水环境中纳米材料形态的分析新方法、转化机制及生物效应

The physical forms and chemical species of nanomaterials (NMs) in real environmental waters are the key parameters that control the environmental processes and bio-effects of NMs, but currently the lack of study methodology restricted the achievement of breakthrough in this area. Given the high-dynamic characteristics of NMs, in this research we plan to develop various new methods for analyzing the physical forms and chemical species of NMs by using new mechanism and techniques such as stable isotope-labelling, single particle inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), multiple-collector inductively coupled plasma mass spectrometry (MC-ICP-MS), Raman spectroscopy, extended X-ray absorption fine structure (EXAFS), and hyphenated techniques. With these developed methods, we will study the impacts of dissolved organic matter (DOM), coexisted ions, dissolved oxygen, sunlight, temperature, extracellular polymeric substances and pH on the aggregation/dispersion and chemical transformation (oxidization, reduction, chloridization and sulfurization) of some typical NMs like nano-Ag, nano-Fe, nano-ZnO, nano-TiO2, C60 and carbon nanotubes. The uptake, transfer in food chain and toxicity to organisms resulted from the variation of physical forms and chemical species of NMs will also be investigated. It is expected that the implement of this project will reveal the mechanism for the variation of physical forms and chemical species of NMs resulted from the variation of environmental parameters, as well as the environmental processes and biological effects of these variation, which can provide key and fundamental data for evaluating the environmental risk of NMs.

真实环境水体中纳米材料(NMs)的物理与化学形态是决定其环境过程和生物效应的关键因素,而目前相关研究方法的缺乏是制约该领域研究取得突破的瓶颈。本项目拟针对水环境中典型NMs物理化学形态高度动态变化的特点，通过应用同位素标记、单颗粒ICP-MS、多接收ICP-MS、X射线吸收精细结构光谱、拉曼光谱以及在线联用等新技术，发展测定NMs物理化学形态的新方法；深入研究溶解性有机质、共存离子、pH、溶解氧、光照、温度及胞外聚合物等多种环境因素对典型NMs（Ag, Fe, ZnO, TiO2, C60, 碳纳米管）物理化学形态转化(团聚、分散、氧化、还原、氯化、硫化）的影响；并结合生物暴露实验研究这些形态转化所引起的生物效应（吸收、食物链传递、毒性效应）。项目的实施，可望揭示真实水环境中多种因素对NMs物理化学形态转化及其生物效应的影响机制，为科学评估NMs的环境风险提供关键技术和基础数据。

真实环境水体中纳米材料的物理与化学形态是决定其环境过程和生物效应的关键因素,而相关研究方法的缺乏严重制约了该领域研究。本项目围绕水环境中纳米材料形态的分析新方法、转化机制及生物效应等方面的若干关键科学问题，开展了较为系统的研究，主要取得了以下代表性成果：.（1）发展了纳米材料物理化学形态测定的新方法。将膜固相萃取、磁性固相萃取、浊点萃取、尺寸排阻色谱、流场流分级等分离技术与电感耦合等离子体质谱、热裂解气相色谱-质谱、表面增强拉曼光谱等检测技术联用，发展了环境和生物基质中痕量金属及其化合物纳米颗粒以及纳米塑料等的识别、定量测定和粒径表征的新方法。.（2）揭示了水环境中纳米材料物理和化学形态的转化机制。发现了水环境中纳米材料的水表面微层迁移富集、超氧自由基介导的微生物合成新途径、纳米银与银离子的循环转化等迁移转化行为，揭示了纳米材料的表面性质（如包覆剂种类）以及环境因素（温度、光照、溶液pH、共存离子、天然有机质、微生物）对纳米材料团聚、迁移、溶解和再生成等水环境行为的影响机制。.（3）阐明了纳米材料形态变化所导致的水生生物毒性效应。发现纳米TiO2、纳米ZnO、纳米银、铁基纳米颗粒和碳纳米管等在实际地表水中会因发生复杂的物理化学转化而改变其对小球藻的毒性效应，不同形态的银在大型蚤内的累积量和急慢性毒性存在显著差异，并阐明了天然有机质、胞外聚合物、共存离子、溶液pH及离子强度对典型纳米颗粒水生生物毒性影响的作用机制。.上述研究成果已发表标注本项目资助的SCI论文75篇，包括顶级期刊论文Chem. Rev.（1篇）和 Environ. Sci. Technol.（10篇）；申请国家发明专利4件；在国内和国际学术会议作了30余个学术报告。项目培养国家杰青1人、优青1人、博士后4人、博士和硕士研究生16人。项目成果可为科学评估纳米材料的环境安全性提供关键技术和基础数据。