人工纳米材料在水-生物膜体系中的环境行为及其对生物膜活性影响机理研究

The environmental behaviors and biological safety of manufactured nanomaterials had become a hotspot in research of environmental pollution and ecological remediation in the water environment. The environmental behaviors and biological effects of manufactured nanomaterials in water-biofilm system and its influence mechanism are the key scientific problems, which are urgent to be solved using comprehensive methods including water science, materials science, biological science, environmental science. In this project, the distribution and fate of manufactured nanomaterials in water-biofilm system will be investigated using radioactive isotope tracer method, high resolution inductively coupled plasma mass spectrometry and other advanced methods. The effects on biofilms' activity and the toxicity mechanism of manufactured nanomaterials will be analyzed through the molecular biology index, the respiratory activity and the antioxidant enzyme activity (biomarker) of microorganism. Thus, the coupling relationships between water environmental conditions，environmental behaviors of manufactured nanomaterials，and toxic effects on aquatic organisms (biofilm) will be established to develop the biofilm technology for biological monitoring and evaluation for early nanomaterials pollution and in situ restoration for the nano-polluted water. The goal of our research is to gain a better understanding of the manufactured nanomaterials' environmental behaviors and biological effects in multi-medium of water ecosystem, also to provide a scientific basis for pollution control of manufactured nanomaterials in rivers and lakes.

人工纳米材料在水体中的环境行为与生物环境安全问题成为水环境污染与生态修复领域研究的热点，人工纳米材料在水-生物膜体系中的环境行为和生物效应及影响机理是迫切需要研究解决的关键科学问题。本项目拟运用水利科学、环境科学、材料科学、生物科学交叉结合的综合研究方法，采用放射性同位素示踪法、高分辨电感耦合等离子体质谱法等先进方法探寻人工纳米材料在水-生物膜体系中的分布归趋和影响机理，使用生物膜微生物分子生物学指标、微生物呼吸活性、抗氧化酶活性生物标志物分析等先进手段揭示人工纳米材料对自然水体中生物膜活性影响和毒性作用机制，建立水环境条件-人工纳米材料环境行为-水生生物（生物膜）毒性效应之间的耦合关系，研发人工纳米材料污染早期生物监测评价和受纳米材料污染水体原位修复的生物膜技术。本研究可深化人工纳米材料在水生态系统中多介质环境行为和生物效应的研究内涵，并为河湖水体中人工纳米材料的污染防治提供科学依据。

人工纳米材料在水体中的环境行为与生物环境安全问题成为水环境污染与生态修复领域研究的热点，本项目围绕人工纳米材料在水-生物膜体系中的环境行为和生物效应及影响机理这一关键的科学问题开展了较为系统研究，取得创新性成果：1）探明了环境条件对人工纳米材料环境行为的影响机理，在揭示天然有机物、水动力条件作用影响机制方面取得了新进展。2）建立了表征人工纳米材料对生物膜毒性的新方法，揭示了人工纳米材料对生物膜组成与活性的毒性作用机制；探明了人工纳米颗粒暴露下生物膜脱氮除磷关键酶活性、微生物群落和净污功能菌群响应过程及作用机理。3）阐明了生物膜对人工纳米材料氧化胁迫响应机制，建立了基于生物膜抗氧化酶活性的人工纳米材料毒性评价新方法，并提出了缓解人工纳米材料在生物膜中生物累积及生物毒性的有效措施。本项目研究可深化人工纳米材料在水生态系统中多介质环境行为和生物效应的研究内涵，为受人工纳米材料污染水体原位修复的生物膜技术研发提供依据；关于自然水体中生物膜对人工纳米材料氧化胁迫的生理响应机制的研究，为利用生物膜抗氧化酶活性对纳米材料污染进行生物监测和评价提供了方法。依托项目研究，已在Water Research、Journal of Hazardous Materials等国际顶级期刊上发表SCI论文26篇、中文核心期刊4篇，授权专利14项。负责人项目期内2015年入选首批中国科协—中国水利学会青年人才助力计划，2016年获江苏省杰出青年基金、入选江苏省“333工程”第三层次人才计划，2017年获国家优秀青年基金，2018年入选江苏省特聘教授、科技部中青年科技创新领军人才、河海大学“大禹学者计划”第二层次。