Small:反思纳米TiO2安全:其对人和水生动物的毒性效应

纳米二氧化钛(Nano-TiO2)具有优良物理化学特性,包括大比表面积、高反应性和光催化活性、紫外屏蔽功能以及独特的量子和电子隧穿效应。因此,纳米二氧化钛被日益广泛地应用于各种消费产品,如化妆品和表面涂料。纳米二氧化钛通过皮肤渗透和摄入,以及纳米颗粒生产过程中的吸入,人类接触纳米TiO2的情况越来越多。此外,人类所生产的纳米TiO2很大一部分在生产和使用过程中被直接释放到环境中,或者通过污水污泥和废水处理间接释放到环境中。据统计,河流、湖泊、河口和海岸带等水生环境中的纳米TiO2的环境负荷占很大比例(~20-35%)。虽然纳米TiO2最初被归类为生物惰性材料,但越来越多的证据表明纳米TiO2对人类和非目标生物具有毒性。纳米TiO2不溶于水,其毒性机制是由于纳米TiO2与细胞表面的相互作用以及(经内吞作用内在化后)与DNA和细胞器的相互作用。此外,某些形式的纳米TiO2在紫外线照射下表现出很强的光催化活性,可同时产生过氧化氢(H2O2)。在水体中,软体动物和环节动物可以使纳米颗粒进入更深的沉积物层而不太容易被生物沉积物表面的水柱所扰动,但一些大型水生动物(如螃蟹的鱼)可能扰乱沉积物表面造成二氧化钛再悬浮和再次接触,从而导致水域生态系统安全受到更大的威胁。因此,纳米TiO2不仅可以通过直接接触和使用含纳米TiO2产品直接影响人类健康,也可以通过接触环境中释放的纳米TiO2间接影响人类健康以及水生生物的正常生理功能。由于纳米TiO2的大量生产和释放,其安全性受到越来越广泛地关注。最近已有大量的研究揭示了纳米TiO2在人类和水生生物食物链不同层次上的毒性机制。然而,全面评估纳米TiO2的不良影响需要定量的方法来客观地总结多个研究的结果,评估纳米TiO2的毒理学效应,Meta分析可以在一定程度上定量评估。作为一种分析手段,Meta分析可以系统地评估多个独立研究的结果,确定不同研究内和跨不同研究的响应变量效应大小,并对特定研究领域的现有发现进行归纳。文献计量分析可对研究现状进行可视化分析和表征,从而确定已发表文献中的关键主题和研究热点,并识别现有的知识缺口。

上海海洋大学王有基教授团队以Meta分析和文献计量学分析为主要手段,对纳米TiO2的安全性和毒性效应进行了系统分析和评估,针对纳米TiO2在环境中的“安全浓度”的阈值进行了挖掘,并探究了纳米TiO2的颗粒性质对于其毒理学效应的影响,提出了基因毒性、膜损伤、炎症和氧化应激是纳米TiO2产生毒理学效应的主要机制。此外,纳米TiO2还能与自由基和信号分子结合,干扰质膜上的生化反应。纳米TiO2对水生动物的毒性表现为对其摄食、繁殖和免疫等与健康相关的生物体性状产生负面影响。文献计量分析的结果显示纳米TiO2在毒理学领域研究的优势关键词:氧化应激、基因毒性、生态毒性和炎症。模型生物的范围包括鼠、藻类、鱼和无脊椎动物等。这反映了当前对纳米TiO2在水生环境中可能产生的生态毒理学效应有了越来越多和更加深入的研究。目前人类需要采取策略,尽量避免人类和野生动物对纳米TiO2的暴露。环境部门需要对环境政策和监管框架的现行标准进行重新评估以确定纳米TiO2不产生毒性效应的“安全”浓度。此外,减少纳米TiO2对环境和健康影响的举措应包括开发对环境友好的纳米TiO2替代品及有效地回收和利用环境纳米TiO2。本研究全面系统地阐明了纳米TiO2的毒理学效应,有助于深入认识纳米TiO2的健康和生态安全性,为纳米二氧化钛材料的毒理学研究提供了新见解,并为纳米TiO2在纳米科技发展和应用方面提供了参考。相关论文在线发表在Small (DOI: 10.1002/smll.202002019)上。