纳米二氧化硅和氧化锌在海水中的物化行为及致毒效应

摘要

本文从团聚和沉降、离子吸附、对小球藻和球等鞭金藻的生长影响及氧化应激水平探讨纳米二氧化硅和氧化锌在海水中的物理化学行为及其毒性效应，结果如下:
　　 1.浓度为20～50mg/L的纳米SiO2(粒径30nm和60nm)的与和ZnO(粒径30nm和90nm)25min内形成的团聚体平均粒径分别为408.0～521.9nm和448.3～642.0nm，表明单体粒径越大，浓度越高，团聚体平均粒径越大。在25～45℃、盐度28.3的海水中，50mg/L的纳米SiO2和ZnO30min内的平均沉降率分别为57.6～72.4％和74.4～84.0％，说明温度升高沉降率增大;而在25℃、盐度15.0～28.3的海水中，相同浓度的纳米SiO2和纳米ZnO30min内的平均沉降率分别为47.8～57.6％和70.5～74.4％，表明盐度升高沉降率增大，且纳米ZnO的沉降率大于纳米SiO2，易从海水中迁出。
　　 2.在20℃、pH=7.60的海水中，2mg的纳米ZnO(粒径30nm)对铁离子(0.4mg/L)和铅离子(0.1mg/L)的吸附容量分别为8.85和2.35mg/g，纳米SiO2则分别为9.52和2.40mg/g，表明后者的吸附能力强于前者。纳米ZnO对离子的吸附具两性，还可吸附磷酸根(0.06mg/L)，容量为0.52mg/g，而纳米SiO2则不能。
　　 3.影响纳米材料吸附离子能力的因素为:(1)在pH为6.80～8.40的海水中，纳米ZnO对铁离子和铅离子达到最大吸附容量的pH值分别为7.60和8.00，而纳米SiO2为8.40，表明其对海水离子吸附容量随pH升高而增大。(2)用量在2.0mg内，纳米ZnO和SiO2对铁离子的平衡吸附容量随用量增大而增加。(3)在初始浓度为0.108～0.615mg/L、pH=7.30的海水中，粒径30nm纳米ZnO和SiO2对铁离子的平衡吸附容量分别为1.65～13.3mg/g和2.25～14.1mg/g，表明吸附容量与初始浓度成正比。在初始浓度为0.061～0.121mg/L、pH=4.54的纯净水中，纳米ZnO对磷酸根的平衡吸附容量随初始浓度增大而增大，但＞0.121mg/L，不再变化。(4)粒径30nm的ZnO和SiO2对海水中铁离子的平衡吸附容量分别是90nmZnO和60nmSiO2的1.10倍和1.04倍，表明小粒径的纳米颗粒吸附离子的能力强于大粒径。(5)在pH=2.90纯净水中纳米ZnO可完全吸附铁离子(0.4mg/L)，但在同条件下盐度35.0的人工海水中不能吸附，表明离子强度降低其吸附能力。
　　 4.受试藻平均生长抑制率在15～100mg/L30nm-SiO2海水中为19.4～115％，在5～50mg/L30nm-ZnO海水中为30.3～125.4％，表明两种材料对受试藻的平均抑制率随浓度增大而增大。在72～120h内，纳米SiO2和ZnO对受试藻平均EC50分别为32.8～44.1mg/L和7.5～14.5mg/L，表明纳米SiO2对受试藻的EC50大于纳米ZnO，后者抑制作用较强。
　　 5.受试藻MDA浓度和SOD活性在30～50mg/L纳米SiO2的是对照组的1.3～2.4倍，在15～30mg/L纳米ZnO的是对照组的1.7～2.3倍，表明纳米SiO2和ZnO的介入明显提高MDA浓度和SOD活性高，意味着受试藻细胞启动自身防御机制以抵抗氧化损伤。
　　 6.海水叶绿素-a浓度平均增长率在分别添加10～60nm纳米SiO2后(浓度为5～100mg/L)为-21.2～-24.8％，在添加同浓度的30～90nm纳米ZnO为-53.1～-64.4％，表明粒径较小的纳米SiO2和ZnO对海洋浮游植物生长抑制作用更强。添加纳米ZnO和Zn2+后(锌浓度均为0.050～1.00mmol/L)，海水叶绿素-a浓度增长率分别为-41.8～-81.4％和-51.1～-72.1％，两者变化趋势相同。添加纳米ZnO，海水叶绿素-a浓度的增长率与其释放Zn2+浓度的百分比成正比，说明释放溶解态Zn2+是其致毒的主要原因。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 纳米材料简介

1．2 纳米材料在海洋中的环境行为

1．2．1 团聚作用和吸附作用

1．2．2 与有机物的相互作用及累积毒性

1．2．3 微界面行为

1．3 纳米材料对海洋生物的毒性效应及研究进展

1．3．1 对海洋浮游植物生长的毒性效应

1．3．2 对海洋鱼类的毒性效应

1．3．3 对海洋微生物的毒性效应

1．4 纳米材料对海洋生物的主要致毒机理

1．4．1 细胞璧或细胞膜完整性破坏

1．4．2 氧化胁迫

1．4．3 毒性物质释放

1．4．4 纳米材料毒理学存在的问题

1．5 研究目的、内容和意义

1．5．1 研究目的

1．5．2 研究内容

1．5．3 研究意义

第2章 纳米氧化锌和二氧化硅在海水中的团聚与沉降

2．1 实验材料

2．1．1 纳米材料

2．1．2 实验海水

2．1．3 实验仪器

2．2 实验方法

2．2．1 纳米材料在海水中的团聚实验

2．2．2 纳米材料在海水中的沉降及其影响因素实验

2．2．3 数据处理

2．3 实验结果和讨论

2．3．1 纳米二氧化硅和氧化锌颗粒在海水中的团聚

2．3．2 纳米二氧化硅和氧化锌颗粒在海水中的沉降及其影响因素

2．4 小结

第3章 纳米二氧化硅和氧化锌对海水中离子的吸附

3．1 实验材料

3．1．1 纳米材料

3．1．2 吸附离子

3．1．3 实验海水

3．1．4 实验所用试剂

3．1．5 实验仪器

3．2 实验方法

3．2．1 纳米二氧化硅和氧化锌吸附海水中铁离子、铅离子和磷酸根的实验

3．2．2 影响纳米二氧化硅和氧化锌吸附海水中离子能力的因素实验

3．2．3 数据处理

3．3 结果和讨论

3．3．1 纳米二氧化硅和氧化锌对海水中铁离子、铅离子和磷酸根的吸附作用

3．3．2 酸度对纳米二氧化硅和氧化锌吸附海水中离子能力的影响

3．3．3 纳米材料用量对纳米氧化锌和二氧化硅吸附离子能力的影响

3．3．4 被吸附离子初始浓度对纳米氧化锌和二氧化硅吸附离子能力的影响

3．3．5 纳米材料粒径对纳米氧化锌和二氧化硅吸附离子能力的影响

3．3．6 离子强度对纳米氰化锌吸附离子能力的影响

3．4 小结

第4章 纳米材料对藻类的生物毒性及致毒机理

4．1 实验材料

4．1．1 纳米材料

4．1．2 实验藻种

4．1．3 实验所用试剂

4．1．4 实验仪器

4．2 实验方法

4．2．1 受试藻的培养及其生长曲线

4．2．2 纳米材料氧化锌和-I化硅对受试藻生长的影响实验

4．2．3 纳米氧化锌和二氧化硅对受试藻氧化应激水平的影响实验

4．2．4 丙二醛(MDA)含量测定

4．2．5 超氧化物歧化酶(SOD)活性的检测

4．2．6 数据分析

4．3 结果和讨论

4．3．1 不同粒径纳米二氧化硅和氧化锌对受试藻生长的影响

4．3．2 不同浓度纳米二氧化硅和氧化锌对受试藻生长的影响

4．3．3 纳米氧化锌和二氧化硅对受试藻氧化应激水平的影响

4．4 小结

第5章 纳米二氧化硅和氧化锌对海水中叶绿素a浓度的影响初探

5．1 实验材料

5．1．1 纳米材料

5．1．2 水样采集

5．1．3 实验仪器及试剂

5．2 实验方法

5．2．1 纳米二氧化硅和纳米氧化锌毒性实验

5．2．2 纳米氧化锌释放锌离子致毒机理验证实验

5．2．3 数据处理

5．3 结果与讨论

5．3．1 纳米二氧化硅和氧化锌对海水中浮游植物的抑制作用及尺寸效应

5．3．2 纳米氧化锌材料抑制作用的溶解机理

5．4 小结

第6章 结语

6．1 主要研究成果

6．1．1 纳米二氧化硅和氧化锌在海水中的团聚及沉降性能

6．1．2 纳米二氧化硅和氧化锌对海水中离子的吸附作用

6．1．3 影响纳米二氧化硅和氧化锌吸附海水中离子能力的因素

6．1．4 纳米材料对藻类的生物毒性及致毒机理

6．1．5 纳米二氧化硅和氧化锌对海水中叶绿素a浓度的影响初探

6．2 研究不足和展望

6．2．1 研究不足

6．2．2 研究展望

参考文献

在学期间发表的论文和参加的科研项目

致谢