碳基纳米材料水相行为/光敏毒性的机理建模和预测

Environmental behavior and ecotoxicological effect of engineered nanoparticles are a frontier and hot topic of environmental pollution chemistry and pollution ecochemistry in recent years. The development and validation of predictive toxicological models of engineered nanoparticles are a significant part of the solution to the challenge of carrying out hazard and risk assessments on large numbers of nanomaterials. Developing an in-depth knowledge-based and mechanism-based model for their environmental processes and toxicological effects is a crucial problem in science, which begs for solutions. This project will be based on the combination of in silico and experimental studies and will select carbon nanomaterials as a research subject. This proposed research seeks to investigate the mechanisms of aqueous agglomeration/sedimentation, and photosensitive toxicity to Daphnia magna, as well as the effects of dissolved organic matters on the suspension stability of carbon nanomaterials; and to develop and validate mechanism-based molecular simulation and quantitative predication models for aquatic behavior and photosensitive toxicity, respectively. We expect that this project can not only provide theoretical and methodological foundations for the ecological risk assessment and risk management of carbon nanomaterials, but also offer an important scientific basis for their healthy development and security application.

工程纳米颗粒物的环境行为和生态毒理效应，是环境污染化学和污染生态化学在近年来的热点及前沿课题。发展和验证面向工程纳米颗粒物的预测毒理学模型，是应对大量纳米材料进行危害及风险评价挑战的解决方案中一个重要部分。基于对其相关环境过程和毒理效应机理的深入分析，构建科学有效的预测毒理学模型，是有待解决的关键科学问题。本项目通过计算模拟与实验结合的方法，选取碳基纳米材料为研究对象，研究碳基纳米材料的水相团聚/沉降行为和对水生生物大型溞的光敏毒性机理、溶解性有机质对其水相稳定性的影响机制；根据机理分析，发展和验证碳基纳米材料水相行为/光敏毒性的分子模拟及定量预测模型。通过本研究，不仅为碳基纳米材料的生态风险评价和管理提供基础理论和方法，而且为碳基纳米材料的健康发展与安全应用提供重要科学依据。

工程纳米颗粒物的环境行为和生态毒理效应，是环境污染化学和污染生态化学在近年来的热点及前沿课题。发展和验证面向工程纳米颗粒物的预测毒理学模型，是应对大量纳米材料进行危害及风险评估挑战的解决方案中一个重要部分。基于对其相关环境过程和毒理效应机理的深入分析，构建科学有效的预测毒理学模型，是有待解决的关键科学问题。本项目通过计算模拟与实验结合的方法，选取碳基纳米材料为研究对象，研究了6种共存物质(天然有机质、低分子量有机酸、生物大分子DNA、离子液体、多环芳烃、邻苯二甲酸酯)对碳基纳米材料的环境行为与生态毒性的影响及作用机制；根据机理分析，发展和验证了有共存物质存在下，碳基纳米材料环境行为与生态毒性的分子模拟及参数预测模型。主要研究成果有：(1)富勒烯在大气中可参与生物质颗粒物的成核过程。(2)建立了天然有机质和生物大分子DNA分别对碳基纳米材料(碳纳米管和石墨烯类)水相聚集和分散行为影响的分子模拟模型。(3)碳纳米材料(碳纳米管和石墨烯类)与多环芳烃、邻苯二甲酸酯间相互作用机制与有机分子疏水性有关。(4)建立了低分子量有机酸和离子液体对石墨烯类材料的生态毒性影响的参数预测模型。通过本研究，不仅为碳基纳米材料的生态风险评价和管理提供基础理论和方法，而且为碳基纳米材料的健康发展与安全应用提供重要科学依据。