水体消毒过程中硫化银纳米颗粒形态的转化及其对斑马鱼胚胎发育的影响研究

Silver sulfide nanoparticle (Ag2SNP) is generally considered to be very stable in the natural environment. In recent, however, we found that Ag2SNP could undergo transformations in the aquatic environment under proper conditions, along with the release of silver ion, giving rising to the occurrence of bioavailable silver in the environment. Nevertheless, the mechanisms and biological effects of Ag2SNP transformation in the aquatic environment have been rarely reported. Herein we intend to investigate the stability and transformation of different sizes, shapes and coatings of Ag2SNP in typical environmental water (e.g., surface water, groundwater and effluent of wastewater treatment plant) disinfected by chlorine dioxide, ozone and UV irradiation respectively. Afterward, the aggregation, sedimentation and chemical transformation of Ag2SNP in water disinfected by chlorine dioxide, ozone or UV irradiation under different environmental factors will be comprehensively investigated in the laboratory, to illustrate the key factors, kinetics and mechanisms of Ag2SNP transformation. Furthermore, the biological effects of Ag2SNP transformation on the embryonic development of zebrafish would be investigated through morphologic observation together with molecular biology techniques, which would provide data to assess the risk of Ag2SNP transformation during water disinfection to environmental health. Overall, this project will help us better to understand the behavior and risk of Ag2SNP in the aquatic environment.

硫化银纳米颗粒是环境中纳米银发生硫化的赋存形态，被认为具有很好的环境稳定性，但我们前期发现水体中硫化银纳米颗粒在一定环境条件下能释放银离子，发生形态转化，但对其形态转化的机制及水生生物毒性效应还不甚了解。本项目拟以不同尺寸、形貌和表面修饰的硫化银纳米颗粒为研究对象，选择环境水体（地表水、地下水、污水处理厂出水），外源添加硫化银纳米颗粒，研究其在二氧化氯、臭氧与紫外线三种不同消毒剂作用下的稳定性与形态转化特征；利用模拟实验，探索环境因素对水体消毒过程中硫化银纳米颗粒凝聚、沉降及化学形态转化的影响规律，揭示不同消毒剂作用下硫化银纳米颗粒形态转化的关键影响因素、主要途径及分子机制；基于斑马鱼胚胎发育形态学观测，结合基因表达分析技术，明确硫化银纳米颗粒形态转化对鱼类胚胎发育毒性，评估其水环境风险。本项目的研究结果将为深入理解水环境中硫化银纳米颗粒形态转化的机制及水生生物风险提供科学依据。

近些年，纳米银被大量生产并被广泛应用于人类的生产生活，而纳米银在生产使用过程中不可避免地释放到环境，进而发生物理化学形态转化。硫化是纳米银重要的形态转化之一，但对其环境硫化的机制了解还存在一些不足。而且，纳米银的硫化产物-纳米硫化银被认为具有很好的环境稳定性，但我们前期研究发现纳米硫化银在光照和Fe3+共同作用下能引起水体中PVP表面修饰的纳米硫化银释放银离子并转化成纳米银。显然，环境中纳米硫化银是否还存在其他化学形态转化途径及其对水生生物毒性的影响目前都还不甚了解。本项目围绕纳米硫化银-纳米银的化学形态转化过程、机制及水生生物毒性效应，针对纳米银环境稳定性、纳米银不同化学形态分析、纳米硫化银的化学形态稳定性及其水生生物毒性等开展了系列工作。证实了环境水体中纳米银通过与硫化物矿物如纳米硫化铜的阳离子置换反应，逐渐转化成纳米硫化银，硫化铜的表面电荷不影响该转化过程；发现了硫化银纳米颗粒可以在天然矿物如氧化锰的作用下，快速释放银离子，发生化学形态转化；考察了不同表面修饰纳米硫化银（正电荷vs负电荷）在饮用水消毒剂（如次氯酸盐）作用下的化学形态稳定性，发现了常规消毒剂量（如4 mg/L）就可导致纳米硫化银迅速发生化学形态转化，释放银离子，该过程中体系内的羟基自由基起到关键作用，而该转化对水生生物（如斑马鱼）胚胎孵化和成鱼均显示出显著急性毒性；报道了基于多步连续提取法分析环境样品中纳米银不同化学形态（溶解性银、纳米银、纳米氯化银、纳米硫化银）；报道了纳米银和部分硫化的纳米银能在消化系统中发生化学形态转化，其中纳米银转化成氯化银，但纳米银硫化程度显著影响纳米银的后续化学形态转化；发现了纳米银转化生成的纳米硫化银和实验室合成的纳米硫化银之间未表现出明显的稳定性差异，两者都能在相同环境下发生化学形态转化。本项目研究结果明确指出了纳米硫化银的环境稳定性存在诸多不确定性，为深入理解纳米硫化银的水环境归趋与风险提供重要数据支持和科学依据，而且全面评估纳米银环境风险则需要综合评估纳米硫化银的环境过程与潜在风险。