纳米二氧化钛存在条件下大型水蚤对铜的吸收作用研究
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摘要：随着纳米技术的发展，必然导致越来越多的纳米颗粒进入水体。除了纳米材料本身的毒性外，由于吸附能力强，其对重金属的吸收也必然会产生一定的影响，进而通过食物链传递对水生动物甚至人类产生影响。其中二氧化钛纳米材料是应用最为广泛的纳米材料之一。本文以目前广泛使用的毒性测试生物―大型水蚤为例，研究了水体中加入纳米二氧化钛之后对重金属Cu吸收的影响。实验结果表明纳米二氧化钛的加入极大地促进了大型水蚤对铜的吸收，同时也促进了Cu吸收平衡的提前。由此可见单一的水体中重金属的浓度并不能完全说明水中生物受重金属污染的状况，在进行监测时要考虑到颗粒物以及其它污染物的综合作用。
关键词：纳米颗粒；大型水蚤；铜；吸收
全球纳米科学与技术的迅猛发展将对一些学科、产业和社会带来革命性的变化，二氧化钛纳米材料是其中应用最为广泛的材料之一。由于其具有良好的光催化特性、耐化学腐蚀性和热稳定性，目前已被大力开发生产，广泛用于涂料、汽车油漆、造纸、废水处理、杀菌、太阳能电池、食品添加剂、化妆品、生物医用陶瓷材料等与人们日常生活息息相关的行业[1]。纳米TiO2可以作为紫外光吸收剂，纳米钛白粉都具有优异的防紫外线辐射的功能。作为透明紫外线吸收剂，已经被越来越多的化妆品生产商所接受，并用于高防晒系数的防晒化妆品的配方。同时，透明的二氧化钛颜料广泛地应用于塑料行业，尤其在薄片和薄膜中，例如农用塑料薄膜。填充TiO2食品包装袋，食品的贮存期延长，维生素的降解速度明显降低。二氧化钛纳米材料的应用不可避免的会造成对环境中生物的影响，那么对影响的研究就不可避免的成为了我们所关注的问题。
图1为纳米材料进入环境示意图，纳米材料生产和使用的不断增加，最终会使纳米材料进入到空气、土壤、水和生物体内。随着纳米技术的发展，许多与纳米有关的产品随之出现，人类也将越来越多地直接或者间接地接触纳米材料[2-4] 到目前为止，尚未找到能够证明纳米材料绝对安全性的任何科学报道。相反，有关纳米材料显示出毒性的报道却不断出现，迫切需要对纳米材料进行安全性评价以及环境行为研究。。
为了研究纳米颗粒，主要是纳米二氧化钛的影响，我们选用大型水蚤作为实验生物。大型水蚤(Daphnia magna)生活于自然水域，属于浮游甲壳类动物，具有生活周期短、繁殖快，经济、方便易得，对毒物敏感和易于在实验室培养等优点，加上它们在水域生态系统中的重要性，因而得到广泛的应用，已成为一种标准实验生物广泛地应用于水生生物毒理试验。大型水蚤毒理试验不仅可以评价工业废水、农药、化学和水中沉积物对水环境的污染，为制定各种水质标准提供科学依据；而且可以作为监测手段控制水环境的污染[5-10]。利用大型水蚤(Daphnia magna)这种国际上广泛使用的毒性测试生物，对主要金属包括Cd, Zn, Se, Ag, Ca, Hg和MeHg的水相吸收也已进行了深入的研究。
基于以上的背景，本文对水体中纳米二氧化钛存在条件下大型水蚤对铜的吸收作用进行了研究，并与纳米二氧化钛未存在时的吸收情况对比，从而达到认识纳米颗粒对重金属积累影响的目的。
1. 材料与方法
1.1 纳米TiO2材料的来源与性质
本研究所用纳米材料由南京海泰纳米材料有限公司提供，它的主要性质如表1所示。
表1 纳米TiO2的性质
型号 外观 含量（%） 平均粒径（nm） 比表面积（m2/g） 晶型/表面处理 特点说明
HTTi-01J 浆料 10% 10nm ― 锐钛型 特供客户
分散剂采用三聚磷酸钠，质量浓度为2%。加入分散剂的主要目的是湿润纳米颗粒表面，当分散剂的浓度在最佳值时，这时分散稳定程度最大，润湿最佳；当超过这一浓度时，会出现过饱和吸附的情况，固体表面的亲水性反而下降，不利于润湿和分散；当分散剂浓度不足时，不能充分润湿颗粒表面，不利于分散。
1.2 纳米二氧化钛存在对大型水蚤吸收铜的影响
水相吸收实验中，用于暴露大型水蚤的溶液是人工配制的简化M7溶液（去除了其中EDTA、重金属以及维生素成分，防止这些组分对铜的吸收产生影响，简称SM7）。
1）纳米TiO2与分散剂的配制
按照原始悬浮液质量分数10%计算，配制1 g/L的nTiO2的悬浮液备用；同时配制0.2 g/L的分散剂溶液备用。
2）65Cu的标记
根据需要的标记浓度，取一定量的65Cu标准溶液加入到的SM7溶液配制不同浓度的65Cu溶液（5，10，20，50 μg/L），用于大型水蚤的暴露，每个浓度3个平行样；
3）向烧杯中加入配制好的纳米TiO2悬浮液，稀释后浓度为2 mg/L，用NaOH调解pH到8.2~8.4（由于65Cu存在于2%硝酸介质中，酸性较强，需要NaOH中和，pH 8.2~8.4适合于大型水蚤的生长），将加标后的溶液平衡12 h；
4）实验前将出生14 d的大型水蚤放在无65Cu标记的SM7溶液中约2 h，以去除其肠道内食物的残留，同时适应新的实验环境；
5）再将大型水蚤分别放入不同浓度的65Cu的SM7溶液中（平行样3个），不提供食物，暴露总时间为12 h。大型水蚤的密度保持在10 mL/只；
6）在0点每个平行样取10只大型水蚤，然后在2，4，8，12 h处各取10只大型水蚤，用超纯水冲洗3遍，以尽量去除大型水蚤外壳上吸附较弱的65Cu，用滤纸吸干外壳表面的液体后，放入离心管内；
7）在实验过程中间（6 h），更换实验用水，以尽量减小水溶液中65Cu浓度和纳米TiO2浓度的改变；暴露前后，取一定量的溶液4.5 mL加标水样到10 mL比色管中，再加入0.5 mL 68% HNO3，测定暴露介质中65Cu浓度变化；
8）将取出的大型水蚤在80℃下烘干12 h，然后再万分之一倍分析天平上称量干重，然后放入相应标号的消解管中；
9）将大型水蚤加硝酸消解12 h至溶液澄清。消解后消解管底部可能会有一些白色颗粒物，可能是无法被酸溶解的大型水蚤的外壳；
10）消解结束后，用超纯水将溶液定容，并且摇匀，用ICP-MS（电感耦合等离子体-质谱仪）测定。
整个试验流程描述如图2所示。
同时需要说明的是，在无纳米二氧化钛存在时大型水蚤对Cu的单纯水相吸收作用的实验在早期已经完成，本文中并未列出数据。
2. 结果与讨论
2.1 水体中纳米TiO2的形貌
用透射电镜（TEM）拍摄实验所用纳米TiO2在溶液中的分散情况，效果如图3所示，可以看出在质量浓度为2%的三聚磷酸钠作用下，纳米TiO2的分散效果良好，并没有聚集成粒径较大的颗粒物质。这就很好的证明了实验结果是由纳米颗粒引起的，而不是聚集之后的大颗粒物质，这点在纳米材料研究中尤为重要。
2.2 纳米二氧化钛存在对大型水蚤吸收铜的影响
纳米二氧化钛浓度为2 mg/L时，不同Cu暴露浓度下大型水蚤体内Cu含量随时间变化的变化如图4所示。我们可以很清楚的看到，在每个暴露浓度下，大型水蚤对铜的吸收都达到了饱和，即使在最低暴露浓度5.41 μg/L下，暴露8 h之后吸收也达到了饱和，而在无纳米颗粒存在时的单纯水相吸收条件下，在暴露浓度达到110 μg/L的时候仍没有出现饱和现象，说明纳米二氧化钛的存在极大的促进了大型水蚤对铜的吸收。而且随着暴露浓度的升高，达到饱和的时间逐渐缩短，由5.41 μg/L时的大于8 h减低到64.33 μg/L时的2-4 h 之间，说明大型水蚤对铜吸收达到的饱和并不是完全由纳米材料在肠道内积累所引起的，否则由于纳米二氧化钛浓度相同，那么达到平衡的时间应该是相同的。
同时值得注意的是在暴露浓度大于11.71 μg/L之后，大型水蚤吸收达到饱和之后都有了明显的下降，究其原因我们认为是由于达到饱和之后从纳米材料上解析的铜离子的排出速度大于了大型水蚤的吸收速度。在饱和的情况下，大型水蚤的肠道内充满了纳米材料使得大型水蚤吸收纳米材料的速度变得非常缓慢，而纳米二氧化钛解析铜的速率非常快，导致其在肠道内停留时间短，进而产生了较快的排出。
为了直观的比较纳米材料存在大型水蚤对铜吸收的增加，只能取未饱和时间点来进行比较。这里我们取2 h的吸收点来与大型水蚤水相吸收铜的情况作比较，比较的结果如图5所示。可以看到纳米二氧化钛存在时大型水蚤对铜的吸收速率远远超过了单纯的水相吸收速率，两者相差一到两个数量级。
3. 结论
总之纳米二氧化钛颗粒的加入极大地促进了大型水蚤对铜的吸收，同时也促进了大型水蚤对铜的吸收平衡的提前。由此我们可以推测，由于纳米颗粒进入水体中，必然会导致进入生物体内的重金属量的增加，并因此产生更大的毒性作用。由此可见单一的水体中重金属的浓度并不能完全说明水中生物受重金属污染的状况，在进行重金属的环境监测或者标准制定时要考虑到颗粒物以及其它污染物的综合作用。同时本文也为Cu和其它重金属的生物监测提供了一定的参考。
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