沉积物有机质对纳米银在沉积物-水界面迁移转化的影响及作用机制

As one of the most widely used nanomaterials, silver nanoparticles (AgNPs) will undoubtedly make their way into the aquatic environment, and their transport and transformation at the sediment-water interface have attracted extensive attention in recent years. Organic matter constitutes a minor but important fraction of sediment in the lake, and considerable researches have indicated that the sediment organic matter plays a critical role in the geochemical cycles of many substances. However, limited knowledge is available concerning the effects of sediment organic matter on AgNPs’ transport and transformation at the sediment-water interface. Hence, based on our previous work, techniques such as infrared spectrum and nuclear magnetic resonance will be used to explore the structure, concentration and composition of sediment organic matters (originated from different ecotypic lakes) as well as their fractions. Additionally, the impacts of sediment organic matters and their fractions on AgNPs’ environmental behavior such as dissolution, aggregation, adsorption and desorption at the sediment-water interface will be further investigated to reveal the key fraction and key structure of organic matter, and to illuminate their influence mechanisms. Moreover, sediment-water microcosms will be constructed to probe the effects of sediment organic matter on species and temporal-spatial distribution of AgNPs at the sediment-water interface under different conditions; meanwhile, the change of micro-environment will also be analyzed to further reveal the mechanism of how sediment organic matter affects the transport and transformation of AgNPs. The project will provide a comprehensive understanding on the fate and environmental risk of AgNPs in aquatic environment.

纳米银作为当前应用最广泛的纳米材料之一，可通过多种途径进入自然水体，其在沉积物-水界面的迁移、转化正日益引起人们的关注。有机质作为沉积物的重要组分，其在多种物质的地球化学循环中扮演重要角色，但目前关于其如何影响和控制纳米银在沉积物-水界面的环境行为尚未明确。本项目拟在前期研究基础上，综合运用红外光谱、核磁共振等技术手段，获取不同生态型湖泊沉积物有机质及其分级组分的结构、含量、组成特征，并考察它们对纳米银在沉积物-水界面溶解、团聚、吸附、解吸等行为的影响，以此揭示有机质控制纳米银界面行为的主要组分和关键化学结构，阐明其影响程度和影响机制；此外，通过建立的沉积物-水微宇宙系统，研究不同环境条件下有机质对沉积物-水界面纳米银的赋存形态和时空分布的影响，同时结合微环境的变化特征分析，进一步阐明沉积物有机质调控纳米银迁移、转化的机制。项目成果将为全面了解和评估纳米银的环境行为和风险提供科学依据。

纳米银等纳米材料的大量使用使它们不可避免的被排入水环境中，因此研究水环境中纳米银的迁移、转化、归宿和生态效应日益受到国内外的重点关注。针对水环境因子很可能对纳米银迁移转化和生态毒性产生影响，本项目重点探讨了沉积物有机质对纳米银在沉积物-水界面迁移转化及生态毒性的影响作用。项目从纳米银在不同类型水环境中的行为入手，探讨了有机质对纳米银稳定性、溶解性和毒性效应的影响和作用机制。研究结果表明，单一水相中腐殖酸、黄腐酸等有机质的存在能够起到维持纳米银水相稳定性的作用，具体表现为抑制纳米银的团聚、沉降和溶解，且随着有机质浓度的升高，抑制作用不断增强。尤其是在模拟太阳光照射下，天然有机质的易氧化特性能够显著促进银离子向纳米银转化，从而能够有效维持“纳米银-溶解银”间的转化平衡。在自然沉积物-水系统中，纳米银能够在水体中维持一定时间的存在，但随着时间延长，纳米银最终将绝大部分沉降积累在沉积物表层。积累在沉积物中的纳米银，相当部分会与沉积物中有机质稳定结合。这种结合一方面可能因有机质的包裹作用而抑制纳米银的溶解，从而导致纳米银在水生态系统中的生物有效性显著降低。另一方面，这种结合可能因有机质的空间位阻、质子化等特性而使得纳米银在沉积物-水界面间的迁移能力得以提升。此外值得注意的是，纳米银具有通过改变沉积物中微生物结构和功能而反作用于有机质的效应，从而改变有机质在沉积物中的覆存状况，并进而影响纳米银的迁移转化，这一结果提示我们在评估有机质与纳米银相互作用时应考虑生物因素的重要性。以上研究结果有助于加深对纳米银水环境行为的理解，为进一步准确评估纳米银的生态环境风险和环境归宿奠定了良好的基础。整个基金执行期间，整理并发表了具有本基金署名（第一标注）的相关科研论文5篇，其中Environmental Science: Nano 1篇，Environmental Pollution和chemosphere各1篇，Science of The Total Environment 2篇。