太阳光照下纳米二氧化钛在环境水体中的转化过程及其环境效应研究

The expansive use of nano-TiO2 has induced an increasing release into aquatic environment. Given the small size, high mobility and high photo-activity of nano-TiO2, it is important to evaluate the environment risks associated with the transformation and mobility of this nanomaterial. Herein, we propose to study the environmental transformation behaviors of nano-TiO2 in the natural aqueous medium under sunlight irradiation. The changes of physicochemical properties of nano-TiO2 induced by light irradiation will be detected to explicate the possible aggregation, sedimentation, adsorption behaviors. The interface interactions between nano-TiO2 and other contaminants in aquatic system and their co-transformation behaviors will be investigated to evaluate their persistence in the environment. Daphnia magna will be selected as the target organism to evaluate the potential toxicity of nano-TiO2 and its complex with other contaminants after environmental transformation in the aquatic system. Meanwhile, the relationships between nano-TiO2 structural properties and their environmental behaviors and biological effects will be revealed. This study will provide new perspectives for evaluating the environmental risk of nano-TiO2 exposure.

纳米TiO2的广泛使用导致其在环境水体中的赋存量日渐增加。由于环境水体的复杂性且纳米TiO2具有较小的尺寸、高迁移率和高光学活性，因此纳米TiO2的环境风险评价必须考虑其在环境水体中的转化过程。基于此，本项目提出了研究太阳光照下纳米TiO2在环境水体中的转化过程及其环境效应。项目拟通过对光照条件下纳米TiO2在环境水体中的理化性质和存在状态进行监控，研究纳米TiO2在水体中的环境转化途径和发生机制，揭示环境水体中纳米TiO2与共存污染物的界面反应过程。以大型溞为指示生物，考察纳米TiO2及其与代表性污染物复合物经光化学转化后对水生生物的毒性效应，重点关注转化产物的毒性增强效应，初步建立纳米TiO2的结构性质与其在水环境中转化过程、生物毒性效应的关系模型，为评价纳米TiO2的环境风险提供基础。

纳米TiO2的高迁移率和光学活性使得在评估其环境暴露风险时必须考虑其在环境水体中的转化过程。本研究以纳米TiO2的环境暴露－环境转化－环境效应为主线，揭示了纳米TiO2在环境水体中的光化学物理转化过程和生态毒性效应。发现了纳米TiO2在水体中的光致聚集现象，揭示了纳米TiO2的光致聚集过程与光照过程中纳米材料表面端羟基与桥羟基官能团的选择性生长相关，在环境水体中，太阳光照可以加速纳米TiO2在环境水体中的聚集过程，进而改变其环境归趋行为；以不同晶面暴露纳米TiO2作为模型体系，发现低腐殖酸浓度存在时，{001}TiO2在水体中的稳定性高于{101}TiO2，当腐殖酸浓度较高时，{001}TiO2和{101}TiO2在环境水体中具有相当的稳定性，这是由于腐殖酸对不同晶面TiO2吸附作用机制不同导致：在{001}TiO2表面以单齿配位吸附为主，在{101}TiO2表面以双齿配位吸附为主，因而在实际水体中，两种不同晶面TiO2具有不同的环境归趋行为；采用大型溞作为模式生物，{001}TiO2对大型溞的毒性效应明显高于{101}TiO2，通过对大型溞体内Ti富集浓度和ROS生成浓度进行检测，发现{001}TiO2晶面高反应活性诱导的ROS生成是导致其毒性较强的重要原因；在纳米TiO2与Cu2+共存体系中，暗态时，Cu2+物理吸附在纳米TiO2表面，在模拟太阳光照下，Cu2+被TiO2产生的光生电子还原生成CuOx纳米颗粒，沉积在纳米TiO2的表面，纳米TiO2与Cu2+在光照下的共转化行为导致其对大型溞的毒性效应发生明显改变，进而影响纳米TiO2与污染物共暴露时的环境风险。