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背景知识

什么是纳米粒子(Nanoparticles)?

根据国家纳米技术倡议(National Nanotechnology Initiative，NNI)的说法，“纳米技术就是理解和控制大小在1到100纳米(nm)范围内的物质。”因此，纳米粒子(NPs)被定义为大小约在 1至100纳米的颗粒物质(Vert等，2012)。

为什么要使用纳米粒子?

NP的小尺寸和高表面积与体积比使其成为诸如医学成像，药物输送，化妆品，服装，个人护理和过滤等许多领域的新颖应用的理想选择。目前，伍德罗˙威尔逊国际学者中心和纳米新兴技术项目(PEN)列出了2000多个纳米材料在20多个国家的消费品，其中银，碳，钛，硅，锌和金是产品中最常用的材料 (Vance等，2015)。例如，银纳米粒子(AgNPs)通常被纳入运动服装中，利用其抗菌特性来抑制气味(Ahamed等，2010)。二氧化钛纳米粒子和氧化锌纳米粒子因其透明的外观，光滑的应用和广谱的紫外线防护，常被用作防晒剂的主要防紫外线剂(Lewicka et al。2013)。

图1-1 粉底中存在的二氧化钛纳米粒子(TiO2 NPs，亮白色点) 样品：Emily C。SEM成像：Laurent H.，Jesse K.

图1-2 防晒剂中存在的氧化锌纳米粒子(ZnO NPs，亮白色点) 样品：Emily C。SEM成像：Laurent H.，Jesse K.

纳米粒子在使用中有什么问题?

当评估NP对环境或人类健康的潜在风险时，应考虑两个主要因素：接触可能性和毒性。尽管由于纳米技术的相对新颖性，纳米颗粒的长期效应在很大程度上是未知的，但许多体外和体内研究指出潜在的负面健康和环境影响。

“风险”的第一部分涉及暴露于NP下的可能性。根据PEN的说法，NPs是“健康和健身”产品中最常用的 - 占记录产品的42%(Vance等，2015)。这个类别的一些例子包括运动装，防晒霜和化妆品。例如，AgNP是抗菌运动织物上常见的涂层(Ahamed等2010); 然而，在人造汗液中培养时，已显示其会从织物中释放(Kulthong等，2010)。这表明AgNPs在运动过程中可能会脱落，很可能使AgNPs与皮肤接触。在化妆和防晒霜(图1-1和1-2)中常常发现TiO 2和ZnO NPs，它们被局部施用并且与人们长时间接触。近期的消费品中纳米材料使用量的增加导致了更高的暴露率。

纳米颗粒的小尺寸使它们在消费品中有多种用途，而因其比大型化学品更具反应性，通常毒性更大。影响毒性的因素有很多，如组成，表面特征和形状，但颗粒的大小似乎对毒性有最直接的影响。在使用大肠杆菌中测试时，当暴露于10nm以下的微波银颗粒下时，毒性会急剧增加(Ivask等，2014)。在对甲壳类动物，藻类和原生动物的另一项研究中，CuO纳米粒子显示出比微粒(即0.1微米和100微米之间的粒子)高达5000倍的毒性(Bondarenko等，2013;Vert等，2012)。

了解到纳米粒子的大小与毒性直接相关后，一些研究已经检查了常用的小(<35nm)NPs对环境和健康的影响。 ZnO纳米颗粒可以抑制常见湿地植物的根系生长(Yin et al。2012)。黑头鲰(Pimephales promelas)胚胎在暴露于不同浓度的AgNPs后会导致死亡或经历生长异常(Laban等，2010)。此外，体外研究报道了NPs对人类细胞的负面影响。 Paddle-Ledinek等人发现含AgNPs的抗菌伤口敷料对皮肤细胞(角质形成细胞)具有细胞毒性; 作者在两者接触3小时后注意到“无序”的形态学特征并且细胞增殖，生存力和代谢出现降低(2006)。徐等人也报道了20纳米的AgNPs可能会对神经元发育造成不利影响; 在NPs暴露下降低了早产大鼠神经元的细胞活力并引发了成熟大鼠神经元的变性(2013)。

随着纳米技术成为我们日常生活的一个组成部分，纳米材料及其废物将由于处置方法不足而进入，而且可能已经污染了我们的自然环境。据估计，在消费品中使用的AgNPs和TiO2纳米颗粒中约有95%会进入废水中(Mueller & Nowack 2008)。考虑到美国大部分家庭都与公共下水道相连接，Holder等人估计在美国每年有2.7吨AgNPs和229.3吨TiO2进入城市污水处理厂中(2013年)。

目前的解决方案

目前还没有专门规定NPs使用和处置的政府政策，因为世界各地的机构仍然依据现有的大宗化学品准则对其进行管理(Breggin 等，2011)。然而，最近有研究表明，与大规模化学品相比，NPs的行为有着根本性的不同，且风险显着增加。在美国，大型化学品生产每年有100公斤的生产门槛，制造商需要通知环保署其活动(美国律师协会2006)。由于纳米材料作为大宗化学品具有不同的性质，这些过时的法律允许许多公司逃避法规，向顾客出售含有NP的产品而无需监督(Holder等，2013)。

尽管需要防止NP污染，但目前的市政污水处理厂没有专门的程序去除废水中的NP。相反，纳米颗粒仍在使用传统的处理较大的颗粒的方法来进行处理：使用絮凝剂进行沉降。虽然这个过程中可以去除一些纳米粒子，但完整的纳米粒子去除尚未实现。一项对亚利桑那州污水处理厂进行监测的研究发现，尽管沉淀过滤对大型集料(72%的去除率)有效，但大多数小型二氧化钛纳米颗粒(41%去除率)仍然可以通过污水处理厂进入下游的主要水系统中去(Kiser 等，2009)。

原标题：去除污水中的纳米粒子-台北美国学校2017 iGEM项目简介

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