氢氧化镁纳米片对六价铬细胞毒性的修复作用研究

摘要

六价铬Cr(Ⅵ)是一级人类致癌物，其广泛应用及大规模生产，造成了严重的环境污染。Cr(Ⅵ)可以通过呼吸道、消化道、皮肤等途径侵入人体，引起肝衰竭、肾衰竭以及呼吸、生殖等系统毒性。细胞层面研究认为，Cr(Ⅵ)通过“摄入-还原”模型，在细胞代谢还原过程中产生氧化应激，引起核酸和蛋白质损伤，诱导细胞凋亡和周期阻滞，甚至引发癌变。纳米氢氧化镁是一种环境友好型吸附剂，已经被应用于水体中重金属离子的处理，如六价铬的治理。在吸附Cr(Ⅵ)之后，氢氧化镁可经过处理被回收再利用，而铬盐可以被浓缩富集重新用于工业生产。但是纳米材料不可避免地与重金属离子产生共同的环境暴露。由于纳米材料粒径很小，容易在环境中迁移，不易沉降等特性，促进了所吸附污染物的环境转运。重金属污染物在被纳米材料吸附后，可能同时具备了二者的性质，其环境行为和生物效应可能发生改变，给整个生态环境带来未知的威胁。目前有关纳米材料和重金属共同暴露的生物学效应研究主要集中于探讨纳米材料对重金属离子在水生生物中积累的促进及毒性的协同效应，而在细胞层面的机制研究几乎空白。此外，对于纳米材料与重金属吸附复合物的生物行为及效应尚不明确。本课题组的前期研究发现，片状纳米材料难以被细胞摄入。基于此，本课题提出科学假设:氢氧化镁纳米片难以通过内吞作用被细胞摄入，因此利用氢氧化镁纳米片吸附六价铬可以降低六价铬的细胞摄入，从而降低铬引起的细胞毒性。
　　 本课题通过化学沉淀法合成氢氧化镁纳米片，并用氢氧化镁纳米片吸附重铬酸盐，形成Mg(OH)2/Cr(Ⅵ)纳米复合物。二者均为粒径约62nm，厚度8.5nm的纳米片。且在细胞培养液中，纳米材料以吸附蛋白的分散状态存在。随后以氢氧化镁纳米片吸附重金属污染物Cr(Ⅵ)为模型，以HEK293和HepG2为研究对象，探究氢氧化镁纳米片是否会影响重金属离子Cr(Ⅵ)对细胞的生物效应。主要从三个方面展开:第一，定量研究纳米氢氧化镁吸附Cr(Ⅵ)后，对Cr(Ⅵ)离子进入细胞能力的影响。该部分引入阴离子通道抑制剂，屏蔽纳米材料上游离出的Cr(Ⅵ)离子的细胞摄入，从而更准确地研究纳米氢氧化镁吸附铬的复合物如何进入细胞。第二，对比研究吸附在氢氧化镁纳米片上的Cr(Ⅵ)与等量游离Cr(Ⅵ)离子对两种高等生物细胞的表观毒性。同样引入离子通道抑制剂研究纳米氢氧化镁吸附铬的复合物本身对细胞的毒性。第三，依据Cr(Ⅵ)离子的致毒机理，从氧化应激、细胞周期阻滞和细胞凋亡三个方面深入研究Mg(OH)2/Cr(Ⅵ)纳米复合物造成细胞毒性的原因。实验发现，Mg(OH)2/Cr(Ⅵ)纳米片难以通过内吞方式进入细胞，吸附在纳米氢氧化镁上的Cr(Ⅵ)难以再通过扩散作用进入细胞。因此，被吸附后的Cr(Ⅵ)的细胞摄入量、相应的氧化应激及细胞毒性效应均明显降低。Nano-Mg(OH)2/Cr(Ⅵ)复合物本身并不引起明显的氧化应激和细胞毒性。
　　 本课题从细胞水平对纳米材料的环境修复行为进行了安全性评价，证明氢氧化镁纳米片可以作为安全有效的吸附剂用于环境污染物治理。从理论上阐释了片状纳米材料可以通过改变重金属污染物的细胞摄入方式，达到降低其毒性的作用。片状纳米吸附剂可以作为理想的环境吸附剂模型。鼓励纳米材料与污染物的吸附-解吸附行为在高等生物体的生物效应中做进一步研究。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 前言

1．1 引言

1．2 重金属铬盐的环境暴露及生物毒性

1．2．1 铬的环境暴露风险

1．2．2 六价铬的毒性机制研究

1．3 纳米氢氯化镁用于Cr(Ⅵ)污染物的环境修复

1．3．1 重金属污染物治理现状

1．3．2 纳米氢氧化镁吸附剂的应用研究

1．4 纳米材料影响重金属污染物生物效应的研究

1．5 本课题的研究目的及意义

第二章 Nano-Mg(OH)2和Nano-Mg(OH)2／Cr(Ⅵ)的制备及表征

2．1 引言

2．2 实验材料和仪器

2．3 实验方法

2．3．1 纳米氢氧化镁的制备

2．3．2 纳米氢氧化镁吸附重铬酸盐制备Nano-Mg(OH)2／Cr(Ⅵ)

2．3．3 纳米材料的形貌及粒径表征

2．3．4 纳米材料的物相结构表征

2．3．5 纳米材料的电性及分散稳定性表征

2．3．6 Mg(OH)2的溶解及铬解吸附平衡的研究

2．4 结果与讨论

2．4．1 纳米材料的形貌及粒径分析

2．4．2 纳米材料的电位及分散稳定性分析

2．4．3 纳米材料的晶相分析

2．4．4 铬的吸附和解吸附分析

2．5 结论

第三章 氢氧化镁纳米片对六价铬细胞摄入及生物效应的影响

3．1 引言

3．2 实验试剂及仪器

3．3 实验方法

3．3．1 细胞培养

3．3．2 细胞实验给药设计

3．3．3 纳米氢氧化镁对铬(Ⅵ)细胞摄入的影响研究

3．3．4 纳米氢氧化镁对铬(Ⅵ)引起细胞毒性的影响

3．3．5 游离态铬与吸附态铬的氧化应激效应比较

3．3．6 统计分析

3．4 结果与讨论

3．4．1 Mg(OH)2和Mg(OH)2／Cr(Ⅵ)纳米片的细胞摄入

3．4．2 细胞毒性分析

3．4．3 氧化应激效应研究

3．5 结论及展望

附录

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文