同步辐射谱学技术研究纳米二氧化铈在土壤-植物体系中的微界面过程及机制

Ceria nanoparticles are one of the most widely used nanomaterials. With it’s plentiful applications, ceria nanoparticles will be inevitably released into the environmental, especially the soil environment. Recent research indicates that ceria nanoparticles in soil impacted the growth and development of various crop plants, altered the nutritional value of edible parts, which would subsequently affect the environment and human health. However, the toxic mechanism is still unknown. In biological systems, the interactions between nanoparticles and biomolecules at nano-bio interfaces determine the biological effects of nanoparticles. Similarly, in soil-plant systems, a serials of micro-interfacial processes determine the fate and effects of nanoparticles..In this project, multiple synchrotron radiation based methods, such as X-ray absorption spectroscopy, micro-X-ray fluorescence and scanning transmission X-ray microscopy imaging, etc. and radiotracer techniques combine with conventional ecotoxicology methods, will be used to study the micro-interfacial processes, reaction mechanisms, and influencing factors of ceria nanoparticles in soil-plant systems. The relationship between fate and transformation of ceria nanoparticles and its biological effects will be explored. The results will provide scientific information on the environmental health risk assessment of nanomaterials and development of environment friendly nanomaterials.

纳米二氧化铈是应用最为广的纳米材料之一。伴随其大量使用，纳米二氧化铈将不可避免地被释放到环境尤其是土壤环境中。近期的研究表明，进入土壤中的纳米二氧化铈会影响多种作物的生长发育，改变可食部分营养成分，可能进而影响生态环境和人体健康，但其作用机制尚不清楚。在生物体系中，纳米颗粒的生物效应取决于纳米-生物界面过程。同样，在土壤-植物体系，一系列环境微界面过程决定了纳米材料的归趋和环境效应。. 本项目拟综合利用多种基于同步辐射的分析方法如X射线吸收谱、微区X射线荧光和扫描透射X射线显微成像等及放射性同位素示踪技术，结合常规生态毒理学手段，研究纳米二氧化铈在土壤-植物体系的微界面过程、发生机制及影响因素，探讨纳米二氧化铈的转化与归趋与其植物毒性效应之间的关系。研究结果将为评价纳米材料的环境、健康风险和开发环境友好的新型纳米材料提供科学信息。

本项目综合运用多种基于同步辐射的分析手段结合常规生态毒理学研究方法，针对纳米纳米二氧化铈在土壤-植物系统中的关键界面过程，开展了纳米二氧化铈在土壤固-液界面的吸附与转化、根际微环境中行为以及在植物根中的分布与植物效应研究。主要结果如下：1）土壤中的氧化剂/还原剂影响纳米二氧化铈的归趋。天然有机质中的腐殖酸、胡敏酸可将Ce(IV)还原为Ce(III)，而MnO2等锰氧化物又可将Ce(III)氧化为Ce(IV)。纳米二氧化铈在土壤中可能存在一个“形态转化-重新分配”的地球化学循环。该地球化学循环很可能会影响纳米二氧化铈或其转化产物Ce3+离子由土壤向植物的迁移，从而对植物造成多样的生物效应。2）根际化学环境在转化过程起关键作用。植物根际的纳米二氧化铈在根及土壤微生物分泌的还原性物质作用下发生还原反应Ce(IV)→Ce(III)，但非根际土中的纳米二氧化铈未发现明显变化。3）分析了植物与纳米二氧化铈的相互作用的影响因素，发现植物种类、纳米二氧化铈的物理化学特性（表面电荷、表面修饰等）及环境条件均影响纳米二氧化铈的转化及Ce物种的生物有效性。采用全生命周期实验研究了纳米二氧化铈通过土壤添加和叶面喷施对农作物生长、发育及营养品质的影响。喷施条件下，纳米二氧化铈和Ce3+离子对营养生长指标无显著影响，除几种矿质元素外，各组间豆荚产量和养分含量也无显著差异。在土壤中，发现纳米二氧化铈和Ce3+离子对四季豆的影响不同，甚至相反。然而，对于玉米的实验得到的发现纳米二氧化铈和Ce3+离子的毒性效应相似但更弱。结合Ce形态分析结果，推测两者可能以相同的机制作用于玉米，但Ce3+起到更大的作用。.纳米CeO2和Ce3+的相互转化依赖于Ce存在的微环境，由于存在这种相互转化，观察到的生理生化的结果也是多重效应的叠加。本项目证明多个环境微界面过程决定了纳米二氧化铈等纳米材料在土壤-植物系统中的归趋与生物效应，该结果有助于理解纳米二氧化铈的毒性机制，为其安全应用提供了科学信息。