納米與環(huán)境 跨界科研正當(dāng)時(shí)
——記同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院教授林思劼

本刊記者 李明麗

納米，對于老百姓來說已經(jīng)不是一個(gè)陌生的詞語了。在近30年的飛速發(fā)展中，人們?nèi)找婕由盍藢λ牧私猓苍谥饾u改變?nèi)藗兊纳睢６诳蒲蓄I(lǐng)域，每一次關(guān)于納米技術(shù)的探索，都是人類深入微觀世界的一次進(jìn)步。

隨著關(guān)于納米材料的研究逐漸深入，它們在環(huán)境方面的應(yīng)用也受到了廣泛關(guān)注。其中，在水凈化系統(tǒng)、光轉(zhuǎn)能材料、靶向藥物載體等方面，都具有廣闊的應(yīng)用前景。與此同時(shí)，納米材料進(jìn)入環(huán)境后或在使用過程中對環(huán)境和人類健康的潛在負(fù)面影響也引發(fā)了人們思考。

如何深入了解納米材料物理化學(xué)性質(zhì)，及其與環(huán)境健康效應(yīng)間的聯(lián)系，是關(guān)乎納米科技可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)問題。這些問題的解決將為安全性納米材料的設(shè)計(jì)和廣泛應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，將避免人類發(fā)展過程中反復(fù)經(jīng)歷的“先發(fā)展、后治理”的畸形老路，這也和“生態(tài)文件建設(shè)”的理念高度一致。為此，記者專訪了同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院教授林思劼，聽他講述納米與環(huán)境相關(guān)研究的那些事兒。

十年磨一劍

從2001年到2010年——新世紀(jì)的前10年，林思劼是在深耕材料科學(xué)與工程學(xué)科中度過的。同濟(jì)大學(xué)學(xué)士、美國克萊姆森大學(xué)碩士和博士，名校的光環(huán)并沒有遮掩他的光芒，而是將嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)作風(fēng)、代代傳承的精神氣韻注入了他的氣質(zhì)之中。

當(dāng)這位80后教授以科普般的語態(tài)講解他的科研領(lǐng)域時(shí)，記者深受感染——不僅是一種胸懷大學(xué)問的儒雅，更有那周身散發(fā)的沉穩(wěn)和謙遜。

同濟(jì)大學(xué)的4年本科學(xué)習(xí)，給潛心鉆研的林思劼打下了良好的基礎(chǔ)，也開啟了他深入這一學(xué)科進(jìn)行科研工作的大門。2005年，林思劼申請到了美國克萊姆森大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)科的深造機(jī)會(huì)，攻讀碩士和博士學(xué)位，跟隨導(dǎo)師Pu-Chun Ke從事科研工作，并確立了自己的科研方向。獲得博士學(xué)位后，林思劼來到美國加州大學(xué)洛杉磯分校納米科技環(huán)境影響中心，任博士后研究員，師從納米毒理學(xué)先驅(qū)André Nel教授。其研究方向主要集中于運(yùn)用多種環(huán)境生物模型發(fā)展高通量安全性篩選平臺(tái)來研究納米材料對環(huán)境健康的影響及安全性評價(jià)，在加州大學(xué)洛杉磯分校工作期間，林思劼以優(yōu)異的科研成就獲得UCLA校長獎(jiǎng)?lì)}名。

在海外攻博及工作的10年間里，林思劼取得了許多創(chuàng)新性的科研成果，在相關(guān)領(lǐng)域具有較顯著的影響。其主持的一系列項(xiàng)目獲得重要進(jìn)展；在ACS Nano、 Accounts of Chemical Research、ES&T和Small等納米生物領(lǐng)域的頂尖雜志發(fā)表了30余篇學(xué)術(shù)論文；作重要國際會(huì)議學(xué)術(shù)報(bào)告20余次，其中包括了在美國環(huán)境與健康協(xié)會(huì)年會(huì)上關(guān)于納米環(huán)境安全性評價(jià)的特邀報(bào)告，在美國國家科學(xué)基金關(guān)于納米環(huán)境影響的特邀報(bào)告，在美國環(huán)保局關(guān)于納米環(huán)境安全性評價(jià)的特邀報(bào)告，在材料研究協(xié)會(huì)年會(huì)關(guān)于碳納米材料環(huán)境影響的特邀報(bào)告，以及在美國、芬蘭、瑞典三國組織的納米材料生物效應(yīng)研討會(huì)上的特邀報(bào)告……

圖像識(shí)別與自動(dòng)化機(jī)器手聯(lián)用可以實(shí)現(xiàn)高通量斑馬魚胚胎的篩選

置身納米世界

人們常說，最好的科研成果，就是能改變這個(gè)世界的。對于科研工作者來說，終極追求不也是改變這個(gè)世界，讓它朝著更美好的方向發(fā)展嗎？

在林思劼的徐徐講述下，記者感受到了這樣一個(gè)微觀至極，卻又十分有趣的納米世界。而這些年，他的代表性學(xué)術(shù)成果，足以讓他所研究領(lǐng)域的這個(gè)微觀世界變得更清晰、更安全。

說起林思劼的科研成果——最為人所稱道的，應(yīng)該就是他首次指出了碳納米材料的尺寸對其在植物體內(nèi)的攝取，傳輸及效應(yīng)的影響。通過研究天然水體中富含的有機(jī)質(zhì)對碳納米材料的相互作用，他成功闡述了自然界中有機(jī)質(zhì)對碳納米材料在水相中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。并通過使用植物稻米，作為研究碳納米材料生物效應(yīng)的模式生物，詳細(xì)闡述了富勒烯材料在植物體內(nèi)的傳輸特性。這一發(fā)表于Small雜志上工作，已成為研究納米材料植物效應(yīng)的經(jīng)典參考文獻(xiàn)，作為ESI高倍引論文已他引360余次。

此外，在博士后研究階段，林思劼成功創(chuàng)建了“以斑馬魚為環(huán)境生物模型的首個(gè)高通量納米安全性評價(jià)平臺(tái)”。他不僅首次建立斑馬魚高通量篩選平臺(tái)，有效地提高了應(yīng)用斑馬魚模型進(jìn)行環(huán)境健康效應(yīng)研究的效率，還一次性研究了至今為止最多的納米金屬氧化物顆粒；首次證實(shí)了金屬氧化物納米顆粒影響斑馬魚卵孵化成功率的分子機(jī)理，為將來預(yù)測未知含金屬納米顆粒的環(huán)境安全性提供了理論指導(dǎo)，也為改善金屬納米顆粒安全性提供了依據(jù)。結(jié)果發(fā)表于ACS Nano和Small雜志上，隨后受到ScienceDaily和Nanowerk等多家專業(yè)媒體的關(guān)注和報(bào)道，美國環(huán)保局負(fù)責(zé)人Lisa Jackson還特意造訪并觀看了該項(xiàng)高通量平臺(tái)的現(xiàn)場操作。

提起“斑馬魚平臺(tái)”，林思劼的話匣子也打開了：“納米材料的生物安全性以及環(huán)境影響是關(guān)系納米科技可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)性和關(guān)鍵性問題。納米材料是否會(huì)成為一種新型環(huán)境污染物的問題受到了多學(xué)科領(lǐng)域的廣泛關(guān) 注。迄今為止，通過模式生物的使用，人們對納米材料的環(huán)境健康效應(yīng)有了初步了解。而斑馬魚模型的使用，也在很大程度上加快了對多種納米材料的毒性篩選和毒理研究工作。然而，由于在不同研究中所使用的斑馬魚發(fā)育階段以及毒性測試方法的差異，出現(xiàn)了很多相互矛盾的研究結(jié)論，導(dǎo)致人們對納米材料的潛在環(huán)境健康效應(yīng)的認(rèn)識(shí)不夠全面。因此，我們打算繼續(xù)在之后的項(xiàng)目中串聯(lián)使用不同發(fā)育階段的斑馬魚模型，以具有代表性的碳納米管、石墨烯、納米金和納米銀顆粒為研究對象，圍繞材料尺寸、形狀、表面電荷、溶解性對材料物理化學(xué)性質(zhì)與其安全性間的聯(lián)系展開系統(tǒng)深入探討。”

除了“斑馬魚平臺(tái)”的設(shè)計(jì)組建，這些年，林思劼在納米材料與環(huán)境影響關(guān)系研究方面可謂建樹頗多：首次建立了納米材料形狀特性(寬高比aspect ratio)與其生物效應(yīng)的密切聯(lián)系，精確指出了納米材料的臨界寬高比數(shù)值為22，高于此數(shù)值的納米材料將具有環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)；通過精細(xì)控制CeO2的寬高比，首次得出納米材料形狀特性對斑馬魚模型發(fā)育的影響，從而對納米材料寬高比特性對其環(huán)境健康效應(yīng)方面的影響有了清晰全面的理解；成功利用單壁碳納米管的光學(xué)特性及疏水性表面對其運(yùn)輸磷脂分子進(jìn)入動(dòng)物細(xì)胞可行性進(jìn)行了詳細(xì)的解析；通過結(jié)合廢水處理的模擬分析，以及斑馬魚高通量安全性評價(jià)的優(yōu)勢，證實(shí)了傳統(tǒng)水處理過程能夠有效降低含銅納米材料的環(huán)境負(fù)面影響，突破了以往一貫采取的毒性檢測手法，解答了納米材料對環(huán)境生物的潛在影響。

與課題組成員一起

跨界科研碰撞的火花

考慮到林思劼“在納米環(huán)境健康等方面做出了有影響力的工作；在發(fā)展高通量環(huán)境安全性評價(jià)方法學(xué)等方面也取得了一系列研究成果；這些創(chuàng)新性研究正是國家發(fā)展的重大需求”，2016年1月，同濟(jì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院以“青年千人計(jì)劃”特聘教授崗位邀其回國工作。

對于林思劼來說，回國工作是他一直以來的愿望，無論從情感上，還是從科研工作開展的角度考慮，母校同濟(jì)大學(xué)都是最好的選擇。對于同濟(jì)大學(xué)來說，作為環(huán)境學(xué)科的傳統(tǒng)優(yōu)勢方向，環(huán)境健康及安全的相關(guān)研究近年來開展得如火如荼，而林思劼掌握的“斑馬魚高通量篩選平臺(tái)”則是該方向研究的有力補(bǔ)充。

深入了解納米材料的物理化學(xué)特性，以及其在環(huán)境中起到的有利或不利影響的聯(lián)系，是林思劼回國后的科研工作重點(diǎn)。林思劼說，圍繞這一主要研究方向和思路，他未來的研究工作將由生物納米的相互作用、高通量環(huán)境安全性評價(jià)平臺(tái)以及設(shè)計(jì)創(chuàng)造環(huán)境友好型納米材料這3個(gè)工作目標(biāo)組成。

“探索納米材料的環(huán)境應(yīng)用潛力或負(fù)面影響的可能性，都取決于在根本上理解納米與生物體的相互作用。生物納米的相互作用可發(fā)生在多個(gè)層面。”林思劼介紹道，“首先，理解納米與生物分子的相互作用，可以幫助探索納米材料用于水處理或環(huán)境感應(yīng)的潛力，其在水凈化和環(huán)境監(jiān)測上都會(huì)起到促進(jìn)作用；其次，深入理解納米材料與細(xì)胞的相互作用，將有助于發(fā)展綠色安全的納米材料，以用于藥物載體或生物顯影劑等；最后，理解納米材料與有機(jī)體的相互作用，將有助于探索納米材料的生物環(huán)境效應(yīng)?！?/p>

與此同時(shí)，隨著納米科技的持續(xù)發(fā)展，納米材料的種類和數(shù)量將成指數(shù)增長。使用傳統(tǒng)的安全性評價(jià)方法已經(jīng)無法趕上納米材料的合成速度。而納米材料的潛在負(fù)面影響將成為納米材料商品化的主要障礙。因此，設(shè)計(jì)并組建高通量篩選平臺(tái)，對加快納米材料的安全性評價(jià)具有重要意義。

帶著這一系列研究成果，林思劼及其團(tuán)隊(duì)希望為如何通過調(diào)控納米材料性質(zhì)、達(dá)到降低環(huán)境負(fù)面影響的目標(biāo)提供研究思路，為下一步實(shí)現(xiàn)納米材料的環(huán)境安全性預(yù)測奠定基礎(chǔ)。而跨界科研碰撞出來的火花，也定將絢麗燦爛！