人工纳米材料在流动水域中的团聚/分散行为及生物效应

Environmental behaviors and biosafety problem of manufactured nanomaterials(MNMs) is becoming a global hotspot and focus, and the influence mechanism of hydrodynamics condition on it is the key scientific issues urgently needing to be studied and solved in water science field. This study is going to do comparative study on the material characteristics, aggregation and settlement process, and toxic effects on aquatic organisms of MNMs in different hydrodynamic conditions by the means of shear stress simulation and flume experiment, using advanced analyzing technologies such as Scanning Electron Microscope(SEM), Dynamic Light Scatter(DLS), Radioisotope Tracer Techniques and biomarkers, and reveal the impact mechanism of hydrodynamic condition on environmental behaviors and biological effects of MNMs in flowing waters. Through this study, we want to find the suitable hydrodynamic condition for aggregation and settlement from water body of MNMs and lowing its bio-toxicity in flowing waters, and help to support for MNMs pollution control and water resource protection 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研究的热点，水动力条件对人工纳米材料环境行为及生物效应的影响机理是水利科学领域迫切需要研究解决的关键科学问题，可为我国河湖水体纳米污染防治和水资源保护提供重要的科技支撑。本项目拟针对当前研究在水动力条件对人工纳米材料环境行为和生物效应影响研究方面的不足，通过剪切力模拟和不同水动力条件水槽试验，借助扫描电镜、动态光散射仪、放射性同位素示踪技术、生物标志物等先进研究手段，对比分析不同水动力条件下水体中人工纳米材料的尺寸分布和表面特性、团聚/分散行为、悬浮沉降性能、水生生物毒性效应等差异，揭示水动力作用对人工纳米材料在水体中环境行为和生物效应的影响机理，建立水动力条件-人工纳米材料团聚/分散行为-生物毒性效应之间的耦合关系，探寻水体中利于人工纳米材料团聚沉降、降低人工纳米材料生物毒性的水力调控机制，为河湖水体中人工纳米材料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研究的热点，本项目针对水动力条件对人工纳米材料环境行为及生物效应的影响机理的关键科学问题，开展了不同水动力条件下人工纳米材料的团聚/分散行为、水动力条件对人工纳米材料生物累积的影响机理、流动水域中人工纳米材料对水生生物的毒性效应等方面研究：.(1) 重点研究了水动力条件对于二氧化铈(CeO2)纳米颗粒环境行为的影响。聚集实验发现剪切力可以增加纳米颗粒的碰撞几率，并且可以使相对大质量的颗粒维持悬浮状态，因此使纳米颗粒有进一步聚集变大的趋势。沉降实验表明在静止条件下，粒径大于1000nm的颗粒沉降在烧杯底层，而相对的小颗粒则分散在烧杯的上中两层。随后加入剪切力的实验表明剪切力可以破坏这种分层现象，使溶液重新恢复成均匀分散的悬浮状态。.(2) 研究ZnO-NPs以及可溶性Zn2+对河流生物膜的毒性影响，在暴露结束时（21天），生物富集实验表明，大量ZnO-NPs被生物膜吸收。与对照的（1.43μg/L）相比，通过浓度分别为100mg / L ZnO纳米颗粒和7.85mg/L Zn2+暴露后，藻类生物量分别显著下降6和11倍。此外，相同的曝露条件下，量子产率为53.33，是对照的33.33％。在7天内被观察到硅藻大量减少，同时在21天暴露后达到15.63，占对照的6.25%，因此证实了生物群落中的生物量的转移。随着被分别暴露在100mg/L ZnO-NPs和7.85mg/L Zn2+，细菌活性降低，活性氧含量显著增强。.(3) 选取4种人工纳米材料为对象，以大型蚤和鲫鱼为受试生物，通过毒性实验分析上述人工纳米材料对水生生物的急性毒性、亚致死毒性效应和联合毒性效应，探讨基于生物标志物的纳米材料综合生态毒理效应的评价方法，发现了nCu和nCr低浓度长期暴露能够抑制大型蚤的生长、繁殖和牧食率，证实了AChE、SOD、CAT和GST活性可以作为指示低浓度纳米金属对大型蚤影响的敏感生物标志物；阐明了nCu、nCr对鲫鱼的亚致死毒性效应，采用IBR指数法对对纳米金属和纳米金属氧化物的综合生物效应进行了评价。.研究成果促进了水动力条件对人工纳米材料环境行为和生物效应影响方面的研究，发表学术论文12篇，其中SCI收录9篇、EI 收录1 篇、国际会议论文1篇、中文核心期刊论文1篇。