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题名: 氧化石墨烯等人工纳米材料对底栖动物( Tubifex tubifex) 和哺乳动物细胞系( Hepa细胞和 PC12细胞)的毒性研究
作者: 张盼红
学位类别: 硕士
答辩日期: 2016-11
授予单位: 中国科学院研究生院
授予地点: 北京
导师: 赵斌
关键词: 人工纳米材料,底栖动物,细胞毒性,芳香烃受体
其他题名: The toxicity study of graphene oxide and other manufactured nanomaterials on sediment invertebrate(Tubifex tubifex) and mammalian cell lines (Hepa cell and PC12 cell )
学位专业: 环境科学
中文摘要:     纳米材料由于其独特的特性,被广泛应用在生物医学,化妆品,再生能源,电子设备和环境修复等各种领域。在众多的纳米材料中,纳米金( Au-NP),氧化石墨烯纳米材料(GO)和功能化多壁碳纳米管(f-MWCNT)尤其在生物医学领域应用广泛。这些纳米材料的广泛应用使得它们可能通过工业废水排放等途径释放到环境中。水体是研究纳米材料环境过程的重要介质。一旦纳米材料进入到水体,它们会经过一系列的转化,比如溶解、聚集、成团等过程,最终沉降在底泥中,因此底泥可能会成为纳米颗粒的最终聚集场所,并可对底栖动物产生不同程度的毒性效应。另外,通过食物链的传递和放大作用,纳米材料最终会进入到动物及人体并对生态系统和人类健康带来潜在的危害。但是目前应用低等和高等的动物和细胞模型综合评价纳米材料生态毒性的研究还比较欠缺。本研究拟应用底栖模式生物及哺乳动物细胞综合评价在生物医药领域应用较为广泛的纳米材料的毒理效应。研究选择了底栖模式生物 Tubifex  tubifex进行生态毒理学研究,同时选取了不同组织来源的小鼠肝癌细胞(Hepa)和具有神经细胞特征的大鼠嗜铬细胞瘤细胞(PC12)评价纳米材料的细胞毒性,并应用实验室自行研发的芳香烃受体(AhR)报告基因生物检测系统初步探索了纳米材料对生物感受器  AhR的作用。纳米材料选择了 Au-NP,GO和  f-MWCNT.
    本研究具体内容及结果主要包含以下两个方面:
    1)研究纳米金和氧化石墨烯纳米材料对底栖动物的生态毒理效应。选用颤蚓为研究对象,对其栖息的底泥环境进行 Au-NP(4.9 ± 0.14 nm)和 GO-NPs(116± 0.05 nm)的暴露,以其规避行为,筑穴行为,生物累积量及生存率为毒性评价指标。结果表明,纳米金对颤蚓的暴露剂量在 10和60 µg/g•底泥干重范围内对其归避行为和生存率的影响是轻微的,纳米金也可以在颤蚓体内累积,并且随着暴露浓度的升高而增加。对于氧化石墨烯纳米材料,在暴露浓度为 20和 180 µg/g•底泥干重范围内对颤蚓的生存率没有影响,对其规避行为可产生轻微的影响,然而可以显著地影响其筑穴行为。而纳米金对其筑穴行为影响的环境相关性需要进一步探讨。
    2)研究了两种常用的碳纳米材料对哺乳动物细胞系的毒性效应,包括GO-NPs和 f-MWCNT。首先以 ATP产生为指标考察了纳米材料对Hepa和PC12细胞的潜在细胞毒性的剂量及时间-效应关系,随后选择典型剂量考察对细胞形态的影响,同时分析上述效应的组织差异性以及与纳米材料表面修饰的构效关系。最后通过研究纳米材料对 AhR信号通路的影响,初步探讨其细胞效应的氧化石墨烯等人工纳米材料对底栖动物(Tubifex tubifex)和哺乳动物细胞系(  Hepa细胞和PC12细胞)的毒性研究潜在机制。研究对象为羧基化碳纳米管(MWCNT-COOH),氨基化碳纳米管(MWCNT-NH2),无修饰的氧化石墨烯(GO)以及聚乙二醇修饰的氧化石墨烯(GO-PEG)。纳米材料的细胞给药浓度范围为 10-150μg/mL。结果表明,上述纳米材料对细胞ATP生成的抑制作用呈现出剂量和时间效应关系,而细胞对 GO-PEG较不敏感。与  GO-PEG相比,GO在较低浓度和较短给药时间条件下,就能显著抑制细胞的 ATP产生。在  PC12细胞中  ATP发生改变所需的时间更短;相同条件下,GO可导致PC12细胞形态发生更显著的变化,说明 PC12较Hepa对GO更敏感。而MWCNT-COOH和  MWCNT-NH2纳米材料对两种细胞的 ATP生成的影响没有明显的差别。但是与ATP结果不同,仅 GO-PEG可以激活  Hepa细胞中的  AhR,说明与 AhR的作用可能是在细胞活力没有受到影响的情况下,更为敏感的生物效应指标。
    综合上述结果,本研究发现不同种类的碳纳米材料对细胞的潜在毒性效应呈现出不同的在剂量/时间-效应关系及组织来源差异性。而对 AhR信号通路的影响是在细胞活力没有受到影响的情况下,更为敏感的生物效应指标。未修饰的氧化石墨烯在个体水平和细胞水平上均表现出一定的毒性。
英文摘要:       Engineered  nanoparticles  (ENPs)  are   widely  applied  in  diverse  fields,  such  as medicine,   cosmetics,   renewable   energy,   food   industry,   electronic   devices   and environmental  remediation.  Among   various  engineered  nanomaterials,  gold   (Au),graphene oxide  (GO)  nanoparticles and  functioned  multi-wall nanotubes  are  widely used, especially  in  medicine. The  widespread  use of  these nanomaterials  is  likely to increase  their  release  into  the environment   via  wastewater  discharges. Once   these nanoparticles  are  released  into  the  aquatic  environment,   they will   likely  undergo transformation  processes   including   dissolution,   aggregation,   agglomeration,  and eventually  settle  into  the  sediment.  Therefore,  sediment  may  become  an  ultimate reservoir  for ENPs.  As  a  result,  nanoparticles  may be  ingested  by  deposit- feeding benthic  invertebrates and  potentially be  bio-magnified  within the  food  chain, which may pose  a high  risk to  invertebrates and  higher  trophic level organisms.  However,few studies have been conducted on  the ecotoxicity of nanomaterials on organisms. In the  present  study,  sediment  invertebrate  Tubifex  tubifex   is  employed  to  study  the eco-toxicity of  Au-NPs and GO-NPs.  At the same  time, Hepa  cell and PC12 cell  are employed to  assess the  cytotoxicity of carbon  nanomaterials. Furthermore, the  effect of nanomaterials on the AhR signaling pathway is also discussed  using the AhR report gene  biological detection  system.  Au-NP, GO  and  f-MWCNT  are  employed  in the present study.
    The study  includes  the following  parts:
    1)   Evaluate  the   ecotoxicity  of  sediment   associated   gold  -   and   graphene  oxide nanoparticles  on  sediment dowelling  invertebrates  Tubifex  tubifex.  In  this  part,mortality,   behavioral   impact   (only   GO-NP)   and   uptake   (only   Au-NP)    of sediment-associated Au-NPs  (4.9 ± 0.14  nm) and  GO-NPs (116 ±  0.05 nm) to   T.tubifex  were  assessed  in a  number  of 5  day  exposure  experiments.  The results showed that the  applied Au-NP exposure (concentration ranging  from 10 to 60  µg Au/g dry weight sediment)  had  no adverse effect on T.  tubifex survival,  while Au bioaccumulation increased  with exposure  concentration. In  the  case of  GO-NPs,no mortality of  T. tubifex  was observed at a  concentration ranging from 20 to  180 µg GO /g dw sediment, whereas burrowing  activity was significantly reduced. Our results  suggest that  the  short-term  exposure of  Au-NPs  at  60  µg Au  /g  has no obvious toxic effect on  T. tubifex while  GO-NPs at 20  - 180 µg GO  /g, can cause toxicity  to   T.  tubifex   by  affecting   its   behavior.  Our   results  also   show  that burrowing behavior  is a  more sensitive endpoint when  evaluating the ecotoxicity of  nanomaterial on  invertebrates.  Further  studies should  focus  on  the  effect of Au-NP on the burrowing  behavior  of T. tubifex.
      2)   In this  part, we  focus on  the cytotoxicity  of carbon  nanomaterials (GO-NPs  and f-MWCNT) to two  different kinds of mammal cell lines (Hepa cell and PC12  cell).First, we  chose the ATP production as  an indicator to  examine the cytotoxicity of nanomaterials as a  function of dose and time.  Then, we  used the typical treatment dose to observe  the morphology of cells,  as well as to  investigate the discrepancy among  different  functioned  carbon  nanomaterials.  Finally,  we   investigated  the effect  of  nanomaterials on  the  AhR  signaling  pathway  in order  to  explore  the mechanism  of toxicity  induced  by  carbon  nanomaterials. Four  different  carbon nanomaterials   including   carboxylated    carbon   nanotubes   (MWCNT-COOH),amino carbon nanotubes (MWCNT-NH2), non-modified  graphene oxide (GO) and polyethylene  glycol-modified  graphene  oxide (GO-PEG)  with  concentrations  of 10  -  150 µg/mL  were  employed.  The  results  showed  that the  effect  of  carbon nanomaterials on  the cellular  ATP production  exhibit a dose  and time  dependent manner, whereas  the nanomaterials are  less sensitive to  GO-PEG. Compared with GO-PEG,  GO  can significantly  inhibit  ATP  production at  lower  concentrations
and shorter  time,  wherein the  less time  was needed  in PC12  cell compared  with Hepa cell.  Under the same conditions,  the morphology of PC12  cell changed a lot after GO  treatment, indicating that  PC12 is  more sensitive to  GO than Hepa cell.In  addition,  there   was  no  significant   difference  on  ATP  production  between MWCNT-COOH  and MWCNT-NH2,  whereas  only  GO-PEG could  activate  the AhR  signal  pathway   in  Hepa  cell,  suggesting   that  AhR  is  a   more  sensitive indicator  when  the cell viability  is not  affected.
     Based on  these results,  we  conclude that  the toxicity  of carbon  nanomaterials is dependent on the  dose, treatment time and  tissues. However, AhR  is a more  sensitive indicator when the  cell viability is  not affected by  nanomaterials. The  toxicity of GO exist  both in individual  and cell  levels.
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/37052
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张盼红--氧化石墨烯等人工纳米材料对底栖动物(Tubifex tubifex)和哺乳动物细胞系(Hepa细胞和 PC12细胞)的毒性研究.pdf(3167KB)学位论文--限制开放 联系获取全文

Recommended Citation:
张盼红. 氧化石墨烯等人工纳米材料对底栖动物( Tubifex tubifex) 和哺乳动物细胞系( Hepa细胞和 PC12细胞)的毒性研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2016.
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