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一、、、、奈米碳管奈米碳管奈米碳管奈米碳管
奈米碳管具有獨特的電子、化學及物理特性，這些特性使它在不同領域上被廣泛的應用。
舉例來說，許多建材用的材料、航太用材料、醫藥及其他相關應用皆使用含有奈米碳管的聚 合材料。奈米碳管主要有有兩種型態，其一是直徑為數奈米的單層石墨柱狀體，稱為單壁奈 米碳管；另一種是包含2-30層且具有30-50 nm外徑的同心圓柱石墨，稱為多壁奈米碳管。奈 米碳管的長度分佈範圍為10 nm-數十微米。許多學者已針對奈米碳管的應用進行研究，然而 對於奈米碳管釋放到環境後所產生的負面影響相關研究仍不足。
生物累積及土壤及底泥中的生態毒性 生物累積及土壤及底泥中的生態毒性 生物累積及土壤及底泥中的生態毒性 生物累積及土壤及底泥中的生態毒性
為了瞭解奈米碳管對於蚯蚓的生物累積特性，Petersen et al. (2011a)利用含有碳標籤(14C) 且表面塗敷聚乙烯亞胺(polyethyleneimine)之多壁奈米碳管對蚯蚓進行生物累積實驗。碳標籤 及無標籤的多壁奈米碳管首先經由化學催化蒸氣沈降法進行催化後再利用鹽酸將其純化。之 後多壁奈米碳管再利用 HNO3/H2SO4=3:1 的比例進行酸化，並用濾紙過濾再以去離子水清洗。
酸 化 過 後 的 多 壁 奈 米 碳 管 再 經 由 亞 硫 醯 氯 (thionyl chloride) 及 二 甲 基 甲 醯 胺 (anhydrous N,N-dimethylformamide)處理後將乙烯亞胺架接到多壁奈米碳管上。最後再利用醋酸酐(acetic anhydride)及丁二酸酐(succinic anhydride)將聚乙烯亞胺多壁奈米碳管合成為乙醯-聚乙烯亞胺 多壁奈米碳管及丁二酸-聚乙烯亞胺多壁奈米碳管。
此研究的生物累積實驗是利用修改過後的 ASTM 標準方法進行測試(ASTM m, 1998)。
Petersen et al. (2011a)首先將凍乾的聚乙烯亞胺多壁奈米碳置入去離子水中低溫下超音波震盪 30 分鐘。經過震盪的懸浮奈米碳管溶液被加入一定量體積的測試土壤中後旋轉攪拌混合。奈 米碳管溶液與土壤混合物的含水度為 22.5%，多壁奈米碳管濃度為 0.5 mg MWCNT/g soil。最 後將裝有測試土壤的容器密封後再以 30 rpm 的轉速將奈米碳管與土壤均勻混合。進行生物累 積實驗時，3 隻 1.2-2.0 g 的成年蚯蚓被置入一個含有測試土壤的玻璃容器中。在暴露 2、7、
14、28 天後，這些蚯蚓會先經過去離子水清洗後置入在一潮濕的濾紙上 24 小時使其吐出腸 到內的殘留物，最後再度利用去離子水清洗後這些蚯蚓會被放置在一個玻璃試管中，冷凍乾 躁隔夜後秤重。生物累積係數可利用測得的蚯蚓體內的多壁奈米碳管濃度除上在測試土壤中 多壁奈米碳管的濃度。
圖圖
圖圖 4.1.4.1 (a)不同多壁奈米碳管暴露時間與生物累積係數的關係不同多壁奈米碳管暴露時間與生物累積係數的關係不同多壁奈米碳管暴露時間與生物累積係數的關係(b)不同多壁奈米碳管與不同多壁奈米碳管暴露時間與生物累積係數的關係 不同多壁奈米碳管與不同多壁奈米碳管與不同多壁奈米碳管與 14 天天天天 生物累積係數的關係
生物累積係數的關係 生物累積係數的關係
生物累積係數的關係(c)蚯蚓體內的多壁奈米碳管排出體內的濃度與時間的關係蚯蚓體內的多壁奈米碳管排出體內的濃度與時間的關係蚯蚓體內的多壁奈米碳管排出體內的濃度與時間的關係 (Petersen et 蚯蚓體內的多壁奈米碳管排出體內的濃度與時間的關係 al. 2011a)
實驗結果顯示，表面塗敷以烯亞胺之多壁奈米碳管其對於蚯蚓產生的生物累積係數較純多 壁奈米碳管高，然而實驗測得的標準偏差相當大，使結果產生不確定性，如圖 4.1.4.1 (a)所示。
此外，三種含有不同塗敷表面的多壁奈米碳管與三種來源不同的土壤其對蚯蚓產生的 14 天生 物累積係數並沒有呈現一個穩定的趨勢，如圖 4.1.4.1 (b)所示。上述實驗結果與先前的研究結 果相似(Petersen et al. 2010; Petersen et al. 2008)，顯示多壁奈米碳管表面塗敷不同物質不會對 生物累積係數產生影響。再暴露 28 天後，蚯蚓被放置在一潮濕濾紙上使其吐出腸道內的殘留 物，實驗結果如圖 4.1.4.1 (c)所示，蚯蚓體內殘留的多壁奈米碳管濃度隨著時間的增加而降
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低，而表面帶有愈多負電荷且粒徑越大之多壁奈米碳管被蚯蚓排出體外的速度越慢，如表 4.1.4.1 所示。然而目前作者尚無法確定造成排出速率較慢的因素是由於上述兩種因素或是單 一因素所造成的。
表 表
表表 4.1.4.1 表面塗敷不同物質的多壁奈米碳管被蚯蚓排出體外的速率表面塗敷不同物質的多壁奈米碳管被蚯蚓排出體外的速率表面塗敷不同物質的多壁奈米碳管被蚯蚓排出體外的速率(Petersen et al. 2011a) 表面塗敷不同物質的多壁奈米碳管被蚯蚓排出體外的速率
為了更進一步瞭解未來新興的研究趨勢並找出奈米碳管對環境影響的知識缺口，Petersen et al. 2011(b)針對植物、昆蟲及水中生物對奈米碳管的攝入、清除及生物累積性的相關研究進 行文獻整理，如表4.1.4.2所示，奈米碳管對土壤及底泥生物的毒性影響相關文獻則整理如表 4.1.4.3所示。在奈米碳管的生態毒性研究方面，許多研究學者發現奈米碳管不會被生物的上 皮組織大量吸收，但仍會產生毒性。此外，改變辛醇-水的分配係數可提升多壁奈米碳管的生 物有效性，但是經過此方法改質的多壁奈米碳管不會在貧毛類蠕蟲或蚯蚓體內增加生物累積 性(Petersen et al. 2010)。對於棲息於土壤或沈積層的生物而言，奈米碳管吸附於土壤顆粒上會 減緩生物對於奈米碳管的吸收，也減少了生物體對奈米碳管的攝入。對於水中生物而言，有 學者發現當水蚤暴露在含有多壁奈米碳管的水體中時，會有大量的多壁奈米碳管累積在水蚤 內臟裡（Petersen et al. 2009)。亦有學者利用TEM觀測暴露在多壁奈米碳管水體中的水蚤，結 果發現並沒有證據顯示水蚤會吸收多壁奈米碳管(Edgington et al. 2010)，此發現與富勒烯對水 蚤及貧毛類蠕蟲的毒性試驗結果(Pakarinen et al. 2011; Tervonen et al. 2010)、或是果蠅對單壁 奈米碳管的暴露實驗結果相似(Leeuw et al. 2007)。
表表
(Cucumis sativus)
暴露48小時後，在植物的根 蟲 (Streblospio benedicti)
anti-Stokes Raman scattering
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Petersen et al. (2008)
Petersen et al. (2008)
Petersen et al. (2009)
Petersen et al. (2010)
Petersen et al. (2011)
Petersen et al. (2011)
測試材料
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Petersen et al. (2009)
Petersen et al. (2011)
2007; Fraser et al. 2011)、水藻(Velzeboer et al. 2008; Wei et al. 2010)、水蚤(Petersen et al. 2009;
2011; Kennedy et al. 2008; Roberts et al. 2007; Kennedy et al. 2009; Kim et al. 2009; 2010)、橈足 類動物(Templeton et al. 2006)、兩生類(Mouchet et al. 2007; 2008; 2010; 2011)、原生動物(Ghafari et al. 2008)及細菌(Kang et al. 2007; 2008a; 2008b; 2009)。許多研究皆發現奈米碳管不會穿透表 皮細胞，奈米碳管對於生物的毒性影響主要發生在表皮細胞表面。奈米碳管若累積在水中生 物表面會影響其游泳的行為。此外，表面含有脂質塗敷層的單壁奈米碳管會團聚成塊且沈澱 在水蚤的腸到內而對其產生毒性影響。雖然奈米微粒不會藉由穿透表面組織進入生物體內造 成危害，但奈米微粒會在生物體表面產生毒性影響。研究結果發現當貧毛類蠕蟲暴露在 0.3