植物表面对多环芳烃和石墨烯量子点的摄取过程及作用机制

发布时间：2020-04-17 15:31

【摘要】：多环芳烃(PAHs)作为一类典型的持久性有机污染物,其在环境中的迁移转化行为、生物生态效应及健康风险得到了持续关注和研究。PAHs是生物质和石化燃料在高温下不完全燃烧的产物,常与燃烧同步产生的微颗粒相互绑定,进入环境后也会与环境纳米颗粒相互作用,共同迁移。污染物与植物表面的相互作用及传输行为对解释其环境效应至关重要,因此成为研究热点之一。PAHs和纳米颗粒,特别是碳质纳米颗粒在植物体上的吸收和转运过程及机制由于观测和分析手段的限制,一直存在着争议和不足。论文在简介PAHs的污染现状和碳质纳米材料的应用现状的基础上,重点评述了PAHs与碳质纳米材料的相互作用以及在植物界面上的共同迁移过程。针对有机污染物和碳质纳米材料在典型环境介质中的吸收迁移过程的微观机制尚未阐明等问题,本研究在调查了植物叶片中16种PAHs浓度水平的同时,研究区分了植物叶片内外、阴阳面污染物吸收分布特征,并通过对植物表面微观形貌结构的表征,探讨了植物叶片摄取污染物与其表面微观形貌之间的构-效关系。利用双光子激光共聚焦显微镜(TPCLSM)原位观测了有机污染物菲在植物角质层上的吸收分布特征；通过傅里叶变换红外-衰减全反射光谱(FTIR-ATR)、场发射扫描电镜(FESEM)、激光共聚焦显微镜(CLSM)、调制式差示扫描量热仪(MDSC).元素分析等手段表征了角质层的结构组成、相态等,探讨了有机污染物在植物表面吸收传输的驱动力。制备了一种超小尺寸的二维石墨烯材料——石墨烯量子点(GQDs),利用FTIR-ATR、Raman光谱、X射线光电子能谱(XPS)、 Zeta电位、FESEM、高分辨率透射电镜(HRTEM)、元素分析等手段表征了GQDs的结构组成特征,并研究了多环芳烃菲与GQDs的相互作用。通过动态光散射法(TR-DLS)探究了GQDs在复杂水环境中的稳定性及胶体化学行为,发现了GQDs在pH值和共存阳离子共同作用下异常的团聚行为,结合材料表征等提出了小片层二维石墨烯材料自组装诱导的团聚机制,为不同尺度的二维石墨烯材料的团聚机制的研究填补了空白。通过水培实验,初步研究了PAHs和石墨烯纳米颗粒对在小麦幼苗上的吸收分布特征及对幼苗生长的影响。论文的主要创新性结论如下：(1) 通过对6种植物表面上16种PAHs的浓度水平、分布特征及种间差异的研究,首次区分了植物叶片阴阳面角质层中PAHs的吸收分布特征,细化了植物体表面的脂肪组分在吸收摄取有机污染物中的作用。提出植物叶面微形貌对有机污染物的吸收传输具有重要的作用和影响,是导致植物吸收有机污染物种间差异的主要因素。(2) 利用TPLCSM原位观测的方法研究了典型有机污染物菲在植物角质层上的传输和分布特征,发现菲在植物角质层表面呈不均匀分布,形成团簇,在纵向则形成集聚流；污染物在角质层三维结构上的集聚分布与其聚酯分布位置一致,为此提出类液态的聚酯是有机污染物PAHs的传输通道,其传输驱动力主要来自于污染物在角质层不同组分之间形成的高浓度梯度。(3) 利用氧化切割的手段合成了一种双亲性的GQDs,首次研究了小尺寸二维石墨烯材料GQDs在复杂水环境中的稳定性和团聚行为,发现阳离子种类(Na+、K+、Mg2+、Ca2+)和溶液pH值(2-12)共同影响了GQDs的团聚行为,二价阳离子共存时GQDs在溶液中的稳定性随着pH的升高而逐渐降低,与经典的DLVO理论预测相反；基于GQDs团聚体的结构特征,提出了GQDs在复杂水环境中二价阳离子增强的自组装型团聚机制。该研究增进了对二维纳米材料的团聚行为和环境稳定性的认识,对小尺寸二维石墨烯材料在自组装材料的调控、阳离子捕获、药物输送等领域的应用提供了理论参考。(4) 研究了大小尺寸的二维石墨烯材料对小麦生长的影响,发现随着GQDs的尺寸减小,小麦根茎中的ROS含量也减少,表现出纳米材料毒性的尺寸效应；大尺寸二维石墨烯材料G/GO在小麦上的吸收困难,对小麦生长毒性效应较小,但是它们与共存的有机污染物菲亲和力较强,能够在短时暴露中促进高浓度菲向植物体内传输。
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全球,有机污染物,重要启示,吸收转运

．．ＰＡＨｓ在隹赖体上的吸收转运过隹及机制逡逑ＰＡＨｓ具有亲脂性，倾向于积累在植被、主壤有机质（ＳＯＭ）等有机碳库位于食物链的开端，是生态系统的重要沮成部分，同时化是有机污染物链的重要源头之一邋［４６，５４，５５］。污染物在植物上的吸收摄取可能对生态环安全存在潜在不良影响［１９］。植物摄取对有机污染物的区域及全巧迁移循要的意义，，对植物吸收有机污染物过程和机理的全面了解能够对有化污险评估提供重要启示。如图１．２所示，排放到环境中的ＰＡＨｓ可Ｗ通过大

物角,角质层