关键词： 人工湿地   氧化石墨烯   纳米氧化铜   微生物群落   功能预测   防御机制  

摘要： 纳米产品大量应用导致纳米颗粒在不同环境中广泛分布,并引起潜在的生态风险。而人工湿地是由植物-基质-微生物组成的污水生态处理系统,不可避免地成为纳米颗粒这一新型污染物的“汇”。为了对比金属氧化物纳米颗粒与非金属氧化物纳米颗粒在人工湿地中对微生物群落的生态效应差异,选取氧化石墨烯(GO)和纳米氧化铜(CuONPs)为研究对象,构建3组黄菖蒲垂直流人工湿地生态处理系统,分别设为对照组(不投加纳米颗粒)、GO暴露组、CuONPs暴露组,考察GO和CuO NPs暴露下人工湿地生态系统微生物群落的动态响应。通过16S rDNA测序结果表明,GO和CuO NPs暴露下人工湿地微生物群落丰富度和多样性均有所提升,但CuO NPs暴露抑制了微生物群落进化多样性。作为优势菌门,放线菌(Actinobacteria)在受到污染物暴露后丰度降低,而变形菌门(Proteobacteria)表现出较好的适应能力。微生物群落结构针对不同纳米颗粒的暴露响应机制不同,如放线菌纲(Actinobacteria)和γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)丰度均受到污染物抑制,而优势属Mycobacterium对GO暴露具有较强的耐受性,但对CuO NPs暴露具有较低的耐受性。根据KEGG数据库分类同样发现,污染物暴露后的人工湿地部分代谢途径减弱,其中碳水化合物代谢(Carbohydrate metabolism)和氨基酸代谢(Amino acid metabolism)在CuO NPs暴露处理组中表现出更低的丰度。以上结果说明CuO NPs对于人工湿地的生态毒性可能会更强,这为纳米材料影响人工湿地生态功能提供了新的视角。

关键词： Sm-Co系永磁体   Sm-Co纳米颗粒   机器学习算法   成分优化   磁性能优化  

摘要： 液相合成与钙热还原结合制备Sm-Co纳米颗粒的方法,具有粒度易于调控的优势,但由于前驱体成分和工艺参数等因素都对合成产物的磁性能具有很大影响,依赖筛选式实验进行多影响因素的优化研究费时费力。将人工神经网络模型与Sm-Co纳米颗粒钙热还原制备实验相结合,以实验数据为基础,利用人工神经网络模型建立实验参数和纳米颗粒磁性能之间的关系,不断优化模型,分析实验参数对磁性能的影响,进而根据分析结果优化实验参数,达到准确预测Sm-Co纳米颗粒磁性能的目标。最后,采用优化参数进行实验制备,获得高磁性能Sm-Co纳米颗粒,并进行测试表征,验证模型的预测精度。将人工神经网络模型应用于快速优化Sm-Co纳米颗粒磁性能,解决制备过程中多因素参量优化问题,实现了对Sm-Co纳米颗粒磁性能的高精度预测,提高了性能优化效率,为更广泛的Sm-Co系永磁体性能优化开辟了新途径。

关键词： TiO_(2)   植物根系   过氧化物酶   丙二醛  

摘要： 为认识土壤环境下人工纳米TiO_(2)颗粒的环境行为及其对作物的毒性,在土壤中添加人工纳米TiO_(2)颗粒,并进行土培玉米种植实验.结果显示:随着土壤中TiO_(2)浓度升高,玉米幼苗根部鲜重先升高后降低,而叶片鲜重则持续升高.根长、根表面积、根体积和根尖数等根系形态参数先升高后降低.对照组玉米幼苗POD酶活性先升高后降低,叶片POD酶活性达到最高,浓度组中根部和叶片的POD酶均显著降低,说明TiO_(2)浓度对有影响.低浓度人工纳米TiO_(2)颗粒对玉米的生长具有一定的促进作用.

关键词： 纳米颗粒   饱和多孔介质   迁移   DLVO理论  

摘要： 本文探究了人工纳米颗粒(NPs)在饱和多孔介质中的传输规律和影响机制,重点阐明生物膜和土壤矿物对纳米颗粒传输的影响及其机制。结果表明,在干净的石英砂介质中,不同种类和粒径NPs的传输效率具有明显差异,不同种类NPs传输效率表现为ZnO>CeO_(2)>Fe_(2)O_(3);对于报告粒径在20~100 nm之间的CeO_(2) NPs,粒径的增加有助于其在多孔介质的传输。溶液离子强度的增大会降低ZnO NPs的传输,而NPs浓度的增大不利于其在饱和多孔介质的传输,传统的DLVO理论能够很好地解释NPs在无涂层饱和多孔介质中的传输。生物膜和土壤矿物均能抑制纳米颗粒在饱和多孔介质的传输,其主要通过对纳米颗粒的吸附和异质聚集作用影响纳米颗粒的传输,非DLVO相互作用以及介质涂层的表面特性对增强纳米颗粒沉积有很大贡献。

关键词： 纳米四氧化三铁   斑马鱼   急性毒性   氧化损伤   沉积物   生物积累  

摘要： 由于天然水体中合成的四氧化三铁纳米颗粒(Fe_(3)O_(4)NPs)含量未有可靠数据,因此就其安全阈值开展研究。本研究以模式动物斑马鱼为受试生物,将2 hpf的斑马鱼胚胎暴露在含有不同浓度Fe_(3)O_(4)NPs的沉积物中,96 hpf后考察其对斑马鱼胚胎发育和氧化应激水平的影响。结果显示,随着沉积物中Fe_(3)O_(4)NPs浓度的增加,斑马鱼胚胎及幼鱼的死亡率、畸形率呈现上升趋势,孵化率则呈现下降趋势。斑马鱼胚胎的死亡率、孵化率在0.8 mg·g^(-1)Fe_(3)O_(4)NPs的暴露下开始显著下降(P<0.05),畸形率则在0.4 mg·g^(-1)Fe_(3)O_(4)NPs暴露下开始显著上升(P<0.05)。96 hpf斑马鱼幼鱼体内活性氧(ROS)和丙二醛(MDA)含量随着沉积物中Fe_(3)O_(4)NPs浓度的增加而升高。超氧化物歧化酶(SOD)活性在1.6 mg·g^(-1)和3.2 mg·g^(-1)Fe_(3)O_(4)NPs暴露下显著下降(P<0.05),总抗氧化能力(T-AOC)在Fe_(3)O_(4)NPs最高浓度组(3.2 mg·g^(-1))显著下降(P<0.05)。随着沉积物中Fe_(3)O_(4)NPs浓度的增加,96 hpf的斑马鱼幼鱼体内Fe_(3)O_(4)NPs含量呈上升趋势,从0.4 mg·g^(-1)Fe_(3)O_(4)NPs开始与对照组相比具有显著差异(P<0.05)。因此,沉积物中Fe_(3)O_(4)NPs含量≤0.2 mg·g^(-1)是安全的,≥0.4 mg·g^(-1)是不安全的,沉积物中Fe_(3)O_(4)NPs的安全阈值范围是0.2~0.4 mg·g^(-1)。

关键词： 人工纳米颗粒   纳米毒性   微型藻类   氧化应激   复合效应  

摘要： 随着纳米技术的飞速发展和人工纳米颗粒(manufactured nanoparticles,MNPs)的广泛应用,释放到环境中的MNPs不断增多,MNPs的环境行为及生态效应一直是国内外研究的热点.由于水生生态系统的复杂性,目前MNPs对藻类的毒性机制仍不明确.本文以藻类为模型,综述了MNPs在水环境中的行为,重点探讨了MNPs的理化性质和环境因子对MNPs生物毒性的影响和调控机制.系统总结了碳基MNPs、金属基MNPs、量子点及有机聚合物对藻类的致毒效应.基于复合污染的真实环境,本文还重点总结了MNPs与环境中共存污染物的复合效应,并从生物终端指标和组学指标两个方面揭示了MNPs的潜在毒性机制.最后,分析了目前纳米毒理学研究中存在的问题,并对今后的研究方向进行了展望,以期更好地认识MNPs的环境和生态安全性问题,以便更好地促进MNPs的可持续发展.

关键词： 多孔介质   纳米颗粒   生物炭   运移  

摘要： 以生物炭为代表的人工碳材料广泛应用于环境污染的控制和修复,而其中产生的纳米级颗粒可能会迁移或携带污染物共迁移进入地下水环境而加剧污染风险.通过室内一维砂柱实验,研究离子强度(ionic strength,IS)、pH、流速和共存有机污染物(对乙酰氨基酚(acetaminophen,AP))对生物炭纳米颗粒在饱和多孔介质中运移和滞留行为的影响程度和机理.结果表明,纳米级生物炭颗粒在饱和多孔介质中的运移能力较强.生物炭和石英砂的电负性均随着IS的降低、pH的增加而增强,两者之间的静电斥力作用随之增大,造成生物炭在砂粒表面的附着减少从而促进了运移,降低了生物炭在饱和砂柱中的滞留量.流速的增加同样对生物炭的运移具有促进作用,这主要是由增强的水流剪切作用所致.此外,有机污染物AP的存在对生物炭颗粒的运移性具有抑制作用,其在石英砂介质中的滞留量随AP浓度的升高而增大.

关键词： 人工关节   复合材料   3D打印   有限元法  

摘要： 传统的羟基磷灰石(HAP)作为医用骨水泥材料,力学性能和结构性能较差,存在力学强度低、孔隙率低、表面形貌差、韧性和耐磨性欠缺等问题,目前只能用来做骨填充材料。纳米二氧化锆(Nano ZrO)颗粒增强复合材料以其良好的物理、化学、力学特性以及优异的生物相容性,为新型生物硬组织替代材料的研究提供了解决途径。本文根据骨替代材料在人体康复过程中的力学性能要求,制备了纳米级ZrO填充微米级HAP的复合材料,利用光固化3D打印技术打印了不同配比的ZrO/HAP试件。通过材料拉伸压缩实验,分析不同质量分数配比ZrO/HAP复合材料性能参数,明确填充ZrO颗粒对HAP基体材料力学性能参数的影响,分析ZrO质量分数对基体材料力学性能的影响规律,并利用扫描电镜给出ZrO/HAP复合材料的表面形貌特征。运用逆向建模方法,本文利用CT图像数据建立了患者1的髋关节置换模型和患者2的肱骨远端骨肿瘤肘关节模型,通过关节模型的优化处理,给出了人工骨关节假体模型。利用有限元分析方法模拟人体术后康复过程中关节受力状态,将ZrO/HAP复合材料作为人工骨关节修复的填充材料进行力学性能分析,讨论不同质量分数ZrO/HAP复合材料对术后康复的最佳效果。研究表明,对受力特征不同的髋关节置换术和肘关节置换术,可选择不同质量分数的ZrO/HAP填充材料来满足人体关节术后康复过程的力学性能要求,亦可为不同患者人工关节置换的骨替代材料优选提供参考依据。

关键词： 人工纳米颗粒   海洋渔业生物   毒性效应   水产品质量安全  

摘要： 纳米科学是20世纪80年代末发展起来的新兴学科,与信息科学、生命科学并列为21世纪最有前途的三大新兴科学技术领域。由于纳米材料特殊的尺寸和物理结构,具有特殊的催化、光电和抗菌等性能,因此广泛应用于医药、工业、建筑、化妆品、能源和环保等领域。纳米材料的大量生产和应用不可避免地导致人工纳米颗粒(engineered nanoparticles,ENPs)进入到海洋环境中,对海洋渔业生物造成潜在威胁。我国是水产品生产、贸易和消费大国,海洋水产品是我国居民粮食供给和优质蛋白质供给的重要保障。因此,ENPs对海洋渔业生物的毒性效应以及对水产品质量安全的影响越来越受到关注。本文总结了海洋中ENPs的来源,归纳了其在海洋中的环境行为,分析其对海洋渔业生物的毒性效应及致毒机制,探讨其在海洋食物链中的传递和生物放大作用以及对水产品质量安全的潜在影响,并对目前所面临的问题做出总结,对未来的研究工作做出展望,以期为客观评价ENPs的海洋渔业环境效应提供科学依据。

关键词： 功能型微气泡   人工纳米颗粒   微塑料   富集分离   实际水体  

摘要： 由于人类活动以及微纳技术的空前发展和广泛应用,人们开始关注其中的微纳颗粒的释放对环境和生物体带来的影响。近年来功能型微气泡技术被认为是一种有效从水中富集分离微纳颗粒污染物的方法。本论文通过高速搅拌不同的化学药剂(表面活性剂和混凝剂)制备功能型微气泡富集分离水中的微纳颗粒污染物。首先利用跟踪技术分析了Ti O纳米颗粒在功能型微气泡分离过程中的归趋和界面行为。其次考虑到金属人工纳米颗粒(MENPs)的转化/溶解特性,探讨了化学药剂剂量、MENP悬浮液的p H值和水体类别对功能型微气泡富集不同化学惰性的典型MENPs(Ag、Zn O、Ti O纳米颗粒)的影响。最后在存在溶解性有机物(DOM)的情况下利用功能型微气泡从水中分离微塑料(MPs)——表面无修饰的聚苯乙烯(PS)和表面羧基修饰的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),并研究了DOM浓度、MP的表面特性和水体类别对工艺效果的影响以及MPs和DOM的相互作用。论文的主要成果如下:在0.78 mg/mg Ti O的最佳SDS相对剂量下,基于纳米颗粒跟踪分析(NTA),Ti O纳米颗粒的数量浓度大大降低了2-4个数量级,而根据电感耦合等离子体质谱(ICP-MS),大约有84.0%的颗粒被分离。NTA显示了水相中总体颗粒分散状态的变化,而ICP-MS提供了有关Ti的分离效果。显微拉曼、动态光散射和小角度激光散射可以获得絮状物的结构和形态方面的信息。具有开放结构的大絮状物易于形成,并在适当的化学药剂剂量下可轻松分离。但是,剂量过量会削弱了气泡捕获能力,并生成了小而致密的团聚体。当悬浮液的p H值为6.0时,功能型微气泡能够富集90.0%的离子态Ag(I),最终在浮渣中以Ag Br和AgCO的形式出现。具有正表面电荷的聚合氯化铝(PACl)修饰的微气泡善于捕获颗粒态Zn O(～84.8%),但无法收集其离子成分。总的MENP富集效率与不同形态的含量比例密切相关。在河水中,DOM和电解质都可能通过影响Ag和Zn O纳米颗粒的形态转化而影响富集过程。对于惰性的Ti O纳米颗粒,功能型微气泡富集的效率能达到97.1%。DOM显然增强了富集效果,因为其架桥促进了颗粒与气泡之间的连接。腐殖酸(HA)对PS-MPs的分离有促进作用(在最佳剂量下分离效率可达94.4%以上),而对PMMA-MPs的分离有抑制作用(HA与PMMA竞争气泡)。这种差异可能归因于MP的表面特性和电荷。在实际水体(河水和污水处理厂进水)中,几乎完全分离了两种类型的MP颗粒。荧光猝灭滴定表明,气泡倾向于捕获游离的DOM分子和与DOM结合的MP颗粒。此外,DOM生成的絮凝物也可能通过网捕或卷扫作用使MPs被气泡捕获并收集。本论文的研究首次展示了功能型微气泡技术收集纳米颗粒时,颗粒在水相和固相中的变化,为其他研究纳米颗粒的归趋和工艺效果相关技术提供了参考;考虑到MENP污染物的特性,有助于针对MENPs的稳定性建立更有效的微气泡富集方法;提供了更简单、环保的技术分离水中MPs,并为实际水体中MP分离打下了基础。