纳米稀土CeO2在土壤-动物体系中的形态转化、累积分布及毒性作用机制

Soil can serve as a major sink for rare-earth nanomaterials, and soil-dwelling animals are sensitive receptors considered in the derivation of soil environmental standards. However, the speciation and bioavailability of nanoparticles in soil and their interactions with the soil animals are less understood. In this project, the widely-used nano-CeO2 is chosen as the target pollutant, and a key soil species earthworm is selected as the model organism. By using the modern physicochemical analysis methods (DGT, TEM, XANES, μ-XRF, etc.) and high-throughput metabonomics, the transformations, uptake, bioaccumulation, and toxicity mechanisms of nano-CeO2 in the soil-animal system will be systematically investigated at the micro and molecular level. We aim to examine the interfacial behaviors of nano-CeO2 and their controlling factors in different soils, elucidate the impact of soil aging and earthworm activities on the speciation and bioavailability of nano-CeO2, and explore the uptake and elimination kinetics and distribution patterns of nano-CeO2 in earthworms. Meanwhile, at the organism level, the acute and chronic toxicity of nanoparticles will be determined, and predictive models will be established based on bioavailability. Finally, toxicity mechanisms of nano-CeO2 to earthworms will revealed at the metabolic level. Results obtained in this project would provide theoretical basis for ecological risks assessment and safe use of nano-CeO2.

土壤是稀土纳米材料在环境中的主要归宿，土居动物是土壤环境敏感受体，但目前对纳米材料在土壤中的赋存形态、生物有效性及其与土壤动物的相互作用机制还缺乏深入了解。项目选取广泛应用的纳米CeO2为研究对象，代表性土壤动物蚯蚓为模式生物，综合运用现代理化分析方法（DGT、TEM、XANES、μ-XRF等）及高通量代谢组学等手段，从微观及分子层面，系统开展纳米CeO2在土壤-动物系统中的形态转化、吸收累积过程、毒性效应及其机制研究。考察纳米CeO2在不同类型土壤中的界面化学行为及主控因子，探究土壤老化及蚯蚓活动对其形态和生物有效性的影响机制；探讨纳米CeO2在蚯蚓中的吸收、排出动力学及累积分布特征规律；在生物体水平上确定纳米CeO2的急性和慢性毒性，并构建基于纳米生物有效性的毒性预测模型；在代谢物组水平上揭示纳米CeO2对蚯蚓毒性作用的分子机制。为纳米CeO2的生态风险评估及安全利用提供科学依据。

土壤是纳米材料在环境中的主要归宿，土居动物由于受体敏感特性，是土壤健康的重要指示生物和纳米材料环境生态风险评估的良好材料，然而目前针对纳米CeO2在土壤环境中的环境行为与生物效应研究尚不充分。基于此，本项目系统开展了纳米CeO2在土壤-动物系统中的界面行为、吸收累积过程、毒性效应预测及毒理学分子机制研究。具体为：（1）研究了高岭土、针铁矿以及腐殖酸等典型土壤胶体对纳米CeO2团聚行为的影响，从胶体的电负性及浓度、共存离子类型、表面修饰等方面明确了影响纳米CeO2在土壤系统中自团聚、异相团聚及胶体稳定性的关键驱动因子，为解释并预测不同土壤类型体系下CeO2纳米颗粒的环境行为及归趋奠定了理论基础。（2）探究了不同浓度纳米CeO2和Ce离子暴露下，蚯蚓和线蚓对Ce的吸收、累积分布以及动物致死、体重、繁殖等表型响应，构建了基于数值拟合和金属生物有效性的预测模型量化了稀土元素对土壤动物的单一及联合毒性。（3）从动物个体水平、生理生化水平、转录组及代谢物组水平研究了纳米CeO2对土壤动物蚯蚓的毒性效应，发现暴露后蚯蚓体内MDA、Fe和K含量明显增加，表明纳米CeO2可诱导蚯蚓体内氧化损伤和营养元素失衡。综合分析差异表达基因和差异代谢物发现，纳米CeO2影响了蚯蚓体内与碳水化合物、蛋白质、脂质及核酸等合成的相关过程。（4）从土壤酶活、土壤微生物群落、土壤代谢物变化等角度，研究了蚯蚓活动对纳米CeO2微生物效应的影响，发现纳米CeO2胁迫下，蚯蚓的加入显著改变了参与土壤氮磷循环相关微生物的相对丰度，土壤中代谢物与微生物变化显著相关，蚯蚓通过自上而下的方式调控了纳米CeO2对土壤微生物群落多样性及其功能的抑制。因此，在评估纳米颗粒的土壤健康风险时，需要考虑到土壤生态系统的整体性。上述项目结果不仅可为土壤中纳米CeO2的生态风险评估及环境质量标准建立提供科学依据，也可为我国制定纳米材料生产与使用的相关政策管理措施提供理论支持，对于推动纳米科技的健康可持续发展具有十分重要的意义。