纳米Ag粒子在我国主要类型土壤中的迁移转化过程与环境效应

Nanotechnology has been listed as one of the major projects of Medium- and Long-term National Plan for Science and Technology Development (2006-2020), while the rapid development of nanotechnology is accompanied by critical environmental risks that need to be addressed and effectively managed. A comprehensive understanding of environmental safety of nanoparticles will promote the sustainability of nanotechnology. Nano Ag particle (AgNP) is one of the most widely used manufactured metal-based nanoparticles in the world. In our proposal, AgNP was chosen as the typical manufactured metal-based nanoparticles, the migration and transformation of AgNP in typical Chinese soils (latosol, red soil, yellow brown soil, fluvo-aquic soil, black soil and rice paddy soil) will be investigated to explore the physicochemical interactions of AgNP with soil components, such as clay minerals and soil organic matter, and to study the bioavailability and toxicity of AgNP in soil matrices on soil micro-organisms, invertebrates and plants. The toxic effects of chronic/acute AgNP exposure on model soil inhabitants will be evaluated to establish dose-effect correlations, and to probe toxicity mechanism of AgNP. A mathematical model is further simulated to quantitatively assess AgNP migration and co-migration, retention flux in soil, and their consequential environmental risk. The results will provide the fundamental basis and technological support for the development of green nanotechnology.

纳米技术已被《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》列为我国重大科学研究计划。而随着纳米技术的快速发展，纳米材料进入环境并不断累积，因此加强对纳米材料的环境安全性开展系统研究具有重要意义。纳米银(AgNP)是目前应用最广泛的人工纳米材料之一，本申请以AgNP作为研究对象，系统研究其在我国主要类型土壤(砖红壤、红壤、黄棕壤、潮土、黑土、水稻土)中的迁移、转化过程及其生态环境效应；基于同步辐射技术、同位素技术等以及室内模拟相结合的方法，揭示AgNP与土壤中主要矿物或有机质之间的相互作用规律；探明AgNP对土壤中微生物、动物和植物的致毒过程及其作用机制；发展AgNP在土壤中迁移的数学模型，预测其在土壤中的迁移、滞留通量进而评价其淋溶风险，为AgNP的安全利用等提供重要理论基础和技术支撑。

本项目以人工纳米材料中应用最为广泛的纳米银为研究对象，围绕我国典型土壤类型中纳米银的迁移转化过程与环境效应的核心问题，从分子水平上研究土壤环境中纳米银多介质界面行为及微生物/植物/无脊椎动物吸收转化等机制，取得了一系列创新性成果，包括1）成功解析了土壤中纳米银颗粒的天然来源，揭示土壤固相有机质表面的酚类基团在自然光诱导下产生的超氧自由基能还原银离子生成单质纳米银，并定量了固相有机质对天然纳米银生成的贡献约为11-31%，为重新审视人工纳米材料的风险提供了新的视角。2）明确了土壤可溶性有机质、氧化还原电位和铁氧化物对单质纳米银和纳米硫化银迁移转化的影响机制，明晰了土壤理化性质对纳米银迁移转化的控制作用，对了解纳米颗粒在自然环境中的归趋及环境风险具有重要意义。3）探明了纳米银颗粒对土壤微生物多样性、酶活、硝化作用、反硝化作用、固氮作用及氮肥转化等重要过程的作用机制，为人工纳米银在农业环境中的安全应用提供了基础数据。4）揭示了纳米银颗粒在土壤-植物根际界面作用过程，尤其是根系分泌物、根表铁膜、溶解氧、微生物胞外聚合物和有机质化学组成等因素对纳米银形态转化和植物毒性效应的调控作用；定量了颗粒吸收对纳米银植物吸收的相对贡献，为客观评价纳米银颗粒的环境风险提供了理论依据。5）通过农作物全生命周期研究，探讨了含纳米银污泥农用后对不同类型蔬菜营养品质的长期效应，为真实环境中评估纳米银对食品安全的影响提供了参考。6）定量了土壤无脊椎动物对土壤溶液和食物中纳米银颗粒的吸收动力学，明确食物是土壤动物累积纳米银的主要途径，突出了食物链传递在纳米银环境风险中的重要性。7）发展了基于同位素示踪技术的食物链传递中纳米银颗粒溯源的方法，探明了植物暴露途径和初始纳米银形态对食物链传递的作用机制，应用代谢组学方法从分子水平揭示了食物链传递中纳米银的毒性效应。8）采用胃肠液模拟和大鼠活体研究方法探讨了土壤中纳米银的人体有效性，证实土壤性质决定纳米银的人体有效性，且直接摄食纳米银污染土壤这一暴露途径对人体健康风险较低。这些研究成果的产出，为科学评估我国纳米银的环境风险提供了理论依据和技术支撑。共发表SCI论文29篇，其中Nature Commu. 1篇，ES&T2篇（一篇被选为亮点论文）, Environ. Sci.: Nano 3篇，Nanotoxicology 3篇；中文论文16篇；培养研究生17人。