水环境中藻类胞外聚合物对纳米氧化锌稳定性和迁移性的影响机制研究

摘要

随着纳米材料的日益发展，纳米颗粒被越来越广泛地运用于各行业各领域中，随之而来的是学界对其释放到环境中后对环境安全和健康风险带来潜在风险的忧虑。由于纳米颗粒进入自然水体后会与水环境因素相互作用并发生一系列的物理化学反应，带来其自身理化特性的改变，并暴露于生物体对其产生不同程度的毒性，因此探究这一过程中纳米颗粒的理化变化，明确其与环境因素的相互作用机理，考察其在水环境中的迁移归趋行为，是预测纳米颗粒对水生生物的潜在暴露行为和暴露途径的有效研究方法，有利于监测和控制其环境命运，并降低其暴露在水环境中的风险。本文以典型金属氧化物纳米氧化锌（nZnO）为研究对象，探讨其在常见水环境条件下的凝聚行为和环境界面上的沉积行为，以及溶液化学性质、离子类型对该过程的影响。重点考察了水生有机物蓝藻和微藻细胞胞外聚合物（EPS）对nZnO稳定性和迁移性的影响规律和作用机理，并借助经典Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek(DLVO)胶体理论模型以及扩展后的EDLVO胶体理论模型进一步模拟和论证。同时，采用牛血清蛋白（BSA）和海藻酸钠（alginate）作为标准蛋白质和多糖，对实验结果进行了进一步的验证。　　本文首先优化了蓝藻和微藻的细胞附着型胞外聚合物（B-EPS）的提取方法。我们以微囊藻和栅藻分别作为原核和真核微生物的代表，对比了六种以往的研究中最常用的提取方法，即加热法，离心法，超声法，EDTA法，CER法和NaOH法，每种方法设置四种常用强度和三种常用提取时间，首次实现了对B-EPS的提取从方法种类到提取条件上的系统性对比。更为重要的是，首次开发出了B-EPS提取方法效率的定量评估模型（B-E4模型），通过简单测量所提取B-EPS中多糖，蛋白质和核酸的含量，计算出效率评估参数k,用以表示每单位质量的胞内物质释放出时，提取到的B-EPS的质量。结果表明，在70℃下加热10分钟，对微囊藻和栅藻都达到了最佳的提取效果。　　我们探索了离子类型和离子强度对nZnO在水环境中凝聚动力学的影响机制，重点探究了微囊藻和栅藻EPS对nZnO的凝聚动力学的影响。结果显示，nZnO在一价和二价阳离子溶液中的凝聚行为基本符合经典DLVO理论预测，钠盐和钙盐对其凝聚动力学的影响规律也符合舒尔策-哈迪规则，其在钠盐和钙盐中的临界凝聚浓度分别为150mM NaCl和10mM CaCl2。在两种盐溶液中，B-EPS对nZnO凝聚行为均起到了不同程度的抑制作用，在低浓度的钠盐（＜1000mM）和钙盐（＜50mM）中，D-EPS对nZnO的凝聚也起到了一定程度的抑制作用，不过弱于B-EPS，该作用的强弱主要与EPS本身的化学构成有关。蛋白质含量比例较高的B-EPS较多糖含量较高的D-EPS更能抑制nZnO的凝聚，增强其稳定性。扩展DLVO作用能的计算证实了空间位阻斥能在这一过程中发挥的关键作用。而在高浓度的钠盐（＞500mM）和钙盐（＞20mM）中，D-EPS却促进了nZnO的凝聚，这主要是由于D-EPS中存在较多的多糖成分，在高盐条件下形成了桥接结构，从而促进了nZnO的凝聚。为了验证蛋白质和多糖的含量比例与有机物抑制nZnO凝聚的能力呈正相关，由不同比例组成的标准蛋白质和多糖的有机混合物进行了验证实验，结论证明了蛋白质的存在对EPS增强nZnO稳定性起到的了重要作用。　　接着我们研究了nZnO在代表性水环境界面二氧化硅（SiO2）上的沉积动力学。研究结果显示，在一价和二价阳离子溶液中，nZnO在环境界面上的沉积行为基本符合经典DLVO理论预测。钠盐和钙盐对其凝聚动力学的影响规律也符合舒尔策-哈迪规则，其在钠盐和钙盐中的临界沉积浓度分别为100mM NaCl和5mM CaCl2。更重要的是，研究了EPS存在于背景溶液中时以及涂覆于环境界面上时对nZnO沉积动力学的影响。当背景溶液中存在EPS时，通过对比B-EPS加入前后的沉积速率变化，证实了两种B-EPS在钠盐和钙盐中均对nZnO的沉积都起到了不同程度的促进作用，这归因于B-EPS一方面抑制nZnO的凝聚加强了颗粒的布朗运动，另一方面B-EPS中蛋白质含有的带正电的赖氨酸残基为nZnO的沉积提供了静电引力，另外，亲水性吸引力也促进了亲水性的蛋白质和SiO2之间的接触。以上几点原因也造成了B-EPS存在时nZnO在SiO2表面的沉积层的刚性加强。而对于D-EPS，在钠盐和较低浓度的钙盐（＜0.5mM）中均对nZnO的沉积起到了抑制作用，而在较高浓度的钙盐（＞0.1mM）中，表现出了对nZnO沉积的促进作用，但是经过比较凝聚速率值发现升高的凝聚效率值来自于D-EPS本身的沉积，EDLVO对作用能的计算也证实D-EPS通过空间位阻斥能阻碍了nZnO向SiO2界面的沉积。当环境界面上涂覆了EPS时，在低盐浓度下，B-EPS在SiO2界面的涂覆促进了nZnO的沉积，但当盐溶液浓度较高时，nZnO在该涂覆界面上的沉积又被抑制了；而对于D-EPS，在所测试的钠盐和钙盐浓度范围内，nZnO在D-EPS涂覆界面上的沉积均被抑制，且在高盐浓度下，抑制程度加深。在低盐浓度下，B-EPS中富含的蛋白质成分在其带电基团的作用下，在SiO2界面形成了较为疏松且含有缝隙和孔洞的结构，这些结构捕获了运动至此的nZnO颗粒并为其提供了沉积位点，当盐溶液浓度升高后，蛋白质中的带电基团电荷被中和，失去其支撑界面疏松结构的静电斥力，缝隙和孔状结构逐渐消失，界面促进nZnO沉积的能力由此式微，而空间位阻，静电斥力等阻碍nZnO沉积的因素逐渐成为主导颗粒和涂覆界面之间的相互作用。

目录

1 绪 论

1.1 nZnO的在水环境中的迁移行为

1.1.1 nZnO 的凝聚

1.1.2 nZnO 的沉积

1.2 nZnO之间及其与界面相互作用力

1.2.1 经典 DLVO 作用力

1.2.2 非 DLVO作用力

1.3 论文研究目标和技术路线

1.3.1 研究目的及意义

1.3.2 研究内容与技术路线

1.5.3 创新点

2 材料与方法

2.1 实验试剂与仪器

2.1.1 主要试剂

2.1.2 主要实验仪器

2.2 溶液的配制

2.2.1 微囊藻和栅藻的培养

2.2.1 nZnO 储备液的配制与表征

2.2.2 大分子有机物储备液的配制

2.2.3 PLL 溶液的配制

2.2.4 EPS 溶液的配制

2.3 实验方法

2.3.1 藻源 EPS 的提取