氧化铜纳米颗粒在土壤-大豆系统中运移转化、累积分布与长期毒性作用

The extensive production and application of engineered nanomaterials result in their inevitable release into environments, causing potential impact on environments and humans. Agricultural soil is a primary sink for nanomaterials in environments. Therefore, it is of great importance to determine the migration, transformation, accumulation, distribution, and long-term toxicity of nanomaterials in soil-plant systems. This project firstly aims to systematically investigate the transport and retention behaviors of copper oxide nanoparticles (CuO NPs) in the typical Chinese soils (namely yellow soil, red soil, purple soil, brown soil, cinnamon soil and black soil). The important physical and chemical properties of soils in influencing the transport behaviors of CuO NPs will be analyzed. The results will provide fundamental basis for scientific evaluation of leaching risks of metal oxide nanomaterials. Secondly, soybean will be employed to determine the responses of the growth indexes, antioxidant system, translocation and accumulation of Cu in different tissues of soybean under the long-term stress of CuO NPs. Furthermore, the impact of fertilization conditions (i.e., various concentrations of selenium, nitrogen and phosphate fertilizers) on the transport and retention flux of CuO NPs in soil, bioavailability of CuO NPs in soybean soil, translocation and accumulation of CuO NPs in soybean, and long-term toxicity of CuO NPs against soybean, will be determined. Hence, the results of this project will be beneficial for better understanding of the agricultural product safety issues and the environmental and ecological risks of metal oxide nanomaterials.

金属纳米材料的大量生产和广泛应用使其不可避免地被释放入环境中，并对环境和人类健康产生潜在影响。农田土壤是纳米材料在环境中的主要归宿，因此开展纳米材料在土壤-植物系统中迁移转化、累积分布与长期毒性效应的研究显得尤为重要。本项目拟以CuO纳米颗粒（CuO NPs）为研究对象，系统研究其在我国典型土壤中迁移与滞留行为，并在此基础上分析和阐释影响CuO NPs在土壤中迁移与滞留通量的关键土壤性质，为评估金属氧化物纳米材料的淋溶风险提供理论依据。此外，本项目拟以大豆为试验植物，探明CuO NPs对大豆整个生育期内生长指标和生理指标的影响及其在植物体不同组织中累积分布情况，并在此基础上明晰不同施肥条件（即硒、氮、磷肥）对CuO NPs在土壤中迁移行为、生物有效性及对其在大豆植株体内吸收转移、累积分布与长期毒性效应的影响，为全面认识金属氧化物纳米材料的农产品安全问题及环境和健康风险提供数据支撑。

金属纳米材料的大量生产和广泛应用使其不可避免地被释放入环境中，并对环境和人类健康产生潜在影响。农业土壤是纳米材料在环境中的主要归宿，因此开展纳米材料在土壤-植物系统中迁移转化、累积分布与长期毒性效应的研究显得尤为重要，然而目前有关这方面的研究报道还十分有限。本项目以铜基纳米颗粒为研究对象，研究了其在农业土壤中迁移转化行为，以大豆为试验植物，探究了铜基纳米颗粒对大豆体内Cu元素累积分布与其对大豆生理指标的长期影响，为全面认识金属纳米材料的农产品安全问题及环境和健康风险提基础数据。研究结果表明，铜纳米颗粒（Cu NPs）在农业土壤中迁移能力很弱，几乎完全被滞留于土壤中，增施NH4Cl促进了含有Cu NPs农业土壤的Cu的有效性。Cu NPs处理显著增加了大豆体内Cu累积量，Cu NPs处理下大豆体内Cu含量甚至显著高于同水平Cu2+处理下大豆体内Cu含量。Cu NPs处理下的大豆根细胞出现明显形变，且根细胞中观察到颗粒聚集物；Cu NPs改变了大豆体内养分构成，如显著降低了根系氮与磷含量，显著增加了大豆叶片钾含量。大豆叶片中叶绿素b相较于叶绿素a和类胡萝卜素对Cu NPs的影响更敏感。本项目运用效应-加和模型分析发现当Cu NPs ≥ 5 mg/L，除了由Cu NPs释放的Cu离子，Cu NPs本身在对大豆生长的影响中也发挥了重要作用。最后，本项目研究发现金属纳米材料（CuO NPs与TiO2 NPs）与环境中重金属离子（Cu与Cd离子）间相互作用对二者的环境行为、归趋和毒性效应产生了显著影响。通过本项目研究，明晰了铜基纳米材料在农业土壤中的淋溶风险，揭示了其对大豆生理指标的长期影响，阐释了金属纳米材料与共存重金属间的相互作用对二者环境风险的影响。