工程纳米TiO2污染对沉积物磷吸附的影响与机理

工程纳米材料的健康与环境安全是新兴的研究热点，也是当前国家纳米科技可持续发展亟待解决的重要科学问题。近年来工程纳米TiO2可能引起的环境安全问题受到广泛关注。当前工程纳米TiO2的风险评价主要集中于室内生物毒性研究，缺乏开展工程纳米TiO2影响环境介质中污染物环境行为的研究，特别是其微观作用机理。沉积物可能蓄积大量工程纳米TiO2。开展工程纳米TiO2污染对沉积物污染物环境行为的影响研究是深入了解其环境风险的重要环节。因此，本项目融合纳米科学、环境科学等学科前沿知识，选择富营养化过程中重要的限制因子之一磷元素为污染物，探索工程纳米TiO2对沉积物污染物吸附行为的影响特性，重点刻画工程纳米TiO2污染引起沉积物微观形貌与结构的变异规律，从微观角度剖析工程纳米TiO2污染影响沉积物磷吸附的作用机制，促进对工程纳米TiO2影响沉积物污染物环境行为的理解，提升对工程纳米TiO2环境风险的全面认识。

工程纳米材料的健康与环境安全是新兴的研究热点，也是当前国家纳米科技可持续发展亟待解决的重要科学问题。近年来工程纳米材料可能引起的环境安全问题受到广泛关注。当前工程纳米材料的风险评价主要集中于室内生物毒性研究，缺乏开展工程纳米材料影响环境介质中污染物环境行为的研究。沉积物可能蓄积大量工程纳米纳米材料。本项目自执行以来，融合纳米科学、环境科学等学科前沿知识，选择富营养化过程中重要的限制因子之一磷、氮元素为污染物，研究中国典型金属纳米材料的产量与水环境风险，污染沉积物纳米二氧化钛的可能浓度，探索工程纳米TiO2对沉积物磷吸附行为的影响及其微观机理，研究金属纳米材料对沉积物氨氧化过程的影响及其作用机制，促进对工程纳米材料影响沉积物典型污染物重要环境行为的理解，提升对工程纳米材料环境风险的全面认识。研究发现，排入环境中的主要金属纳米材料污染源为工业废水，其次是生活污水，是当前极其需要注意的纳米污染源。经过实际采样与分析，发现在受人类生活、生产活动剧烈影响的厦门海湾沉积物中蓄积着平均含量达到 2.74 g kg-1的Ti（ICP-OES检测），电镜与能谱仪检测表明很大一部分是纳米TiOx物质，首次从实验证据佐证沉积物已经蓄积了大量工程纳米TiO2这一“新型纳米污染物”。纳米TiO2污染沉积物后，有部分细颗粒进入沉积物的微孔堵塞微孔，导致沉积物平均孔径增加，微孔比表面积减小。而附着在沉积物表面的二氧化钛纳米颗粒，由于具有较高的比表面积，导致了沉积物外部比表面积和BET比表面积的增加。这一变化，也导致了沉积物分形维数随着二氧化钛浓度的增加而减小的趋势，表面和微孔趋于平滑，说明沉积物其吸附能力在减弱。沉积物磷等温吸附特征发现，随着纳米二氧化钛颗粒的增加，沉积物磷最大吸附容量在增加，而结合能参数却显示先增加后减小的趋势。这说明二氧化钛纳米颗粒污染沉积物后，一定程度上可以增加沉积物对磷的吸附，但随着二氧化钛浓度的增加，结合能参数却减小，可能导致沉积物成为上覆水磷的源，从而存在释放风险。纳米银对环境中氨氧化作用的抑制效应主要通过其杀菌能力影响了氨氧化菌的多样性和丰度而起作用. 而纳米TiO2较高的浓度对氨氧化作用亦有抑制作用。总体而言，纳米材料进入水环境后，将对环境中典型污染物的关键过程（吸附、解吸与氨氧化过程等）产生重要影响，随之产生的利弊，需要人们的关注与重视。