人工纳米材料对水环境中有机污染物界面过程的影响机制研究

With the increasing production and application of engineered nanomaterials (ENMs), the potential ecological risks of ENMs have received much attention. The small scale and high surface area-to-volume ratio give ENMs high adsorptive affinity, reactivity, and catalytic capability. Accordingly, ENMs can markedly affect the interfacial processes of environmental contaminants, but to date, the exact mechanisms are not well understood. The theme of the proposed study is the mechanisms controlling the effects of typical ENMs on the interfacial processes of typical organic contaminants in aquatic environments. Specifically, we will focus on the complex system of ENMs, organic contaminants, environmental media, and water chemistry/biofilm, and will examine the aggregation, stability, and transport of nanoparticles, as well as nanoparticle-mediated partitioning, transport, abiotic transformation, and biodegradation of contaminants, under various environmental conditions. We will start from simple processes, then gradually combine different processes, and finally conduct a pilot-scale study to investigate the coupled chemical and biological processes of contaminants in a multi-medium aquatic environment in the presence of ENM nanoparticles. We will also develop relevant mathematical models. The outcome of the research may have important implications for both the understanding of the ecological safety of ENMs, and the development of ENM-based methodologies for pollution control and remediation.

随着人工纳米材料的生产和使用规模日益扩大，其潜在的环境风险受到广泛关注。人工纳米材料的小尺度、高表面/体相原子比等特性使其具有强吸附能力及高反应/催化活性，可显著影响环境中污染物的界面过程，但相关研究尚不多见，内在作用机制亦不明确。本项目拟以典型人工纳米材料对水环境中典型有机污染物界面过程的影响机制为主线，以纳米材料-有机污染物-环境介质-水化学条件/生物膜复合体系为研究对象，系统研究不同环境条件下，不同类型和表面化学特性的纳米材料的团聚、迁移，以及对有机污染物相平衡分配、运移、化学和微生物转化过程的影响，并剖析其内在机理。拟从单一过程和作用入手，逐步实现不同过程和作用的复合，最终通过中试装置模拟纳米材料存在下，典型有机污染物的化学和生物耦合过程，并建立相关的数学模型和理论体系，为准确评估人工纳米材料的环境效应、发展基于纳米材料的污染控制与修复新原理和新技术提供理论基础和技术支撑。

随着人工纳米材料的生产和使用规模日益扩大，其潜在的环境风险受到广泛关注。人工纳米材料的小尺度、高表面/体相原子比等特性使其具有强吸附能力及高反应/催化活性，可显著影响环境中污染物的界面过程，从而改变污染物的环境行为和效应。明确人工纳米材料与污染物相互作用的内在机制，对准确评估人工纳米材料的环境效应、发展基于纳米材料的污染控制与修复新原理和新技术意义重大。本项目以典型人工纳米材料对水环境中典型有机污染物界面过程的影响机制为主线，以纳米材料-有机污染物-环境/生物介质-水化学条件复合体系为研究对象，针对典型的碳纳米材料和金属氧化物纳米材料开展了研究。重点研究了不同表面化学特性的纳米材料在典型水环境条件下的赋存状态、胶体稳定性和迁移能力，在此基础上，研究了纳米材料对典型有机污染物的吸附解吸特征，以及胶体态纳米颗粒对污染物在地下含水层多孔介质中运移行为的影响；重点考察了碳纳米材料、金属氧化物纳米材料、以及复合纳米材料对有机污染物氧化还原反应、水解反应等化学转化，以及微生物降解反应和酶促反应等微生物转化过程的影响，并探索性地考察了纳米材料与微生物的交互作用；与此同时，重点研究了纳米材料在环境中的物理、化学和生物转化过程，及对纳米材料环境行为与效应、纳米材料—污染物作用机制的影响。研究结果表明，人工纳米材料与常规尺度材料相比，无论其自身的环境行为，还是在影响典型有机污染物环境界面过程的机制上均存在显著的差异；痕量的人工纳米材料即可显著影响有机污染物的迁移、转化等环境行为和效应；水环境中人工纳米材料可发生一系列的复杂的物理、化学和生物转化，进而显著影响纳米材料与污染物的相互作用。研究结果的一个重要启示为，不能仅从原始态人工纳米材料本身的毒性等生物效应来评价人工纳米材料的环境影响，考察纳米材料的环境效应，必须充分考虑纳米材料的环境转化，以及纳米材料与污染物的交互作用。