应用人工生物膜研究生物界面对碳纳米颗粒沉积的影响

The deposition of carbon nanomaterials (CNMs) in natural media is affected by bio-surfaces. Bio-surface has complicated composition and structure, exists together with the minerals and natural organic matter (NOM). Hence it is difficult to evaluate the effects of bio-surfaces on the deposition of CNMs and the interactive mechanisms. Therefore, the artificial biomembranes will be prepared in this study to simulate the natural bio-surfaces. The composition and ratio of biomolecules (including lipids, lipopolysaccharides, proteins, etc) in the artificial biomembranes can be adjusted according to the requirements. Silica and aluminum oxides will be selected as the mineral matrix, and NOM will be added in the system. The objectives of this study are to measure the mass and kinetics of CNM deposition on the artificial membranes, to explore the interactive mechanism between biomolecules and CNMs, and to investigate the effects of electrolyte, NOM and oxide matrix. To study the deposition in porous media, a micromodel will be designed and fabricated via photolithographic technique. After setting the artificial biomembranes into the micromodel, the deposition and distribution of CNMs can be imaged and quantified, which will provide better understanding to CNM deposition and transport in the media coexistent organisms, minerals and NOM. This study will develop a new model system to simulate the complicated porous media in the environment, and will predict the environmental geochemical processes of CNMs.

碳纳米颗粒在环境介质中的沉积过程受到生物界面的影响。然而生物界面组成和结构复杂，并与矿物基质和天然有机质共存，用常规方法确定其对碳纳米颗粒沉积的影响和作用机制存在困难。本研究拟制备人工生物膜来模拟自然界中的生物界面，根据需要调控生物膜中脂类、脂多糖、蛋白质等生物分子组成和比例。选择氧化硅、氧化铝作为人工生物膜的支持基质并在体系中加入天然有机质趋近真实环境。目的在于测定碳纳米颗粒在人工生物膜表面的沉积质量和动力学，分析生物膜中不同组分与碳纳米颗粒的相互作用机理，及电解质、有机质、氧化物基质的影响。为研究碳纳米颗粒的孔隙沉积，采用光蚀刻技术制备微模型模拟孔隙介质，将人工生物膜置入微模型孔隙内部，用成像手段记录和定量碳纳米颗粒在孔隙内部的沉积分布，深入理解碳纳米颗粒如何在生物-矿物-有机质共生介质中沉积和迁移。本研究将建立复杂环境孔隙介质的模拟体系，为预测碳纳米颗粒的环境地学过程提供重要依据。

碳纳米颗粒具有广泛应用，被排放进入环境后与生物界面的接触会影响其环境过程。本课题研究了生物界面对碳纳米颗粒沉积规律的影响，结论如下：.(1) 生物界面能促进碳纳米颗粒的沉积。其在氧化物界面的沉积由范德华力和静电力主导，而在生物界面上增加了氢键等作用力，加快了沉积速率rf。氧化石墨烯GO和还原氧化石墨烯RGO在磷脂(DOPC)、磷脂-脂多糖(DOPC-LPS)和蛋白质(BSA)界面上的rf均高于在SiO2界面上的rf。其中在BSA表面的rf和沉积附着效率αD最高。BSA中的氨基酸残基易与颗粒物表面含氧官能团形成氢键，增大界面作用力促进沉积。在DOPC-LPS表面上rf的高于在DOPC表面上的rf，因为LPS的多糖链可增加界面粗糙度促进沉积。此外研究还发现C60在脂质表面的沉积由静电力主导。.(2) 在多孔介质中生物界面对碳纳米颗粒沉积的作用更为复杂。柱实验发现生物界面促进了GO在多孔介质中的沉积，沉积量与界面沉积结果一致：BSA>DOPC-LPS>DOPC。但生物界面的存在对RGO的孔隙沉积量无明显影响。用微模型进一步探究碳纳米颗粒在孔隙中的沉积机制，发现RGO在孔隙中的沉积主要靠截留和物理堵塞机制；而GO的沉积由截留主导。因此物理堵塞弱化了界面作用力对RGO孔隙沉积量的影响，使RGO在不同内表面的孔隙中的沉积趋于一致。然而溶液中BSA却降低了碳掺杂纳米颗粒C-TiO2在多孔介质中的沉积量，说明游离生物分子与生物界面对碳纳米颗粒的沉积起不同作用。.(3) 碳纳米颗粒在界面上和孔隙中的沉积是相关而又相异的过程。本研究中，界面沉积主要由扩散-吸附机制控制，孔隙沉积中则增加了截留-吸附和物理堵塞机制。生物界面主要影响吸附机制，因此影响界面沉积，不同生物分子也造成沉积差异。当颗粒在孔隙中沉积不发生物理阻塞时，生物界面影响沉积量；当物理阻塞主导孔隙沉积时，生物界面是否存在对碳纳米颗粒的沉积量几乎无影响。.本课题全面分析了生物界面在碳纳米颗粒沉积过程中的作用，阐明了界面沉积和孔隙迁移之间的关系。研究结果对评价碳纳米材料的环境地学过程有重要意义。