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人工纳米颗粒对生物体内主要生物分子和多环芳烃的吸附

作　者: 赵建
导　师: 王震宇
学　校: 中国海洋大学
专　业: 环境科学
关键词: 纳米颗粒乙酰胆碱酯酶吸附多环芳烃肺部表面活性剂
分类号:
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

纳米材料已日益广泛地应用于电子、生物医药、催化和材料等各个领域。在这些纳米产品的生产和使用过程中，其产生的人工纳米颗粒（NPs）能够通过各种途径进入环境中，其潜在的环境风险和对人类健康带来的负面影响引起了广泛的关注，相关研究已成为国际上的热点。NPs进入人体后能够与生物分子如蛋白质和酶类发生相互作用，从而产生毒性效应。此外，NPs特别是碳纳米管（CNTs）由于对有机污染物具有极强的吸附能力和吸附容量，能够成为有机污染物（如多环芳烃）的载体，二者之间可能产生复合毒性作用。因此，本论文主要研究NPs对生物体神经系统、消化系统和呼吸系统中的生物分子的吸附作用，以及这些生物分子存在条件下，NPs对多环芳烃类污染物的吸附和解吸附行为。乙酰胆碱酯酶（AChE）作为人类神经系统的关键酶存在于大脑和血液中。基于NPs能够吸附酶活性检测过程中显色反应中的黄色产物5-MNBA，采用调整后的Ellman法对AChE酶活性进行检测。8种NPs包括SiO₂、TiO2、Al₂O₃、Al、Cu、碳包铜（Cu-C）、多壁碳纳米管（MWCNT）和单壁碳纳米管（SWCNT）均对AChE具有吸附和抑制作用。CNTs对AChE具有极高的吸附能力，其中SWCNT的吸附能力最强（94%），而SiO₂和Al₂O₃NPs在所有NPs中吸附能力最弱。NPs的吸附是造成AChE酶活性降低的首要因素，然而Cu和Cu-C NPs在悬浮液中能够释放Cu²⁺进而分别导致40%和45%的酶活性降低。作为Cu NPs和CNTs的对照，微米级Cu和活性炭对AChE的抑制作用要远远小于其对应的纳米级颗粒。Cu、Cu-C、MWCNT和SWCNT对AChE的抑制呈现剂量-反应关系，半数抑制浓度(IC₅₀)分别为4，17，156和96mg L^-1。这些研究表明，NPs特别是CNTs和Cu可能具有神经毒性，应引起广泛关注。CNTs的吸附能力不仅体现在与生物体内生物分子的相互作用上，CNTs对疏水性有机污染物如多环芳烃（PAHs）也具有极强的吸附能力。通过在模拟消化液中CNTs对菲的吸附和解吸附研究发现，生物分子如胃蛋白酶和胆盐存在下，菲在CNTs上的吸附明显降低，这主要是由于生物分子对菲的增溶作用以及二者之间发生竞争吸附所致。解吸附动力学的研究表明，菲在3种CNTs上的快解吸附时间均少于1h。通过胃液和肠液消化，禁食和进食状态下分别有43%-69%和53%-86%的菲随CNTs进入到胃肠液中，这些进入胃肠液的菲能够快速被人体吸收，从而产生毒性作用。当吸附有菲的CNTs进入呼吸系统时，肺部表面活性剂影响着菲在肺部的生物有效性。采用Passive dosing研究了肺部表面活性剂（Curosurf）及其组分（DPPC、BSA等）对溶液中菲的吸附作用，发现Curosurf、DPPC和BSA对菲的增溶（吸附）均为线性，其中Curosurf对菲的增溶作用较强，而单一组分如DPPC的增溶作用较弱。磷脂混合物的增溶作用要高于单独磷脂的增溶作用之和。Curosurf、DPPC或者BSA存在下，MWCNTs对菲的吸附均有不同程度的降低，说明肺部表面活性剂和菲在MWCNTs表面存在竞争，并且Curosurf与菲的竞争最为激烈。当吸附有PAHs的CNTs进入呼吸系统后，由于肺部表面活性剂的增溶作用和与菲在MWCNTs表面的竞争吸附，一部分PAHs将从CNTs表面解吸附出来。这些解吸附下来的PAHs极有可能对人体造成新的伤害。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
1 引言  12-38
  1.1 人工纳米颗粒  12-16
    1.1.1 碳 NPs  13-14
    1.1.2 金属氧化物 NPs  14-15
    1.1.3 零价金属 NPs  15
    1.1.4 半导体 NPs  15-16
  1.2 人工纳米颗粒的生物毒性  16-25
    1.2.1 NPs 的毒性效应  16-20
    1.2.2 毒性机制  20-23
    1.2.3 摄取和跨膜过程  23-25
  1.3 人工纳米颗粒的环境行为  25-27
  1.4 人工纳米颗粒的吸附行为  27-33
    1.4.1 人工纳米颗粒对有机污染物的吸附  28-30
    1.4.2 人工纳米颗粒对生物分子的吸附  30-31
    1.4.3 吸附等温线模型  31-33
  1.5 离体毒性研究  33-36
  1.6 科学问题与研究内容  36-38
    1.6.1 学术构想与科学问题  36-37
    1.6.2 研究内容  37-38
2 不同类型纳米颗粒对神经系统中乙酰胆碱酯酶的吸附和抑制作用  38-58
  2.1 材料与方法  39-42
    2.1.1 纳米颗粒  39
    2.1.2 NPs 悬浮液和金属离子溶液的制备  39-40
    2.1.3 NPs 对 AChE 的吸附和抑制  40-41
    2.1.4 NPs 对 AChE 的吸附率和抑制率计算  41-42
    2.1.5 数据分析  42
  2.2 结果与讨论  42-57
    2.2.1 Ellman 法校正  42-46
    2.2.2 NPs 释放的离子对 AChE 酶活性的影响  46-48
    2.2.3 不同种类 NPs 对 AChE 的吸附和抑制  48-52
    2.2.4 微米级颗粒对 AChE 的吸附和抑制  52-54
    2.2.5 NPs 抑制 AChE 活性的剂量-效应关系  54-57
  2.3 小结  57-58
3 碳纳米管在体外消化液中对菲的吸附和解吸附  58-85
  3.1 材料与方法  59-64
    3.1.1 实验材料  59-60
    3.1.2 模拟肠胃液的制备  60
    3.1.3 吸附试验  60-62
    3.1.4 胃蛋白酶和胆盐对菲的增溶作用  62
    3.1.5 菲在 CNTs 表面的解吸附动力学  62-63
    3.1.6 体外消化系统模型研究吸附于 CNTs 表面的菲的生物可利用性  63
    3.1.7 数据分析  63-64
  3.2 结果与讨论  64-84
    3.2.1 CNTs 在肠胃液中对菲的吸附  64-79
    3.2.2 菲在碳纳米管上的解吸附动力学  79-82
    3.2.3 体外肠胃系统中吸附于 CNTs 的菲的生物可利用性  82-84
  3.3 小结  84-85
4 肺部表面活性剂对碳纳米管吸附菲的影响  85-106
  4.1 材料与方法  86-93
    4.1.1 实验材料  86-87
    4.1.2 Passive Dosing 管的制备  87
    4.1.3 Passive Dosing 管的负载  87-89
    4.1.4 Passive Dosing 法测定肺部表面活性剂对菲的增溶作用  89-91
    4.1.5 吸附试验  91-92
    4.1.6 数据分析  92-93
  4.2 结果与讨论  93-104
    4.2.1 Passive Dosing 法在吸附试验中的应用  93-95
    4.2.2 肺部表面活性剂对菲的增溶作用  95-97
    4.2.3 肺部表面活性剂存在下菲在 MWCNTs 上的吸附  97-104
  4.3 小结  104-106
5 结论与展望  106-109
  5.1 结论  106-107
  5.2 创新性  107
  5.3 展望  107-109
参考文献  109-122
致谢  122-123
个人简历  123-124
在研期间发表的主要学术论文  124

人工纳米颗粒对生物体内主要生物分子和多环芳烃的吸附

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