2017, Vol. 36文章信息
- 李金丽, 李梦婷, 黄兵, 王振红, 罗专溪
- LI Jin-li, LI Meng-ting, HUANG Bing, WANG Zhen-hong, LUO Zhuan-xi
- 亚砷酸盐提高藻与蚤培养基下纳米二氧化钛的稳定性
- Arsenite enhance the stability of nano-TiO2 in aquatic culture media for freshwater algae and daphnia
- 农业环境科学学报, 2017, 36(2): 376-381
- Journal of Agro-Environment Science, 2017, 36(2): 376-381
- http://dx.doi.org/10.11654/jaes.2016-1031
文章历史
- 收稿日期: 2016-08-11
2. 中国科学院城市环境研究所环境与健康重点实验室, 福建 厦门 361021
2. Key Laboratory of Urban Environment and Health, Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences, Xiamen 361021, China
近年来，随着纳米技术的飞速发展，工程纳米材料大量生产、使用及排放引起了人们极大的关注。nTiO2是最重要的纳米材料之一，由于其特殊的理化性质（超微性、紫外吸收性和高效光催化活性）被大量生产和广泛使用[1-2]。据估计，2006-2010年nTiO2的产量约为5000 t·a-1，2011-2014年约为1万t·a-1，到2025年将高达250万t [3-4]，大量的生产和使用，将使其通过空气沉降、地表径流、污水排放直接或间接地进入水环境[5-6]。nTiO2在淡水水体中浓度数量级从ng·L-1到μg·L-1不等，当有污染源时可达15 μg·L-1 [7]。已有研究证明，nTiO2对水体中常见的月牙藻、网纹蚤、大型水蚤[8]、浮游植物[9]均有毒性。nTiO2还会改变水环境中其他污染物的行为进而影响其生物效应，Rosenfeldt等[10]的研究表明，水环境中的nTiO2能够增加银（Ag）对大型蚤的毒性，也能够作为载体增加大型蚤体内Ag的累积量。因此，全面了解纳米二氧化钛在特定水环境中的行为特征对于其风险评价具有重要意义。
砷（As）是普遍存在于环境中的有毒类金属元素，由于其难降解性、较强的生物毒性、生物累积性和生物放大作用，砷污染事件一直备受关注[11]。虽然在河流湖泊等地表淡水中砷的类型主要以砷酸盐（以As（Ⅴ）表示）为主，As（Ⅲ）的含量则较低，但As（Ⅲ）比As（Ⅴ）具有更大的毒性（60倍）、更好的溶解性以及迁移性，且水体中氧化还原条件、生物活动的改变以及含As废水的排入都将改变水体中As（Ⅴ）与As（Ⅲ）的比例[12]。例如，As污染严重的阳宗海中As（Ⅲ）的含量介于20.89~30.44 μg·L-1，平均值为25.55 μg·L-1，约占溶解态的32%[11]；另外，在湖泊中As（Ⅴ）和As（Ⅲ）的分布呈现分层现象，处于好氧状态的表层水以As（Ⅴ）为主，而厌氧状态的深层水则以As（Ⅲ）为主[13]。当这些淡水水体中的As（Ⅲ）被浮游动物摄入后，可能会随着食物链的传递进入人体而对人类健康构成威胁。因此，淡水环境中As（Ⅲ）的生物效应也值得关注。
nTiO2对As（Ⅲ）具有吸附作用[14]，可作为污染物运输载体携带As（Ⅲ）进入水生生物体内[10]，但nTiO2对这一污染物运输能力受其在水环境中稳定性的影响。nTiO2进入水体后的行为特征、对其他污染物的影响能力又与环境因素（离子强度、离子类型、pH值）密切相关[15]。由于缺乏As（Ⅲ）如何影响nTiO2稳定性的研究，不利于nTiO2与As相互作用机制的阐述，不利于对二者相互作用风险的理解。淡水藻和大型蚤在水生生态系统中为主要的生产者和初级消费者，对环境中污染物的分布、传递和循环起重要作用，且两者均广泛用于水生生物毒理试验。因此，本文选择这两种受试生物的特定培养基及超纯水（对照）为介质来探讨As（Ⅲ）对nTiO2稳定性的影响，对于As（Ⅲ）和nTiO2的水环境风险评价具有重要意义。
1 材料与方法 1.1 材料与试剂实验所用nTiO2（粒径小于25 nm，晶型100%为锐钛矿型）购买于Sigma-Aldrich公司，纯度＞99%。在分析天平上称取0.167 g的nTiO2粉末，将其分散于100 mL超纯水中并超声20 min（50 W·L-1，40 kHz），配制成1 g·L-1（以Ti计）的nTiO2悬浮液，每次实验前超声30 min（50 W·L-1，40 kHz）。在分析天平上称取1.299 2 g NaAsO2溶于100 mL超纯水中，配制成7.5 g·L-1 As（Ⅲ）储备液，置于4 ℃的冰箱中保存，每次实验前采用逐级稀释的方法来配制所需As（Ⅲ）浓度。其他化学试剂均为优级纯。培养基BG11和SM7根据OECD方法配制[16]，两种培养基性质如表 1所示。
分别从As（Ⅲ）、nTiO2储备液中吸取不同体积的液体加入超纯水、BG11、SM7中，配制成As（Ⅲ）浓度为0、75、750、7500 μg·L-1以及nTiO2浓度为2、10、20 mg·L-1的混合液，混合体系现配现用，配制后立即上机测定。在实验过程中，放置样品的离心管均用铝箔纸包裹（避光），每个样设置三个平行。
1.2 nTiO2的分散和沉降实验nTiO2分散在三种混合体系中的粒径和Zeta电位采用纳米粒度-Zeta电位分析仪（ZetasizerNano，英国Malvern公司）测定。通过紫外可见分光光度计（UV-2450，日本津岛公司）于219 nm下测定24 h内混合体系吸光度的变化，根据不同时刻吸光度A与初始吸光度A0的比值判断As（Ⅲ）对nTiO2沉降性能的影响，比值越小说明越容易团聚和沉降，稳定性越低。
1.3 数据分析实验结果均为3次平行数据的平均值和标准差。实验数据采用统计软件PASW SPSS Statistics 18进行单因素方差分析（ANOVA）和Pearson相关关系分析，采用OriginPro 8.0作图。
2 结果与讨论 2.1 nTiO2的分散nTiO2在BG11、SM7和超纯水中的SEM图如图 1所示。nTiO2在超纯水中分散状态更好，粒径稳定在200 nm；nTiO2在BG11和SM7中更容易团聚，粒径稳定在500 nm和600 nm，且团聚得更紧实，表面更光滑。
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| 图 1 nTiO2在超纯水(a)、BG11(b)、SM7(c) 中的SEM图 Figure 1 SEM images of nTiO2 Nanoparticles dispersed in Ultra-pure water (a), BG11(b), SM7(c) |
根据表 2，nTiO2浓度为20 mg·L-1时，加入不同浓度As（Ⅲ）后，nTiO2在三种介质中的Zeta电位值发生了显著改变。随着As（Ⅲ）浓度的增加，nTiO2 Zeta电位绝对值显著增加（P < 0.05），相对于BG11和SM7，nTiO2分散在超纯水中的Zeta电位绝对值更高，说明在超纯水中分散状态更好，体系更稳定，在SM7和BG11中则更容易团聚。
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众所周知，在水溶液中，Zeta电位是反映粒子之间排斥力大小的一个重要参数，对胶体的分散和沉降性能产生很大影响。Zeta电位绝对值越低，悬浮颗粒表面的电荷密度越低，悬浮颗粒越容易发生团聚和沉降；相反，Zeta电位绝对值越高，颗粒表面的电荷密度越高，颗粒表面高电荷密度使颗粒之间产生较大的静电排斥力，使悬浮体保持较高的稳定性。相比于BG11和SM7，nTiO2在超纯水中的Zeta电位绝对值最高，稳定性也最强。另外，由表 2可知，当As（Ⅲ）浓度相同时，初始浓度为20 mg·L-1的nTiO2在三种介质中Zeta电位有较大差异，超纯水中Zeta电位的绝对值远大于在BG11和SM7中。这可能是因为BG11和SM7中的离子强度较高而引起的[17-18]（表 1），体系离子强度越高，nTiO2越容易团聚，稳定性越差。根据Zeta的DLVO理论，悬浮液中胶体的稳定性是由两种力的合力来决定的：即能够使胶体保持分散状态的静电斥力和促使胶体团聚的范德华引力[19]。当电解质溶液中离子强度较低时，例如在超纯水中，粒子表面的能量壁垒较高，颗粒之间很难克服能量壁垒相互团聚，此时范德华引力较弱，静电斥力占主导地位，两者的合力为斥力，颗粒处于较分散状态；随着电解质溶液中离子强度增加，双电层被压缩，能量壁垒逐渐减小，粒子之间阻力降低，此时范德华引力增大，颗粒开始团聚。因此，可观察到nTiO2在离子强度较高的BG11和SM7培养基中大量团聚。这与Shih等[20]的结论相似，培养基中盐类的加入减小nTiO2悬液的Zeta电位绝对值，悬液稳定性显著降低。
20 mg·L-1 nTiO2在不同As（Ⅲ）条件下pH值如表 2所示。可看出随As（Ⅲ）浓度增加，三种体系中pH值逐渐增大，且不同浓度As（Ⅲ）下三种体系的pH值均高于nTiO2的等电点（pHpzc=6.5），体系稳定性也逐渐增大。这可能与nTiO2颗粒在不同pH条件下的表面电荷有关。当pH值接近nTiO2的等电点时，其表面电位接近0 mV，颗粒容易团聚；随着pH值的增大，表面电位逐渐远离等电点，颗粒带电量增多，悬液中的排斥力相应增大[19, 21]，稳定性逐渐增强。
2.2 nTiO2的沉降当不同浓度nTiO2分散在超纯水、BG11和SM7中时，均发生不同程度的团聚和沉降（图 2）。在前4 h，团聚和沉降较为明显；12 h后逐渐达到平衡，且只观察到轻微的团聚和沉降；nTiO2在超纯水中稳定性最好，在SM7中最容易沉降，这一结论也可通过相应体系中Zeta电位绝对值得出。另外，前4 h内2、10、20 mg·L-1 nTiO2在BG11中的分散情况相似，在超纯水中差异较大，可能是由BG11中较高的总溶解固体量而引起，此时nTiO2稳定性受总溶解固体影响较大，4 h后nTiO2稳定性主要受其初始浓度影响。这说明沉降介质总溶解固体量、离子强度，离子类型、pH是影响nTiO2稳定性的主要因素。
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| 图 2 75 μg·L-1 As (Ⅲ) 下不同浓度nTiO2的沉降情况 Figure 2 Sedimentation of nTiO2 nanoparticles with different concentration under arsenite concentration of 75 μg·L-1 |
As（Ⅲ）浓度为75 μg·L-1时，nTiO2在三种介质中的粒径均随着其初始浓度（2~20 mg·L-1）的增加而增大，团聚程度、沉降速率、粒径逐渐增大，粒径范围分别为137~191 nm、210~473 nm和311~513 nm（图 3）。这说明nTiO2的初始浓度是影响其稳定性的又一重要因素，与Brunellit等[22]的研究结论一致。Tan等[16]研究了nTiO2分散在SM7中的粒径，发现随着nTiO2浓度从0.5 mg·L-1增大到2 mg·L-1时，粒径从189.0 nm增至266.1 nm；Seitz等[23]考察了P25 nTiO2分散在ASTM培养基中粒径，发现nTiO2的粒径超过1000 nm；Lin等[24]研究了浓度为100 mg·L-1的nTiO2在与BG11类似的培养基中的分散状况，发现nTiO2的粒径为940 nm。这些结果说明，即使nTiO2分散在同种培养基中，它的分散、团聚和沉降情况也与很多因素有关，如来源、结构、浓度以及实验者的差异，从而为以后比较nTiO2的毒性差异提拱了更多的理论依据。
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| 图 3 75 μg·L-1 As (Ⅲ) 下不同浓度nTiO2的粒径 Figure 3 Size changes of nTiO2 with different concentration under 75 μg·L-1 arsenite |
As（Ⅲ）对nTiO2稳定性的影响结果如图 4和图 5所示。随着As（Ⅲ）浓度的增加，nTiO2在三种介质中的沉降速率显著（P < 0.05）降低（图 4），粒径逐渐减小（图 5），说明As（Ⅲ）显著减小nTiO2的团聚程度和粒径，即增强nTiO2的稳定性。nTiO2初始浓度一定时，随着As（Ⅲ）浓度的增加，Zeta电位绝对值显著增加，pH值逐渐增大而远离nTiO2等电点，表明nTiO2稳定性增强。这可能是因为As（Ⅲ）通过显著改变介质的Zeta电位和pH值而改变nTiO2的稳定性；也可能是nTiO2对As（Ⅲ）的吸附作用，研究表明nTiO2对As（Ⅲ）具有一定的吸附能力，且吸附能力随pH增大而增大[25]。本实验中三种介质的pH值均小于9.1，此时nTiO2表面带负电荷，As（Ⅲ）在溶液中主要以非离子状态的中性物质氢氧化砷[As（OH）3]存在，nTiO2对As（Ⅲ）的吸附量大为降低，吸附复合物内层的负电荷是由于As（Ⅲ）增加nTiO2表面羟基的去质子化作用而形成，这些负电荷会增加纳米颗粒间的静电斥力使其处于较为稳定的状态。因此，随着As（Ⅲ）浓度增加，nTiO2颗粒间的静电斥力逐渐增强，在体系中的稳定性也逐渐增强；同时，nTiO2表面吸附氢氧化砷后会产生较强的空间位阻而提高nTiO2的稳定性[26-27]。
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| 图 4 20 mg·L-1 nTiO2在不同As (Ⅲ) 浓度下的沉降情况 Figure 4 Sedimentation of TiO2 nanoparticles with 20 mg·L-1 under different arsenite concentration |
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| 图 5 20 mg·L-1 nTiO2在不同As (Ⅲ) 浓度下的粒径 Figure 5 Effect of arsenite concentration on nTiO2 nanoparticles (20 mg·L-1) dispersion |
由于特殊的理化性质，进入水环境的nTiO2将会对水生生态系统造成不可忽视的影响。已有研究表明，nTiO2的吸附作用使其能够作为水体中其他污染物的载体而进入生物体内，提高污染物的生物有效性[28-30]。Yang等[31]的研究表明nTiO2能够作为镉的载体而影响其对水生生物的毒性和体内累积量；Sun等[32]的研究则表明在水相中nTiO2能够吸附大量As后促进鲤鱼对As的累积；Tan等[16]得出了相似的结论，其研究表明大型蚤对于吸附在nTiO2上的镉（Cd）和锌（Zn）具有更高的摄入量和较低的排泄量。当水环境中同时存在As和nTiO2两种污染物时，nTiO2稳定性的提高将可能促进生物对nTiO2-As这一共存污染物的利用而增加As的生态风险。因此，研究nTiO2在特定环境中的行为特征对于其全面的风险评价具有重要意义。
3 结论（1）分散介质中离子强度的高低、pH值均能够影响纳米颗粒的团聚和沉降。离子强度越高，nTiO2颗粒越容易团聚，相应的粒径也越大，因而越容易沉降；pH值越远离nTiO2等电点，nTiO2越稳定。
（2）nTiO2的稳定性与As（Ⅲ）浓度显著正相关。nTiO2稳定性的提高将可能促进生物对As的利用而增加As的生态风险，研究nTiO2在特定环境中的行为特征对于其全面的风险评价具有重要的意义。
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