水环境中典型人工纳米材料对生态系统结构与功能的潜在影响

Previous studies on the toxicology of manufactured nanomaterials (MNMs) mainly focused on the toxicity of single MNMs to limited species of model organisms, and the joint toxicity of MNMs and co-existing pollutants has not been well stdied, causing the systematic impacts of MNMs on the structure and function of natural ecosystems hardly to be assessed. In this study, we plan to conduct the experiments in controlled microcosm. The environmental behavior and distribution, as well as the food chain transfer characteristics of typical MNMs in microcosms will be investigated to better understand the ecological effects of permanently exposed MNMs at environmental relevant concentrations. In addition, the impacts of MNMs on the toxicity of typical water pollutants in simulated natural environment will be investigated, which will enable the acquisition of environmentally safe concentrations of MNMs. The results from this study will provide better understanding of the ecological effects of MNMs and provide scientific guidance for establishing of national environmental safety standards for assessing and regulating the toxicology of MNMs and reducing negative impact of MNMs on water quality.

人工纳米材料（MNMs）生态毒性已有研究主要基于单一物种毒性试验，测试物种有限，无法得知生物与环境相互作用导致的间接影响，更不能直接评估MNMs对生态系统结构与功能的影响，严重限制了MNMs环境风险的确切评估。本项目拟利用微宇宙受控实验和野外生态系统实验，阐明典型MNMs进入水环境后的行为与分布特征及其食物链传递规律，揭示其在低浓度长期暴露下对水生生态系统结构和功能的潜在影响及其生态效应；评估在接近真实环境中MNMs对典型污染物生态毒性的可能影响；可望获得不同污染背景下，人工纳米材料的环境安全浓度。项目实施将加深我们对MNMs生态效应的认知，为制定MNMs的国家环境安全标准、强化对MNMs的风险评估和管控，以及有效减低水体环境中MNMs的危害提供科学依据。

人工纳米材料（Manufactured nanomaterials，简称MNMs）在水环境中的归趋及其水生生态效应已成为纳米毒理学、环境科学等领域的前沿交叉热点。在此背景下，本课题结合前期研究基础，以产量大、用途广的典型MNMs（纳米二氧化钛（nTiO2）和富勒烯（C60））为研究对象，通过构建受控水生生态系统和利用现代分析技术：1）系统研究了典型MNMs在水环境中的团聚沉降行为、分布特征、生物富集与生物放大；2）在此基础上，重点研究了典型MNMs在低浓度长期暴露下对水生生态系统结构和功能的潜在影响及其生态效应，并探索MNMs影响现存污染物的可能机理，为制定人工纳米材料的环境安全标准，建立安全性评估和预防体系提供科学依据。课题研究发现nTiO2和C60进入水环境后均迅速沉降至沉积物表层，沉积物是MNMs主要的“汇”。 食物链传递实验发现，大型溞能够显著摄入并在肠道中富集C60，并且C60能够随捕食关系进入到斑马鱼肠道，但食物中的C60几乎不会被同化进入斑马鱼组织之中，且斑马鱼可以有效地从肠道中排出C60。由于nTiO2和C60进入水环境后主要分布于沉积物表层，底栖生物活动因此受到最大影响，甚至出现种群衰退迹象。进一步通过毒性实验验证，发现nTiO2和C60对田螺的生长指数，摄食率，能量代谢以及繁殖均造成了消极的影响。实验证实MNMs进入环境后将干扰生态系统平衡，存在一定的生态风险。此外，为深入揭示MNMs在水环境中的角色，本课题还探讨了MNMs对典型水环境污染物Cd生物毒性的影响。结果发现，nTiO2对Cd生态毒性具有一定的缓解作用，主要表现为生态系统中田螺的种群密度增加，田螺年龄结构由衰退型向平衡型发展，这主要是因为nTiO2使田螺对食物来源的Cd摄食减少，排出增加。课题整体研究表明，MNMs进入水环境后主要分布于沉积物中，并极大的影响底栖生物的生理和生态行为，抑制底栖生物种群发展，进而引起生态系统产生复杂的系列变化。上述研究结果为MNMs的生态风险评估与环境安全浓度的制定提供科学基础。