获奖成果名称《水体中自然和人工来源颗粒-污染物-生物相互作用机制及效应》

随着社会经济的发展，各种微纳米材料、塑料和生物炭的使用导致大量人工颗粒进入水体，与自然来源的泥沙颗粒共存。但目前有关水体人工来源颗粒的生态风险、人工和自然来源颗粒对污染物生物有效性的影响以及对水环境质量基准和评价的影响认识不足，严重影响了水环境管理决策。目前解决这一国家重大需求的瓶颈是有关水体自然和人工来源颗粒-污染物-生物相互作用机制不清楚，尤其量化三者相互作用关系更是面临的科学难题。本项目针对这一国家重大需求和科学难题，阐明了水体纳米金属氧化物、碳纳米材料、微塑料和生物炭等人工来源颗粒对生物的毒性效应以及生物对其的适应机制，解析了自然来源泥沙颗粒对人工来源颗粒生物毒性的影响机理；揭示了沉积物中碳质材料的来源和含量对污染物生物有效性的影响机制；剖析了自然和人工来源颗粒结合态污染物的生物有效性及其对水质评价的影响；揭示了水体中自然和人工来源颗粒-污染物-生物相互作用机制，建立了量化关系模型。项目研究思路见图1，主要科学发现如下：

图1 项目研究思路图

（1）建立了检测水中纳米颗粒产生活性氧自由基(ROS)的分子探针技术, 将ROS的检测从定性提升到定量，揭示了纳米材料电子结构对ROS产生的影响机制，发现细菌活性随ROS增加而线性降低的变化规律；首次发现细菌具有通过调控细胞膜组成对人工纳米颗粒产生适应的机制；进一步发现自然来源泥沙颗粒能显著降低人工来源颗粒的毒性效应，揭示了泥沙颗粒的影响机制，建立了量化关系模型，为人工材料的安全应用提供了方法和理论基础。

（2）明晰了具有不同理化性质的人工来源碳质材料和自然来源泥沙颗粒对典型有机污染物的吸附机制；发现河流沉积物中有机污染物的生物降解受解吸作用控制，解吸作用受黑炭含量控制，将沉积物组成对污染物生物有效性的影响由现象表征拓展到过程揭示；首次建立了沉积物中污染物生物有效性与碳质材料间具有物理意义的量化关系模型，揭示了碳质材料对污染物生物有效性影响的定量化规律，为碳质材料的环境修复应用提供了重要科学依据。

（3）阐明了水体自然和人工来源颗粒结合态以及溶解性有机质结合态有毒有机污染物的生物有效性，解决了结合态污染物生物有效性难以量化的难题；首次建立了同时考虑有毒有机污染物连续水相吸收和离散摄食颗粒吸收的生物富集动力学模型；提出了不仅考虑水体自由溶解态而且考虑悬浮颗粒和溶解性有机质结合态污染物生物有效性的水质评价模型，为水体有毒有机污染物水质基准建立和水环境质量评价提供了新的理论依据。