碳納米材料對蚯蚓全部代謝物的影響 109
5.5.2 不同碳納米材料對蚯蚓典型代謝物的影響 112
5.6 小結 118
參考文獻 119
第6章 表面改性納米炭黑對蚯蚓的毒理效應 123
6.1 表面改性納米炭黑對蚯蚓生長的影響 124
6.1.1 死亡率、異常率和體重 124
6.1.2 回避率 125
6.2 表面改性納米炭黑對蚯蚓生理生化指標的影響 126
6.2.1 抗氧化標志物 126
6.2.2 谷胱甘肽/氧化型谷胱甘肽 128
6.2.3 蛋白質和酶活性 129
6.2.4 表面改性納米炭黑對蚯蚓生理生化指標影響的綜合分析 130
6.3 表面改性納米炭黑對蚯蚓組織和細胞病理指標的影響 131
6.3.1 組織病理學檢查 131
6.3.2 細胞病理學檢查 132
6.3.3 體腔細胞存活率 132
6.3.4 DNA損傷 133
6.4 小結 134
參考文獻 135
第7章 改性納米炭黑-Cd對蚯蚓的聯合毒理效應 138
7.1 Cd和MCB對體腔細胞的聯合毒性 139
7.1.1 Cd和MCB單一的細胞毒性 139
7.1.2 Cd和MCB聯合的細胞毒性 140
7.2 改性納米炭黑對蚯蚓細胞吸收Cd和超微結構的影響 144
7.2.1 MCB-Cd對體腔細胞超微結構的影響 144
7.2.2 MCB對細胞吸收Cd的影響 145
7.2.3 MCB吸附Cd對細胞聯合毒性的驗證 145
7.3 土壤中Cd和MCB對蚯蚓的聯合毒性 146
7.3.1 存活率 146
7.3.2 生物標志物 147
7.3.3 土壤Cd有效態含量和蚯蚓吸收Cd含量 148
7.4 小結 149
參考文獻 150
第8章 碳納米材料對蚯蚓的生態毒理效應機理 153
8.1 不同碳納米材料對蚯蚓毒理效應機理 154
8.1.1 不同碳納米材料的差異對蚯蚓毒理效應的影響 154
8.1.2 不同形貌碳納米材料對蚯蚓生物膜的損傷 157
8.1.3 不同碳納米材料對蚯蚓氧化應激的影響 159
8.2 表面改性納米炭黑對蚯蚓毒理效應機理 162
8.2.1 納米炭黑(CB)和表面改性納米炭黑(MCB)對蚯蚓的直接影響機理 163
8.2.2 納米炭黑(CB)和表面改性納米炭黑(MCB)對蚯蚓的間接影響機理 164
8.3 改性納米炭黑-Cd對蚯蚓的聯合毒理效應機理 165
8.3.1 納米炭黑改性后對Cd的吸附特性變化 165
8.3.2 MCB-Cd相互作用對蚯蚓體腔細胞的聯合毒理效應 166
8.3.3 土壤中MCB-Cd對蚯蚓的聯合毒理效應 171
8.4 MCB對細胞毒性機理初探 173
8.4.1 CB和MCB對GUV+和GUV-的影響 173
8.4.2 不同濃度CB和MCB對GUV+的影響 175
8.4.3 不同暴露時間CB和MCB對GUV+的影響 177
8.4.4 CB和MCB對GUV+的作用機制 178
8.5 小結 179
參考文獻 180
第9章 結論與展望 186
9.1 結論 186
9.2 展望 189
參考文獻 191
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碳納米材料對蚯蚓的生態毒理學效應 節選
第1章 緒論 1.1 納米材料及其對土壤生物的毒理效應 1.1.1 納米材料定義 納米材料簡單定義是指顆粒三維粒徑中，至少有一維尺寸在納米尺度(1～100 nm)的材料。ISO定義納米物體為一維、二維或三維外部維度處于納米尺度的物體[1]。Science文章中廣被接受的納米材料定義為：任何有機的、無機的或混合的(有機金屬)材料，由于其超微小的尺寸，通常在納米尺度區域(從1納米、幾納米到幾十納米)，而呈現出獨特的化學、物理和/或電學特性[2]。納米材料的定義仍是科學和政策中廣泛討論的話題，但一致認同尺寸小，表面積大，反應活性強于塊體材料是納米材料應滿足的要求。根據來源的不同，納米材料又可分為自然納米材料、工程納米材料、偶然納米材料，其中工程納米材料和偶然納米材料合稱為人為納米材料[2]。 1.1.2 土壤中納米材料的毒理效應 納米毒理學是從與工作場所和一般環境以及消費者安全相關的成熟科學——顆粒毒理學發展而來的一個新領域[3，4]，是研究負面納米生物效應的科學[5]。目前，更多的研究關注于大氣中的納米顆粒通過呼吸途徑造成的肺毒性，但對于納米顆粒在土壤中生物毒性研究仍處于起步階段。納米材料對土壤生物的影響主要包括對土壤微生物和酶活性、土壤植物、土壤動物的影響幾個方面。 (1)納米材料對土壤酶活性的影響 土壤酶主要位于土壤微生物、植物根系分泌物、動植物殘體中，包括只能在細胞內發揮作用的與代謝中心相關的細胞內酶(例如糖酵解酶)和可以泌出胞外保持活性的細胞外酶[6]。土壤酶是土壤微生物學和生物化學的主要研究議題，也是評估土壤質量和土壤健康的重要指標。幾種用于反映金屬氧化物納米材料影響的重要酶是氧化還原酶(如過氧化氫酶)、水解酶(如脲酶)和轉化酶(如蔗糖酶)。研究指出，Zn和ZnO納米顆粒會降低土壤中的脫氫酶、磷酸酶和β-葡糖苷酶活性，然而納米Zn和ZnO對脫氫酶活性的抑制效應小于Zn2+[7]，并且ZnO納米顆粒也會顯著抑制土壤蛋白酶、過氧化氫酶和過氧化物酶的活性[8]這些研究都認為離子釋放是金屬基納米顆粒產生毒性的原因。但是對納米銀(AgNPs)的研究發現，AgNPs可以在受試濃度內(1μg/g、10μg/g、100μg/g和1000μg/g)對土壤外酶活性產生負影響，并且由于幾乎沒有Ag+溶解，因此抑制作用可推斷是由 AgNPs本身引起的[9]。另一項研究未發現3.2～320μg/kg AgNPs對熒光發光酶的處理效應[10]。Asadishad等在農田土壤中添加1～100 mg/kg工程納米顆粒并對土壤5種胞外營養循環酶進行了測定，發現納米ZnO和CuO對酶活性無影響或正影響，TiO2則傾向于無影響或負影響，而 AgNPs在100 mg/kg水平抑制了酶活性[11]。由此可見，納米材料的劑量和種類、酶的種類都是影響正向和負向反饋結果的因素。因此更全面的生物學信息將有助于納米科技在農業中的可持續應用。 (2)納米材料對土壤植物的影響 納米材料對植物既存在有益的影響，也存在有害的影響。有研究表明碳納米管可以穿透種皮提供水分運輸通道，促進種子的萌發[12-14]。Servin等綜述了工程納米材料(金屬、金屬氧化物、碳等)在減輕植物病蟲害、提供微量元素、提高作物產量方面的功效[15]。鑒于以上優點，納米農業應運而生。但同時也有相當的研究和綜述文章關注納米材料潛在的植物毒性。目前，研究中納米材料的植物毒性主要從植物生理(例如減少的生物量、根長、發芽率和植物蒸騰作用等)、細胞積累和細胞毒性、亞細胞轉運和分子水平[例如活性氧(ROS)誘導和DNA損傷]等方面考慮[16]。研究表明 AgNPs以線性劑量反應關系抑制幼苗的根伸長。AgNPs的銀離子釋放不能完全解釋這種植物毒性作用[17]。有趣的是，暴露于 AgNPs懸浮液的擬南芥中的銀含量比 AgNO3高，并且在用 AgNPs取代 Ag+處理時觀察到所謂的“褐色根尖”現象，表明 AgNPs可以被植物吸收，而 AgNPs及其團聚物的大小(20 nm、40 nm、80 nm)要比植物細胞壁的昀大孔徑還大[17]，這表明可能存在一種特殊的攝取機制，即可能被胞間連絲(50 nm)捕獲或細胞壁靈活地改變孔大小攝取顆粒到共質體[17]。Peng等使用微區 X射線熒光(μ-XRF)和微區 X射線吸收近邊結構(μ-XANES)分析表明，CuO納米顆粒可橫向穿過根表皮、外皮和皮質，昀終到達內皮層。但無法輕易通過凱氏帶[18]。Zhang等利用 STXM和XANES技術發現納米 CeO2在黃瓜根部為 CeO2和CePO4形態，而轉移到地上部為 CeO2和羧酸 Ce形態，還原性物質如抗壞血酸在轉化中發揮了重要作用[19]。本實驗室昀近在添加4%改性納米炭黑土壤培養的印度芥菜根細胞中發現了黑色納米顆粒[20]。納米材料和陸生植物相互作用機理已被 Gardea-Torresdey和Rico團隊很好地總結[21-23]，不再贅述。目前學界一致認為積累在植物細胞中的納米材料的潛在毒性尚不確定，因此在納米農業應用時應保持謹慎并加強監管。 (3)納米材料對土壤動物的影響 納米材料對土壤動物的毒理效應僅有零星報道。土壤中1 g/kg納米零價鐵對白符跳(Folsomia candida)和介形蟲(Heterocypris incongruens)產生不利影響。土壤中添加超過3%的 MCB將在短期內對土壤線蟲組成產生顯著擾動。表1-1列舉了近年來有關納米材料對蚯蚓影響的實驗室研究，暴露濃度基本在較高的 ppm水平，不同的納米材料或多或少對蚯蚓的存活、繁殖、酶活性、細胞毒性、代謝及 DNA產生影響。 表1-1 納米材料對蚯蚓影響的實驗室研究匯總 1.2 影響納米材料生物毒性的主要因素 1.2.1 納米材料性質的影響 影響納米材料毒性的性質有化學組分、尺寸、形狀、表面化學、溶解度、晶型、缺陷、親疏水性、團聚、粗糙度和孔隙度、價態和導態等[35，36]。以下介紹了四個主要性質的影響。 (1)化學組分 根據化學組分的不同，工程/人造納米材料可分為納米碳材料、納米零價金屬、納米金屬氧化物、納米聚合物、納米乳液、納米黏土和半導體量子點等[1]。由于元素或分子可能會在納米材料的環境過程中釋放出來，因此納米材料固有的化學組分不同，表現出的毒性也具有特異性。例如，金屬基納米材料和有機納米材料的毒性不同，不同金屬納米材料之間毒性也具有差異。以酶活性抑制的差異為例，重金屬離子更傾向與酶上的(—SH)結合，或取代酶活性中心的金屬離子，改變其空間構象，使其失活[37]；而有機物往往與酶中的羥基等基團共價結合，導致不可逆性抑制[38]。因此，可以推斷生物對不同化學組分的納米材料具有不同的靈敏度和抗逆性。此外，由于親疏水性和溶解度的差異，不同化學組分的納米材料在土壤各相間的分布不同從而具有不同的生物有效性。 (2)形貌結構 納米材料形狀各異，如棒狀、管狀、球體、立方體等。國際標準化組織(ISO)將納米材料分為三大類：納米顆粒(三維尺寸都在1～100 nm之間)、納米纖維(二維尺寸為1～100 nm)和納米板(一維尺寸為1～100 nm)[39]。對于相同化學組分的納米材料，其形貌主要影響與生物直接接觸產生的物理損傷。納米材料通過與細胞膜分子相互作用進入細胞，不同形貌納米材料與細胞膜分子的相互作用方式和能量不同[36，40，41]。大部分納米材料都可以通過內吞方式進入細胞，由于形貌的差異，需要克服的膜形變能量(彎曲能和伸縮能)有所差異，一般來說，棒狀和圓柱狀納米材料比球形納米材料被細胞膜包裹所需的熱力學力更大，經歷的時間更長[42，43]。另外除了內吞外，由于納米維數的差異導致的跨膜方式和毒性不同。一維納米材料可能由于更強的附著力和更細的接觸面直接穿入細胞膜[圖1-1(a)]。據報道，碳納米管(CNTs)由于其針狀形貌可以直接接觸和穿透細胞的脂膜，導致細胞膜紊亂[44，45]，進而擾動線粒體和細胞核[46]。二維納米材料若有宏觀二維側面就不能被內吞，則易于切割細胞膜和提取磷脂[圖1-1(b)]。石墨烯(GO)納米片或納米墻的鋒利邊緣將直接損壞細胞膜[47]。研究表明，通過分子動力學模擬，石墨烯片不僅主動插入和切割細胞的脂膜，而且從細胞膜上抽提出大量磷脂分子，破壞細胞膜的完整性，導致細胞死亡[48]。零維納米材料(三個維度均在納米尺度)，如近球形 CB，如前所述大概率通過內吞途徑進入細胞[圖1-1(c)][43]。但當顆粒尺寸過大或粗糙時，顆粒部分包覆導致形變程度(附著力)超出膜的承受范圍(磷脂分子間作用力)時，則會導致膜的破裂或重構[40]。 圖1-1 不同形貌納米材料-生物膜界面相互作用概念模型 (a)穿透；(b)切割；(c)內吞 (3)尺寸大小 一般來說，粒徑越小，毒性越大。用不同粒徑(15 nm、30 nm、55 nm)的 AgNPs顆粒處理細胞24 h后，更小粒徑的銀納米顆粒會產生更高的 ROS和細胞凋亡水平[49]。而且線蟲更易吸收小粒徑的 AgNPs顆粒[50]。美國耶魯大學 Menachem Elimelech研究團隊利用大腸埃希菌實驗證明由于相同長寬比條件下，SWCNT比 MWNT有更小的直徑、更短的長度和更大的表面積，與細胞表面接觸的概率和面積更大，更容易分配和穿過細胞壁，具有更大的細胞毒性[45]。 (4)表面性質 納米材料不同的表面化學性質會使其與鄰近分子產生不同的靜電作用、氫鍵作用、親疏水作用、π-π共軛作用，與空間構型有關的毒作用過程也會受到表面改性的顯著影響。有研究表明，表面羥基化的水溶性富勒烯C60(OH)24比易團聚態的原始C60產生更少的超氧陰離子自由基，減輕了對兩種人體細胞的危害[51]。還原石墨烯(RG)比含有 C—OH、C=O、O=C—OH等官能團的氧化石墨烯(GO)有更強的抗菌能力，這種對細菌細胞膜損傷的優越性主要歸因于其更鋒利邊緣結構的直接作用和其與細菌膜之間更好的電荷轉移性能，氧化損傷的作用是其次的[47]。相反地，有大量研究表明，官能團化納米顆粒比原始顆粒的毒性更大[52-54]。高分子(PVP、PEG等)表面修飾或包覆常常用來提高納米材料的溶液穩定性，減少團聚。但同時也可能因溶劑化作用、配體作用等，改變它們的生物有效性和毒性[55，56]。也有研究表明，PEI修飾的 MWCNTs對蚯蚓的攝入沒有明顯影響[33]，PVP和OA包覆不影響AgNPs在蚯蚓體內的生物積累和其對蚯蚓的繁殖毒性[28]。 1.2.2 共存污染物的影響 除了研究納米材料本身的毒性外，它們與其他共存污染物的聯合作用會對其毒理效應產生影響。當納米材料應用于重金屬污染土壤修復時，納米材料與重金屬通過吸附、鍵合、化學反應等彼此影響，產生不同于單一納米材料或重金屬的毒理效應。有研究發現，在水體中2 mg/L納米TiO2就會加劇Cu2+對大型蚤(Daphnia magna)的毒效應，表現為LC50由111μg/L降低到42μg/L，納米TiO2對Cu2+的吸附增加了生物對Cu2+的攝入和積累，而納米 TiO2還有可能與Cu2+競爭金屬硫蛋白結合位點，使其解毒能力下降[57]。但也有研究表明，當納米TiO2與Cd離子同時存在時，納米TiO2對Cd離子的吸附作用使水中游離態Cd離子濃度降低，Cd離子對銅綠微囊藻的毒性顯著降低[58]。水中0.01 mg/L Cu2+可以增加黑頭呆魚(fathead minnow)對外徑為8～15 nm和20～30 nm兩種多壁碳納米管的生物積累系數，前者由19.0 L/kg變為8.0 L/kg，后者由2.7 L/kg變為42.9 L/kg[59]。污染物在土壤中的遷移能力決定了污染物的生物有效性。在土壤中，有關納米材料與有機污染物共遷移的研究已經展
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