土壤修复过程中纳米材料-重金属对蚯蚓的联合毒理效应与分子机理

Nano-materials, especially applied to heavy metal contaminated soil after remediation, adsorb a large number of pollutants which long-term accumulation in the soil is worrying and there is no clear answer to the effect of Ecotoxicology. This project uses nanomaterials which are often used in repairing heavy metal contaminated soils as examples: The toxicity level and effect threshold of different chemical composition, morphologies and sizes on earthworms were studied by earthworm acute and chronic toxicity experiments. Through the macroscopic and microscopic toxicological indexes, the toxicological effect mechanism was proved by means of 1HMNR, SEM, TEM and FIM. The microstructure and mechanism of heavy metals binding on nanomaterials were revealed by adsorption thermodynamics and kinetic experiments with the help of XAFS, SEM-EDS and FTIR techniques to study on the mechanism of toxicity of nanoparticles-heavy metals interaction on earthworm. By column leaching experiment and soil culture experiment, study the toxicological effect and influence mechanism of nanomaterials - heavy metals on earthworm in soils and in soil-plant system with pot and rhizosphere microarea experiments. It provides scientific basis for revealing the ecological risk of nano-materials used in remediation of heavy metal contaminated soils.

纳米材料，尤其应用于重金属污染土壤修复后，吸附着大量重金属在土壤中长期蓄积令人担忧，其生态毒理学效应还没有明确答案。本项目以常用于重金属污染土壤修复研究的纳米材料为例，通过蚯蚓急、慢性毒性实验等研究不同化学组成、形貌、尺寸的纳米材料对蚯蚓的毒作用水平和效应阈值。通过毒理学宏观、微观指标，借助1HMNR、SEM、TEM、LSCM等技术，探明其毒理效应机理。通过吸附热力学、动力学实验，计算键合能、吸附热、吸附量等，借助XASF、SEM-EDS、FTIR等技术，探明纳米材料-重金属作用的微观机理，揭示纳米材料-重金属作用对蚯蚓的毒理效应机理。通过柱淋溶实验、土培实验等，研究土壤中纳米材料-重金属作用对蚯蚓毒理效应及影响机理。通过盆栽室验、根际微区实验等，研究土壤-植物系统中纳米材料-重金属作用对蚯蚓毒理效应及影响机理。研究将为认识纳米材料应用于重金属污染土壤修复的生态风险提供科学依据。

纳米颗粒，尤其应用于重金属污染土壤修复后，吸附着大量重金属在土壤中长期蓄积令人担忧，其生态毒理学效应还没有明确答案。本项目以常用于重金属污染土壤修复研究的7种纳米颗粒为例，通过蚯蚓急、慢性毒性实验、回避试验、DNA损伤实验、土培实验等，研究不同化学组成、形貌、尺寸的纳米颗粒对蚯蚓的毒作用水平和效应阈值，探明其蚯蚓毒理效应机理；研究纳米颗粒表面改性、纳米颗粒与重金属的相互作用对蚯蚓的毒理效应，揭示其分子机理。研究将为认识纳米材料应用于重金属污染土壤修复的生态风险提供科学依据。主要结论如下：. （1）近球形的纳米碳黑（CB）、片状还原氧化石墨烯（RGO）和长管状单壁碳纳米管（SWCNT）对蚯蚓的急、慢性毒理效应为：SWCNT>RGO>CB。碳纳米颗粒的形貌和水动力学直径差异是导致其毒理效应差异的最重要因素。三种纳米颗粒进入生物膜的方式不同引起蚯蚓氧化应激的机理也显著不同。. （2）短棒状n-HAP、片状n-zeolite和近球体n-Fe3O4对蚯蚓的对皮肤损伤、存活率、生长率、ROS含量、氧化应激和DNA损伤等的影响均为：n-HAP < n-zeolite < n-Fe3O4。三种纳米颗粒的形貌、表面含氧官能团-OH、晶格稳定性等的差异是导致蚯蚓毒理效应差异的主要因素。纳米颗粒对Cd的吸附能力越强，两者相互作用对蚯蚓的毒理效应越大。. （3）CB经氧化表面改性后（MCB）含氧官能团增加、Zeta电位降低、对Cd的吸附能力增大等。CB和MCB对蚯蚓肠道组织、细胞存活率、病理形态、DAN损伤程度均有显著负影响，但MCB的毒性显著大于CB。MCB表面负电荷和含氧官能团增加引起了蚯蚓氧化应激增强。. （4）低剂量MCB-Cd是拮抗作用，高剂量是协同作用。低剂量时MCB-Cd紧密结合，降低了Cd的生物毒性。另外，Cd的吸附降低了MCB的表面负电荷，从而降低了MCB的生物毒性。高剂量时MCB吸附土壤中的Cd，增强了Cd向蚯蚓体腔细胞内转运，引发一系列毒副反应。. 综上，纳米颗粒本身具有一定的生物毒性，尤其表面改性后或吸附了土壤中重金属后，毒性增加。因此，纳米材料应用于重金属污染土壤修复具有较大的生态风险。