人工纳米材料对再生水补给城市河流中重金属污染物界面过程以及生态毒性的影响机制研究

River supplied by reclaimed water has become the major type of urban water flow. Heavy metal contamination in these rivers poses a problem which cannot be ignored. At the same time, with the development of nanotechnology, various types of nanomaterials will inevitably drains off into urban rivers fed by reclaimed water. This will lead to more serious ecological consequences when the nanoparticles interact with the heavy metals. In this project, isotopic tracer, biochemistry and other technical means are used to investigate the behavior, transformation, interfacial reaction and fate of the heavy metals in the presence of nanomaterials in the urban rivers supplied with reclaimed water. Then we focus on the influence of nanomaterials on the bioavailability, toxicology, and trophic transfer of the heavy metals in these urban rivers using a typical aquatic food chain. This project will gain better understandings the interaction of heavy metal contaminants and nanomaterials, and the influence rules of their biological effects. The achievements will contribute to the ecological risk management for the urban water, and provide evidence and guidance for the manufacture, use, and management of nanomaterials.

再生水补给河流已经成为城市河流的主要类型，其中重金属污染是一个不可忽视的问题，同时随着纳米技术的发展，各种类型的纳米材料不可避免地进入到再生水补给城市河流中，与重金属发生相互作用将会引发更严重的生态后果。本研究以环境中存在的典型人工纳米材料作为研究对象，利用同位素示踪、生物化学等技术手段系统研究城市再生水补给河流中人工纳米材料的存在对微量重金属污染物的存在、形态转化、界面反应、归趋等环境行为的影响，在此基础上针对再生水补给河流中典型水生食物链重点研究纳米材料对重金属污染物的生物可利用性、生物毒性、食物链传递的影响，总结出人工纳米材料与再生水补给河流中重金属污染物的相互作用规律，以及对重金属的生物可利用性、毒性效应和食物链传递的影响规律，研究成果不但可为再生水补给河流的生态风险管理提供指导，还可为纳米材料的制造、使用、和管理提供依据和指导。

再生水补给河流中重金属污染是一个不可忽视的问题，纳米材料进入到再生水补给城市河流中，与重金属发生相互作用将会引发更严重的生态后果。本项目围绕着典型人工纳米材料二氧化钛、氧化亚铜、钙钛矿、石墨烯，研究了城市再生水补给河流中人工纳米材料的存在对微量重金属污染物的存在、形态转化、界面反应、归趋等环境行为的影响，在此基础上针对再生水补给河流中典型水生食物链重点研究纳米材料对重金属污染物的生物可利用性、生物毒性的影响。阐明生物体内大分子蛋白和无机阴离子对金属硫蛋白测量的影响机理，建立了重金属污染生物标志物金属硫蛋白的精确测量方法。研究了典型人工纳米材料在水体中的团聚、稳定性以及迁移特性，发现纳米材料在水体中的稳定性受到光照、电解质、pH值及有机质等水质要素的影响，同时也与材料的表面包覆性质密切相关。低剂量的二氧化钛、氧化亚铜、钙钛矿、石墨烯等纳米材料均能对大型水蚤的生长、繁殖等慢性毒性效应产生影响，致毒机制与材料的元素组成、晶型、表面包覆、官能团分布等因素母密切相关。重点研究了毒性较低的纳米材料二氧化钛、石墨烯材料和水环境中金属铜的相互作用以及对金属铜的毒性影响机制，发现纳米二氧化钛和石墨烯均能迅速吸附溶液中的铜离子。吸附到二氧化钛表面的铜离子可能更容易进入细菌细胞，增强了铜在细菌细胞内诱导产生的ROS，抑制了SOD的活性，增加了MDA的含量，造成了更强的氧化损伤。石墨烯和氧化石墨烯对金属铜生物毒性的影响机制不同，石墨烯的存在促进了大型水蚤对Cu的摄取，增强了金属铜对大型水蚤的氧化胁迫，而氧化石墨烯的存在抑制了大型水蚤的氧化胁迫。为深入探索纳米材料的毒性机制，采用单细胞水生真核生物四膜虫研究了纳米材料的胞吞过程以及在细胞器的转移，阐明纳米材料的疏水性质的影响机制。项目共发表和录用SCI收录论文20篇，不但为再生水补给城市河流的生态风险管理提供了依据，同时也为人工纳米材料的生产、使用以及管理提供了数据支持。