绿色合成零价铁纳米颗粒的多介质归宿与传输模拟——使用SimpleBox4nano

《Next Nanotechnology》：Multimedia fate and transport simulation for green synthesized zero valent iron nanoparticles using SimpleBox4nano

　　

绿色合成零价铁纳米颗粒（nZVI）被推广为化学合成纳米颗粒的环境友好替代品。模拟模型用于预测nZVI在环境修复过程中的传输和转化。本研究的目的是模拟使用Cape gooseberry生物质合成的nZVI的环境归宿与传输。将Cape gooseberry果实、叶片和果壳提取物作为还原剂和封端剂，与0.5 M氯化铁（III）前驱体以2:1比例混合，并在超声条件下合成nZVI。将合成的纳米颗粒的理化性质（粒径、密度和Hamaker常数）和功能测定（与天然颗粒的附着效率、溶解速率常数、降解和转化速率常数以及排放速率）输入SimpleBox4nano模型。模拟结果显示，与水体、沉积物和空气相相比，土壤中nZVI的迁移性低且浓度高。超过95%的nZVI积累在农业土壤中，而在淡水和海水中未检测到。预测环境浓度在区域尺度上以土壤中最高，在全球尺度上以水体中最高。在区域尺度上，nZVI主要异质聚集（heteroaggregated）到天然胶体上，仅有少量自由分散。然而，在大陆和全球尺度上，自由分散的nZVI变得可忽略。热带地区积累的nZVI最多，其次是温带和北极地区。总体而言，基于果实与基于果壳/叶片的nZVI之间，异质聚集于天然胶体、异质聚集于天然颗粒物、自由分散纳米颗粒以及溶解态纳米颗粒的浓度没有显著差异。

论文解读：绿色合成零价铁纳米颗粒的环境多介质归宿与传输模拟

**研究背景**
零价铁纳米颗粒（nZVI）因其高反应活性被广泛用于水和土壤中有机及无机污染物的修复。传统化学合成方法依赖硼氢化钠，该试剂昂贵且具有毒性，限制了其环境友好性。绿色合成利用植物提取物或微生物作为还原剂和封端剂，可制备稳定、低成本的nZVI，同时避免产生有毒废物。然而，nZVI在环境中易发生聚集、沉降、溶解和转化，影响其迁移性和修复效率。多介质归宿模拟模型（如SimpleBox4nano）可用于预测纳米颗粒在空气、水、沉积物和土壤中的分布与传输，为环境风险评估提供快速筛选工具。本研究旨在利用Cape gooseberry（灯笼果）生物质提取物绿色合成nZVI，并通过SimpleBox4nano模拟其环境归宿与传输，以评估不同植物来源（果实、叶片、果壳）对nZVI环境行为的影响。该研究发表于《Next Nanotechnology》。

**关键技术与方法**
研究人员采用绿色合成方法，使用Cape gooseberry果实、叶片和果壳提取物作为还原剂和封端剂，与0.5 M氯化铁（III）前驱体在超声条件下合成nZVI（样本来源：乌干达卢韦罗地区Zirobwe农场）。主要关键技术包括：利用Malvern Zetasizer ultra测定纳米颗粒的粒径和Zeta电位；文献获取密度（7.847 g/cm3）和Hamaker常数（10?21–10?1? J）；通过理论表格确定附着效率；引用文献获取溶解速率常数（7.28×10?? s?1）。上述理化参数和功能测定值（包括粒径、密度、Hamaker常数、附着效率、溶解速率常数、降解和转化速率常数及排放速率）输入SimpleBox4nano模型，进行多介质（空气、水、沉积物、土壤）在区域、大陆和全球尺度下的环境归宿模拟。

**研究结果**
*3.1 预测环境浓度在空气、水、沉积物和土壤相中的分布*
模拟结果显示，nZVI在土壤中的浓度远高于水、沉积物和空气相，超过95%的nZVI积累于农业土壤，淡水和海水中未检出。沉积物中仍有少量nZVI，归因于溶解和沉积过程。果实基nZVI（70 nm）与叶/果壳基nZVI（100 nm）在土壤浓度上略有差异，表明粒径影响重力沉降和与天然颗粒的碰撞频率。

*3.2 区域、大陆和全球尺度下的预测环境浓度*
区域尺度下土壤中nZVI浓度最高，而全球尺度下水中浓度最高，说明nZVI在土壤中迁移性低，但在水体中可长距离传输，导致更大范围的暴露风险。

*3.3 区域、大陆和全球尺度下的生物可利用态nZVI*
生物可利用nZVI（定义为尺寸<450 nm的异质聚集态及自由分散态）在区域尺度上以异质聚集于天然胶体为主（84%），自由分散态占16%；大陆尺度下自由分散态降至1%；全球尺度下自由分散态可忽略，全部异质聚集。溶解态不被视为生物可利用。

*3.4 全球尺度下各气候区nZVI总量*
热带地区nZVI积累量最高，其次为温带和北极，表明气候条件（温度、湿度、土壤性质）影响纳米颗粒的聚集、氧化和溶解。

*3.5 不同形态nZVI在空气、水、沉积物和土壤中的分布*
在区域尺度空气相中，52%的nZVI异质聚集于胶体，35%溶解，17%自由分散；水、沉积物和土壤中以溶解态为主。大陆和全球尺度下，空气相中异质聚集比例增加（87%和98%），自由分散减少。

*3.6 不同形态生物可利用nZVI的分布*
区域尺度下，空气相79%异质聚集于胶体；水相75%自由分散；沉积物98%附着于天然颗粒物；土壤77%附着于胶体。大陆和全球尺度下，各相中异质聚集比例进一步升高，最终几乎全部nZVI以异质聚集态存在。果实基与叶/果壳基nZVI在各形态浓度上无显著差异。

**总结与讨论**
讨论部分指出，SimpleBox4nano模型将nZVI的异质聚集视为形态转化而非去除过程，模拟揭示了nZVI在土壤中作为主要环境汇，在区域尺度上迁移性低，而在全球尺度上通过水体传播导致广泛分布。气候因素（热带的高温高湿和有机质含量）加速了nZVI的聚集与溶解。研究结论表明，绿色合成的nZVI在环境中的归宿主要受其粒径和与天然颗粒的相互作用影响，而非植物来源。研究结论原文翻译：利用SimpleBox4nano工具对合成的nZVI的归宿与传输进行了模拟。模拟显示，nZVI更可能在土壤中积累，而非水、沉积物和空气。果实基nZVI与叶/果壳基nZVI之间存在微小差异。尽管淡水和海水中未预期存在nZVI，但沉积物中仍可检出。预测环境浓度在区域尺度上以土壤中最高，在全球尺度上以水中最高，表明在土壤介质中迁移性低，而在水介质中可广泛分布。在区域尺度上，nZVI主要异质聚集于天然胶体，少数自由分散；但随着尺度从大陆增加到全球，自由分散的nZVI变得可忽略。在全球尺度上，热带地区积累的nZVI最多，其次是温带和北极。总体而言，异质聚集于天然胶体、异质聚集于天然颗粒物、自由分散纳米颗粒以及溶解态纳米颗粒的浓度在果实基nZVI与叶/果壳基nZVI之间没有显著差异。