纳米银与细菌和有机物在地下水中的相互作用机理及共迁移

As a most widely used nanomaterial with strong toxicity to microorganisms, which may jeopardize the aquatic ecology and environment, silver nanoparticle (NP) has received universal attention from the scientific society. Most completed studies focused on the transformation of silver nanoparticles in quiescent surface water and their toxicity, while studies on the formation, transformation, transport and antibacterial effect of these particles in dynamic groundwater remain inadequate. Field demonstration studies are even scarce. This project aims to use exposure experiments, column experiments, and field tests to systematically investigate the formation of silver nanoparticles under the combined effect of bacteria extracellular polymer substance (EPS) and critical groundwater environmental parameters; study the influence of three typical environmental organic matter on the transformation and transport of engineered nanoparticles in groundwater; investigate the interaction and co-transport of silver nanoparticle and bacteria, as well as the toxicity of silver nanoparticle to bacteria under the flowing conditions. The findings of this study are expected to enhance the understanding and prediction on the fate and environmental effect of silver nanoparticles in natural environment which may support environmental risk management for the nanoparticles in groundwater.

纳米银作为一种应用最广的纳米材料，因其具有微生物毒性并对水生态环境构成威胁而受到科学界的广泛关注。大量研究集中在探索纳米银在静态地表水环境中的转化过程以及对微生物的毒性机理，而对于纳米银在动态地下水环境中的形成、转化、迁移和抑菌作用研究不足。在复杂地下水场地开展的示范实验更是严重缺乏。本项目拟通过混合实验，柱实验，和地下水场地实验，系统研究细菌表面聚合物和地下水环境因素共同作用下纳米银的形成过程，确立地下水环境中控制纳米银转化的关键因素；研究三种典型环境有机物对工程纳米银在地下水中转化与迁移的影响；研究纳米银与细菌在地下水中的相互作用与共迁移过程，以及在动态条件下，纳米银对细菌的毒性。研究成果将增进对纳米银在自然环境中的行为归趋和环境效应的理解和预测，有助于对纳米银在地下水场地中的环境风险管理。

纳米银应用广，微生物毒性强，对地下水环境构成潜在的风险。理解纳米银在环境中的迁移转化机理及其与微生物的交互作用过程，对于评价和管理纳米银的环境生态风险十分重要。针对这一目标，本项目重点研究了以下三方面内容：1，环境中天然纳米银的形成与转化机理；2，有机物对纳米银迁移转化的影响机制；3，纳米银与细菌的交互作用和共迁移过程。转化研究结果表明，银离子与天然地下水中的氯离子、硫离子或有机聚合物反应能生成纳米银，但最终纳米银会聚凝沉淀。有机物的影响研究结果表明，含硫的氨基酸（NAC）和阴离子表面活性剂（SDBS）以及不含硫的螯合剂（EDTA）均能置换纳米银表面的PVP稳定剂，导致其失稳聚凝，但这一置换机理难以引起砂面沉积的纳米银解吸；反之，天然有机物腐殖酸可占据砂面点位促进纳米迁移，其促进效果受水流速和纳米粒径共同控制：在高流速和大粒径的情况下单位质量有机物的效果最强。与细菌的交互作用研究结果表明，胞外聚合物可促使纳米银聚凝沉淀和在砂面的吸附，而胞外多脂糖结构可阻止纳米银在细菌表面吸附。综上，在地下水环境中，纳米银难以稳定存在于水溶液中，主要以聚凝体的形式存在于砂面，因此主要对砂面吸附的细菌产生毒性。 此外，革兰氏阴性细菌可通过胞外分泌物和细胞膜结构降低纳米银的迁移能力，抑制纳米银吸附到细菌表面。因此，即使地下水中存在少量纳米银，它们也难以对水体中迁移态的细菌产生显著的生态毒性效应。这一成果对于正确评价纳米银在地下水环境中的生态毒性具有重要科学意义。