稻田周丛生物对土水界面间金属纳米颗粒环境行为影响及其机制

Metal nanoparticles (MNPs) can inevitably release into paddy ecosystem by various pathways, such as agricultural utilization of nanoproducts and sludge containing MNPs. The toxic effects and mechanisms of MNPs in farmland have received lots of attentions recently. However, the environmental behaviors and their mechanisms of periphyton affecting MNPs in soil-water interface in paddy fields are still unclear. Therefore, this study will be conducted in both microcosmic culture and pot experiments, based on typical MNPs (CeO2 NPs) and paddy periphyton. Using the spectroscopy and imaging techniques based on synchrotron radiation and metagenomics, we will study i) the mechanism of chemical binding and biotransformation of MNPs by periphyton, ii) the adaptation mechanism of periphyton to the toxic effect of MNPs, iii) the influence mechanism of periphyton on the transport and transformation of MNPs in “soil-periphyton-water” interface and the uptake by rice roots. The study not only contributes to reveal the actual environmental behavior and risk of MNPs in the paddy soil-water interface, but also has significant meaning to ensuring food security and emerging pollution prevention and control in farmland.

金属纳米颗粒可通过纳米化学品、污泥农用等多种途径进入稻田生态系统，为此，不少学者开展了纳米颗粒的农田毒理效应研究，然而，其与稻田土水界面大量存在的周丛生物的相互作用及其环境效应尚不清楚。因此，本项目以典型金属纳米颗粒（CeO2纳米颗粒）和稻田周丛生物作为主要研究对象，通过微宇宙培养和盆栽模拟试验，采用基于同步辐射的谱学技术、成像技术以及宏基因组学等技术手段，解析周丛生物对金属纳米颗粒的化学结合和生物转化机制，揭示周丛生物对金属纳米颗粒胁迫的生理生态适应机制，阐明周丛生物对金属纳米颗粒在土水界面迁移、转化和根系吸收的影响及其机制。项目成功实施，不仅有助于揭示纳米颗粒在稻田土水界面的真实环境行为和生态风险，对于保障水稻生产安全以及农田新兴污染防控也有重要意义。

纳米颗粒会通过多种直接或间接途径进入稻田土壤中，不仅对土壤生态和植物生长造成危害，也可能危害人类健康和粮食安全。为了全面客观的评价纳米颗粒的稻田生态风险，以广泛使用的金属纳米颗粒和稻田周丛生物（生物膜）作为主要研究对象，采用微宇宙培养和盆栽模拟相结合的研究方法，探讨了纳米颗粒在稻田土水界面的环境行为以及稻田生物膜对其的影响机制。研究揭示了纳米颗粒和土壤矿物之间的异质聚集机制及其受胞外聚合物（EPS）的影响，发现氧化铈纳米颗粒与针铁矿和赤铁矿的异质聚集主要依赖于静电引力，而EPS可以通过丰富的官能团与矿物和纳米颗粒结合，通过增加胶体之间的静电排斥力或空间位阻稳定性，减少纳米颗粒的异质聚集和沉积；探究了纳米颗粒在饱和多孔介质中的迁移规律以及生物膜对其迁移的影响，发现纳米颗粒的种类、浓度和粒径均会影响其在饱和多孔介质中的传输，而生物膜和土壤矿物能够通过对纳米颗粒的吸附和异质聚集作用影响其传输效率；阐明了纳米颗粒在稻田生物膜-土壤-植物系统的迁移和累积规律，发现纳米颗粒主要累积在表层土壤中，其中生物膜主要是通过吸附和沉降作用积累大量的纳米颗粒，而土壤矿物能够通过对纳米颗粒的异质聚集作用，将大部分纳米颗粒滞留在表层土壤中；探讨了稻田生物膜对纳米颗粒胁迫的群落适应机制，研究表明纳米颗粒胁迫能够显著的改变生物膜的微生物多样性和群落组成，而稻田生物膜能够适应较高浓度的纳米颗粒胁迫，在纳米颗粒污染下仍能保持微生物群落功能的稳定性。研究明确了纳米颗粒在生物膜-土壤-植物系统的迁移规律及其影响机制，并表明生物膜在控制纳米颗粒稻田环境行为方面具有一定的应用潜力，研究结果将为稻田纳米材料生态风险预测和防控提供理论依据和新的思路，对于保障水稻生产安全以及农田新兴污染防控具有一定意义。