多壁碳纳米管存在环境下 PbZn 对斑马鱼毒性的变.doc

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1、精品论文多壁碳纳米管存在环境下 Pb，Zn 对斑马鱼毒性的变化刘信勇，朱琳 南开大学环境科学与工程学院，天津（300071） E-mail：langzijian007摘要：主要研究了重金属铅、锌的对斑马鱼的急性毒性效应及在纳米材料存在条件下铅锌对斑马鱼致死效应的影响。研究结果显示，铅溶液和锌溶液 24h，48h 和 96h 的 LC50 分别 为 5.38mg/L，3.99 mg/L，3.83 mg/L 和 26.37mg/L，21.39 mg/L，20.62 mg/L；在碳纳米管条 件下他们 24h，48h，和 96h 的 LC50 分别为 2.74mg/L，2.66 mg/L，2.15 m

2、g/L 和 21.85mg/L，17.17 mg/L，16.77 mg/L，单一多壁碳纳米管悬浊液对斑马鱼无明显毒性效应。这说明随着 重金属胁迫浓度的增加以及染毒时间的延长，斑马鱼死亡率增加，但多壁碳纳米管存在条件 下 Pb，Zn 对斑马鱼致死效应增高幅度明显。这些研究结果对于评价碳纳米材料对水生生态 环境的影响有着重要意义。 关键词：多壁碳纳米管，斑马鱼，硝酸铅，硫酸锌，毒性效应，LC500. 引言随着纳米技术的迅速发展，具有独特物理化学性质的人工纳米材料(MNMs) 已在涂料、 电子、机械和生物医学领域被大量生产和应用1-2，与此同时它对环境以及人体健康的潜在 影响和风险也引起各方面的广泛

3、关注2-4。欧美等国家相继发布了多个关于纳米材料潜在影 响的报告5-7。从 2003 年起,众多科学家陆续在 Science Nature 等重要期刊上,从纳米毒理学 (nanotoxicology)研究的倡导、研究战略、经费支持等方面发表了多篇导向性文章8-16。专门 探讨纳米毒理学的期刊 Nanotoxicology 也于 2007 年创刊发行。Hyung 等17 和 Roberts 等18 的研究表明，碳纳米管进入水环境后，在水体有机质的作用下具有较好的分散性和稳定性， 极有可能对水生生物造成潜在危害。同时由于水环境具有相对复杂性，纳米材料的存在极有 可能对水环境中其他物产生一定影响，使

4、其生物可利用性升高或者降低。基于以上考虑，作 者在对国际经济合作与发展组织(OECD)化学品生态毒性测试标准方法进行适当修改的基础 上，以斑马鱼为受试动物，考察碳米材料进入水环境前后重金属铅和锌的生物毒性，以探讨 碳纳米材料的水生态安全性。1材料和方法1.1 材料MWCNTs 购自深圳纳米港有限公司，粒径 10-20nm，长度 1-2um，纯度95%，含碳量 小于 3%，表面积 40-300m3/g。十二烷基硫酸钠 C12H25O4Sna（简称 SOD）购自北京鼎国生 物技术有限公司。分析纯硫酸锌 ZnSO47H2O 含量不少于 99.5%。分析纯硝酸铅 Pb(NO3)2 含量不少于 99%。

5、试验生物为当年生斑马鱼(Brachydaniorerio)，试验前在实验室 23条件下驯养 2 周以上， 自然死亡率1%.平均体长 3cm，平均体重 0.07g。试验用水为曝气充氧 24h 以上的普通蒸馏水，水温 231,基本水质为 pH7.0 左右,溶解 氧 7.18.0mg/L。- 5 -1.2 方法1.2.1 溶液配制 用分析纯的硝酸铅（Pb（NO3）2）配成不同浓度的含铅水溶液，处理浓度分别为 1、2、4、6 和 8mg/L。 用分析纯的硫酸锌（ZnSO47H2O）配成不同浓度的含锌水溶液，处理浓度分别为 10、15、20、25 和 30mg/L。碳纳米管悬浊液：称量 0.2g 人工多

6、壁碳纳米管溶于少量蒸馏水中，加入 10ml 的 1g/L的 SOD 水溶液，定溶到 1L，超声震荡 2h，使其混合均匀20。试验前滤去团聚的大颗粒， 使用悬浊液浓度测定方法测定 MWCNTs 悬浊液浓度，预试验浓度分别为：60mg/L，40mg/L，20mg/L，10mg/L（最大浓度下也无死亡现象发生），正式试验背景浓度为 10mg/L。1.2.2 暴率过程重金属的单一试验：按照鱼类急性毒性试验标准方法进行。试验用 1L 的玻璃烧杯，按 照铅和锌的不同处理浓度设置不同分组，每组受试斑马鱼 10 条，并设置两个空白组和两组 平行。实验过程中保证试验水中含氧量基本不变，试验前后溶液浓度无显著差异

7、。多壁碳纳米管存在条件下的试验：本组试验用水换做含有 20mg/L 的多壁碳纳米管悬浊 液，设置水溶液和碳纳米管悬浊液对照组各两个，其他同单一试验。1.2.3 取样分析分别在染毒后的 24,48 h，72h，96h 观察并记录斑马鱼的死亡状况，用玻璃棒轻轻碰触 斑马鱼尾部，无反应者即认定死亡，死亡个体及时移出。 参考文献，用概率单位法19计 算各种各种情况下的 LC50 及其 95%置信区间。1.3 统计方法采用 SPSS13.0 统计软件进行 LC50 计算和分析21。2结果与分析2.1 急性毒性试验结果试验时间持续 96h，水溶液对照组和 MWCNTs 悬浊液对照组内受试生物无死亡现象和

8、明显抑制现象产生，其余实验组得到不同时刻的平均半数致死浓度 LC50 见表 1：表 1.不同溶液对斑马鱼的急性毒性试验数据的线性回归分析溶液t(试验)/h概率单位模拟方程LC50（mg/L）95%置信限24y=6.06x-4.435.38（4.16-6.67）铅溶液48y=5.30x-3.193.99（3.03-4.99）72y=5.81x-3.393.83（2.92-4.74）96y=5.81x-3.393.83（2.92-4.74）铅24y=3.29x-1.442.74（1.87-3.72）+MWCNTs 溶液48y=3.24x-1.152.26（1.50-3.10）72y=3.72x-1

9、.232.15（1.49-2.89）96y=3.72x-1.232.15（1.49-2.89）24y=5.85x-8.3126.37（22.30-38.24）48y=4.84x-6.4321.39（17.20-27.63）72y=5.42x-7.1320.62（17.10-25.45）96y=5.42x-7.1320.62（17.10-25.45）24y=3.71x-4.9721.85（16.96-32.82）锌48y=4.59x-5.6617.17（13.00-21.08）+MWCNTs 溶液72y=4.59x-5.6617.17（13.00-21.08）96y=5.30x-6.4916.7

10、7（13.16-20.08）锌溶液注：其中 y 代表死亡概率 P，x 代表悬浊液浓度倒数即 logC。2.2 讨论上述试验结果反应了试验毒物对斑马鱼具有急性毒性， 由表 1 可见，铅溶液 24h，48h，72h 和 96h 的 LC50 分别为 5.38mg/L，3.99 mg/L，3.83 mg/L 和 3.83 mg/L；铅+MWCNTs 溶 液 24h，48h，72h 和 96h 的 LC50 分别为 2.74mg/L，2.66 mg/L，2.15 mg/L 和 2.15 mg/L；锌 溶液 24h，48h，72h 和 96h 的 LC50 分别为 26.37mg/L，21.39 mg/

11、L，20.62 mg/L 和 20.62 mg/L； 锌+MWCNTs 溶液 24h，48h，72h 和 96h 的 LC50 分别为 21.85mg/L，17.17 mg/L，17.17 mg/L 和 16.77 mg/L。对照鱼类急性毒性实验毒性分级标准22(见表 2），四种水溶液均属于高毒 物质(见表 3) ，对水生生物的危害应引起高度重视。表 2 鱼类急性毒性实验毒性分级标准LC50 (mg/L)11100100100010001000010000毒性分级剧毒高毒中等毒低毒微毒（ 无毒）表 3 受试溶液对斑马鱼的的安全性评价化学品名称最敏感终点 LC50 (mg/L)危害水平铅溶液3.

12、83高毒铅+MWCNTs 溶液2.15高毒锌溶液20.62高毒锌+MWCNTs 溶液16.77高毒由试验结果可以看出， 随着露时间的延长，化合物的毒性愈来愈明显，这表明化合物对生物体的毒性大小受污染物在体内积累量影响；同时，混合有 MWCNTs 悬浊液的试验溶 液的毒性明显高于单一重金属溶液的毒性(图 1，2)，而 MWCNTs 悬浊液本身并未表现出明 显的抑制效应或者致死效应，这表明 MWCNTs 进入水环境中使重金属的生物可利用性得到 提高，其原因可能是具有超大表面积的 MWCNTs 对金属离子具有超强的携带能力，使其在 转运过程中能够穿透细胞屏障到达特定的靶器官或靶组织，从而更容易作用于

13、受试生物，也 可能是 MWCNTs 与重金属离子两者具有协同作用，这种推理还有待今后的代谢机理研究来 证实。铅溶液 铅+MWCNTs溶液765.395LC50(mg/L)43.993.83 3.833 2.7422.26 2.15 2.15101 2 3 4图 1 铅溶液和铅+MWCNTs 溶液 LC50 的比较锌溶液 锌+MWCNTs溶液353026.3725LC50(mg/L)201521.3921.8520.62 20.6217.17 17.17 16.7710501 2 3 43结语图 2 锌溶液和锌+MWCNTs 溶液 LC50 的比较本文首次研究了人工纳米材料存在对于重金属毒性效应

14、的影响。主要结果如下：(1)重金属铅、锌溶液属于高毒污染物，其对斑马鱼 24h，48h 和 96h 的 LC50 分别为：5.38mg/L，3.99 mg/L 和 3.83 mg/L 与 26.37mg/L，21.39 mg/L 和 20.62 mg/L；单独的人工碳 纳米材料对水生生物无明显急性毒性效应。(2)人工碳纳米材料有助于提高水环境中重金属离子的生物可利用性，使得其 24h，48h和 96h 的半数致死浓度 LC50 降低分别为：2.74mg/L，2.66 mg/L 和 2.15 mg/L 与 21.85mg/L，17.17 mg/L 和 16.77 mg/L。 上述结论表明,纳米颗

15、粒的生态毒性和环境效应不容忽视,有必要进一步深入研究人工纳米材料的污染途径及其进入水环境中对原有物质的影响，确定其污染机制和污染程度，然后 根据不同的污染程度进行毒性分级，最终实现对人工纳米材料的科学、有效和无害化管理， 以保证纳米技术在发展的同时，既能满足实际生产的需要，也能符合可持续发展的原则。参考文献1 Tremblay J. Mitsubishi aims at a breakthrough J. Chem. Eng.News, 2002,80(1):16-17.2 Science Policy Council, U.S. Environmental Protection Agency

16、. EPA 100/B-07/001. U.S. Environmental protection agency final nanotechnology white paper EB/OL. httP:/www.epa.gov/osa/Pdfs/nanotech/epa-nanotechnology-white-paper-final-february-2007.pdf, 2007-03-09.3 Colvin V L. The potential environmental impact of engineered nanomaterials J. Nature Biotechnology

17、,2003,21(10):1166-1170.4 袭著革,林治卿.纳米尺度物质对生态环境的影响及其生物安全性的研究进展与展望 J. 生态毒理学报,2006,1(3):203-208. 5SwissReinsuranceCompany(Swiss).Nanotechnology2Small Matters,ManyUnknows.2004.2007206222.http:PP 6HealthandSafetyExecutive(UK).NanomaterialsaRisktoHealthatWork?2004(October).2007206222.http:PPww w.hsl.gov.uk

18、7UKGovernmentResearch(UK).CharacterisingthePotentialRisksPosedbyEngineeredNanoparticles.ProgressRepor t,2006(October).2007206222.http:PPwww.defra.gov.uk8BrumfielG.Nature,2003,424(17):246)248 9ColvinVL.Nat.Biotechnol.,2003,21(10):1166)117010ServiceRF.Science,2003,300(11):243)24311ServiceRF.Science,20

19、05,310(9):1609)1609 12ServiceRF.Science,2006,314(6):45)45 13StoneV,DonaldsonK.Nat.Nanotechnol.,2006,1(1):23)24 14NelA,XiaT,MdlerL,etal.Science,2006,311(3):622)627 15MaynardAD,AitkenRJ,ButzT,etal.Nature,2006,444(16):267)28916汪冰(WangB),丰伟悦(FengWY),赵宇亮(ZhaoYL)等.中国科学(B)(ScienceinChinaSeriesB:Chemistry),

20、2005,35(1):1)1017 Hyung H, Fortner J D, Hughes J B, et al. Natural organic matter stabilizes carbon nanotubes in the aqueous phase J. Environ. Sci. Technol., 2007,41(1):179-184.18 Roberts A P, Mount A S, Seda B, et al. In vivo biomodification of lipid-coated carbon nanotubes by Daphniamagna J. Envir

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22、logy 200643(3):414-41722 孔志明.环境毒理学南京：南京大学出版社,2006.The change of the toxicity of Pb AND Zn on zebrafish in the case of the existence of Multi-walled carbon nanotubesLIU Xin-Yong，ZHU LinThe college of Enviromental Science and Engineering of Nankai University, Tianjin (30071)AbstractThe paper mainly st

23、udied that the toxicity effect of heavy metals lead, zinc on zebrafish, and the impactof their lethal effect on zebra fish in the case of the existece of MWCNTs.The results is that the LC50in 24h，48h and 96h of the lead solution and zinc solution were respectively 5.38mg/L，3.99 mg/L，3.83 mg/L and 26

24、.37mg/L，21.39 mg/L，20.62 mg/L;but under the conditions of exisexistence ofnano-materials ,the LC50 in the same time of the two toxic substances were 2.74mg/L，2.66 mg/L，2.15 mg/L 和 21.85mg/L，17.17 mg/L，16.77 mg/L.It showed that with the increase in the concentration ofheavy metal stress, as well as t

25、he increase of exposure time, the mortality of the zebra fish increase; there is no obvious toxic effects on the zebrafish who live in the suspension ofMWCNTs; but under the conditions of exisexistence of nano-materials , lthe ethal effect of Pb, Zn on the zebrafish increased significantly. The results of these studies is meaningful for us to evaluate the impact of the carbon nano-materials on the aquatic eco-environment.Keywords：Multi-walled carbon nanotubes，zebrafish，ZnSO47H2O，Pb(NO3)2，toxicity effect，LC50