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在我国很多地区,土壤铜、镉污染问题已越来越严重,治理铜、镉污染已成为保护粮食质量安全、保证人类健康的关键问题。本研究以高锰酸钾和无水乙醇为原料,通过水-有机两相法制备纳米二氧化锰。探讨了二氧化锰材料对水溶液中的铜、镉的吸附去除机制;在此基础上,利用粒径相似且生物相容性较好的纳米羟基磷灰石作为对比,进行水稻水培、蚯蚓试验,从植物和土壤动物的角度,评价纳米二氧化锰的生物安全性。以期为环境Cu2+、Cd2+污染治理提供的数据支持,为拓展纳米二氧化锰及其相关产品修复铜、镉污染水或土壤环境及其合理使用提供理论上的依据。主要研究成果如下:(1)制备了吸附性能较好的纳米二氧化锰(n Mn O2)吸附材料水-有机两相法制备的纳米二氧化锰比表面积为141.66 m2/g;n Mn O2对Cu2+和Cd2+的吸附分别在500和225 min达到平衡,吸附过程符合准二级动力学模型(R2Cu=0.99;R2Cd=0.98)与Elovich模型(R2Cu=0.91;R2Cd=0.93)。Elovich拟合结果显示,n Mn O2对Cd2+的吸附速率要高于Cu2+。通过Langmuir方程对其吸附过程进行拟合,其对Cu2+和Cd2+的最大吸附量分别为104.5(R2Cu=0.98)和89.1 mg/g(R2Cd=0.94);热力学实验结果表明,温度升高有利于吸附反应的进行;n Mn O2对Cu2+和Cd2+的吸附在较高p H下效果较好。这种纳米二氧化锰每吸附1mol的铜离子需要35.8元,而每吸附1mol的镉离子需要73.8元,具有较佳的性价比。纳米二氧化锰材料对环境中的Cu2+、Cd2+具有良好的吸附效果。(2)纳米二氧化锰负载铜离子和镉离子之后进入水稻幼苗植株之前不会释放重金属离子,明显减轻了铜镉对于水稻幼苗的生物量的影响,但是造成了更加严重的氧化应激反应。以纳米羟基磷灰石为参照,研究纳米二氧化锰纳米颗粒复合铜、镉对水稻幼苗的毒害作用。透射电子显微镜观察证实了纳米颗粒在水稻幼苗中的存在;小直径纳米颗粒对水稻幼苗的伤害更大,纳米二氧化锰降低了水稻幼苗对重金属的积累,其中分蘖节中重金属含量最高,同时促进植株根系总长和总表面积。但是n Mn O2引起强烈的氧化应激反应。通过非损伤微测技术,证明了在纳米颗粒复合重金属后,铜、镉并非以离子态转移入植株体内。(3)纳米二氧化锰增强了镉对赤子爱胜蚓的急性毒性本实验采用了比较高的剂量,以研究蚯蚓在纳米颗粒复合重金属的直接暴露下的急性毒性效应。结果表明,本材料虽然能够显著降低蚯蚓对Cd的积累量,但是能够极显著的激发赤子爱胜蚓抗氧化酶系统的应激反应。降低Cd对赤子爱胜蚓的LC50,在纳米二氧化锰的协同作用下,Cd的毒性由“中毒级”提升到“高毒级”。Cu处理组中,蚯蚓未见死亡。