典型人工纳米颗粒在不同生态系统中的环境行为及食物链中的关键过程

With rapid increasing nanoproducts, engineered nanoparticles (ENPs) with high amounts could release into soil, freshwater and ocean environments, which brings potential threat to the whole ecosystem. Currently, the effect of geochemical behaviors of ENPs under different environmental media on nanotoxicity is still not clear. Information on accumulation and transfer of ENPs and co-existing environmental contaminants in the food chains is lacking. This proposal will sysmatically investigate geochemical behaviors of ENPs under soil, freshwater and seawater conditions and the related biological responses. The data on the transfer and accumulation of ENPs in soil, freshwater and ocean food chains will be obtained. The key surface and physicochemical properties of ENPs dominat the transfer of co-exist contaminants will be revealed. In addition, the quantitative structure–activity relationship (QSAR) between ENPs and their toxicity, and the risk assessment will be established based on the obtained data from this project. This proposal will provide important data better understanding the behaviors of ENPs. Prospective suggestions will be given for the development of nanotechnology and friendly application of nanomaterials.

随着纳米产品的飞速增长，人工纳米颗粒（ENPs）必定大量进入土壤、淡水和海洋环境，从而对生态系统造成潜在威胁。目前，ENPs在不同环境介质中地球化学行为对纳米毒性的影响机制尚不清楚；ENPs自身及与共存污染物在食物链中的蓄积与传递机制方面的研究甚为缺乏。本项目将系统研究ENPs在土壤、淡水和海洋环境中的地球化学行为和生物响应；获得不同类型ENPs在陆地、淡水和海洋食物链中传递及放大效应的基础数据；探明ENPs与共存污染物相互作用后对食物链传递及放大效应的影响；揭示控制污染物在食物链中传递的决定性污染物的物化性质和ENPs表面性质。同时，基于上述研究得到的数据，分析ENPs与环境生物效应的构效关系，建立一套适合ENPs生态风险评估体系。本项目将为深入、全面的理解ENPs在土壤、淡水和海洋环境中的地球化学行为和生态毒性提供重要数据，为纳米技术的发展及人工纳米材料的安全应用提供前瞻性的理论依据。

本项目系统、深入的研究了典型人工纳米材料（NMs）在不同生态系统中的环境行为及食物链中的关键过程，取得了一系列创新性成果，主要包括：.① 明晰了光照条件下，水环境中氧化石墨烯（GO）的转化路径及机理，发现了转化过程中GO能够将银离子及铜离子还原为银和氧化亚铜NMs，GO的光转化能够产生有机小分子及降低GO表面含氧量，导致其环境风险增加；.② 探明了纳米生物炭的来源及其在土壤生态系统中的异相团聚过程，证实了纳米生物炭主要来源于生物炭中的含氧量高的无定形结构，这些纳米生物炭能够通过静电引力与土壤矿物发生异相团聚，进而降低其在环境中的迁移；.③ 明确了水生植物凤眼莲对CuO NMs的吸收、转化及生物响应机制，证实叶片是凤眼莲吸收CuO NMs的主要组织，CuO NMs在凤眼莲体内被转化为Cu2S和Cu3(PO4)2，进而引起H2O2累积、气孔关闭及根部损伤；.④ 探明了CeO2 NMs在陆生植物草莓中的转运、转化及生物响应过程，揭示了CeO2 NMs可以被草莓通过匍匐茎转运到子代植株的各部位，在传递过程中，被还原为Ce (III)，CeO2 NMs能够改变根际微生物群落组成，进而促进作物生长，提高产量；.⑤ 探明了氧化石墨烯在天然矿物存在下的悬浮-团聚等地化行为，揭示了不同石墨烯材料对水生生物（如藻类）的毒性作用机制，阐明了石墨烯材料与共存污染物（如有机污染物、重金属）对水生生物的协同毒性效应；.⑥ TiO2 NMs可以沿着海产品从沙蚕传递到大菱鲆幼鱼，但是未发生生物放大效应；Ti主要累积在腮和消化道，其次是皮肤、肝和肌肉，幼鱼生长降低，致病率增加，鱼体营养品质降低。此外，沙蚕和大菱鲆幼鱼排泄物中存在大量的TiO2 NMs，使其环境风险和归趋具有更大的不确定性;.⑦ 明确了真实环境中TiO2、Ag、CuO NMs在底栖环境、废水排放口和污灌区具有较大环境风险，构建了水环境食物网模型，对TiO2 NMs的水体敏感种进行预测，同时构建了纳米毒性数据库，为NMs的环境风险评估提供基础理论依据；.这些研究成果的产出，为客观评价NMs在不同生态系统中的环境风险与归趋提供了重要的理论依据，为纳米技术在农业生态系统中的应用提供新思路。