人工纳米材料对氮磷在土壤多孔介质中迁移转化的影响机制

As a direct consequence of the increased use of engineered nanoparticles (ENPs) around human living, environmental exposure to nanoparticles at elevated concentration will inevitably occur in the future and therefore the transport of nanopoarticles in porous media of soils is of increasing scientific interest. However many unknown are relative to the potential effect of ENPs on the bioavailability of nutrients，and effect on the mechasims of fate and transport of nitrogen and phosphate. Therefore, this porject was proposed in order to study the transport of nitrogen and phosphate in porous media of complex soils affacted by the engineered nanoparticles of titanium dioxide (TiO2) and silica (SiO2). The details will be addressed at following issues: characterization the surface of ENPs complexation with nitrogen and phosphate using the modern advanced analysis; researching the interactive mechanisms of soils specific chemistry effect on the species distribution of nitrogen and phosphate; indication the contribution of ENPs to the bioavailability of nitrogen and phosphate in the presence of natural organic matter and bacteris; clarifying the function of surafce characterization of ENPs corresponding to the fate and transport of nitrogen and phosphate in soils; modeling the transport of nitrogen, phosphate in the presence of ENPs in natural soils. Results of this project will allow better prediction of aggregation and fate and transport of nitrogen, phosphate affacted by ENPs in complex soils and the potentail damage to the underground water.

人工纳米材料如TiO2、SiO2等已广泛应用于日常生活，同时它们也不可避免地进入生态环境。已知纳米材料在土壤介质中可发生迁移、转化，但在其能否影响土壤营养元素氮、磷的生物有效性以及迁移与转化机理等方面，目前尚缺乏研究。因此本项目拟以两种人工TiO2和SiO2纳米微粒为对象，探讨其对氮、磷在不同类型的土壤多孔介质中的运输影响。应用现代分析方法，表征氮或磷与纳米微粒界面络合的分子层面的微观结构，阐释其氮、磷的环境形态与土壤的化学特异性的效应机制，明确负载纳米微粒的土壤微生物、有机质与氮磷生物有效性的响应关系，揭示纳米微粒表面微环境对氮磷土壤中迁移与转变机制。建立纳米材料存在下条件下，氮、磷在土壤多孔介质中的迁移模型，为人工纳米材料影响土壤氮磷的迁移行为，以及对地下水环境造成的潜在危害提供理论基础和科学依据。

人工纳米材料如纳米二氧化钛（nTiO2）、二氧化硅（nSiO2）等已广泛应用于日常生活，同时它们也不可避免地进入生态环境。土壤营养元素氮、磷以及生物质炭等广泛存在是否对其迁移与转化有促进或抑制作用等方面，目前尚缺乏研究。本项目在国家自然科学基金面上项目（21377090）的资助下，研究土壤中营养元素氨氮、磷磷酸盐存在时生物质炭、物种有机酸、粘土矿物、大肠杆菌等对nTiO2和nSiO2在土壤中迁移与滞留的影响机制。通过研究纳米颗粒的不同性能表征（晶型、纳米粒度、比表面、ζ电位）与纳米微粒在多孔介质体系中运移参数之间的相关性，判断外界环境影响纳米微粒迁移的主控因子。并采用电子扫描显微镜（SEM）和透射电镜（TEM）等现代表面分析方法，观察和测定细菌、颗粒表面电荷等物理化学特性。研究发现不同粒度的金红石型和锐钛型nTiO2迁移行为显著不同；铵根离子对滞留影响较大（NH4+> Na+> Na+ + NH4+）。土壤中磷酸盐和五种有机酸能显著促进纳米材料在土壤多孔介质中的迁移，生物质炭和大肠杆菌本身有很好的流动性从而促进纳米材料在水中的分散性和迁移性；粘土矿物（高岭土、蒙脱土、硅藻土）抑制了TiO2的迁移。纳米颗粒在多孔介质中迁移能力依次为：腐殖酸＞鞣酸＞丹宁酸＞草酸＞黄腐酸，磷酸盐＞大肠杆菌+磷酸盐＞大肠杆菌。其主要机理是这些土壤环境因子改变了纳米胶体微粒表面的微环境，其相应的表面电位和在水中的团聚性和稳定性也相应的改变，从而与石英石或不同土壤颗粒表面之间的DLVO理论第二最小势能不同，决定了不同的迁移效应，石英砂>水稻土>红土。建立了在氮、磷存在时nTiO2和nSiO2在土壤多孔介质中的两点动力学滞留模型，模拟结果表明纳米颗粒可逆滞留与石英砂柱表面位点1可逆吸附常数比值（k1/k1d）和位点2的不可逆吸附常数（k2）有关。本课题研究为人工纳米材料对地下水环境造成的潜在危害提供理论基础和科学依据。