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随着纳米技术的迅速发展，纳米材料应用日益广泛，其生态安全性问题正引起世界范围的普遍关注。纳米材料可以通过多种途径进入自然环境且发生各种环境行为，可能引起环境质量下降和生物毒性效应，其生态学影响不可忽视。目前国际上对纳米材料环境风险及其生物毒性研究仍处于起步阶段，研究结果相对匮乏，尤其是针对纳米材料对土壤-植物系统的影响有待深入了解。本文以两种典型纳米金属材料(纳米铁和纳米氧化铜)为对象，系统研究了纳米材料暴露对土壤(红壤和乌栅土)理化性质、纳米颗粒环境化学行为及其植物毒性、纳米颗粒植物吸附与吸收及生理响应等方面的影响。主要研究结果如下：
(1)采用温室条件下60 d土壤培养方法，考察了2～6 g·kg-1(以Fe计，下同)不同氧化还原价态的纳米铁对土壤理化性质的影响。纳米零价铁(Fe0 NPs)增加了土壤中可溶性有机碳和红壤中铵态氮的含量，显著降低了土壤中有效磷含量；纳米四氧化三铁(Fe3O4 NPs)和纳米氧化铁(Fe2O3 NPs)处理则显著降低了乌栅土铵态氮和红壤有效磷含量，略微降低了土壤pH；Fe3O4 NPs和Fe2O3NPs之间对土壤理化性质影响差异不明显。
(2)采用28 h土壤培养实验，研究了1～1000 mg·kg-1(以Cu计，下同)纳米氧化铜(CuO NPs)和微米氧化铜(CuO MPs)在土壤中的离子溶出和对脲酶活性的影响，从而阐明了两者的生态毒性机制。相同浓度下，CuO NPs和CuOMPs在红壤中的Cu2+溶出均高于其在乌栅土中，CuO NPs在土壤中的Cu2+溶出及其对脲酶活性的抑制效应均大于CuO MPs；在1～1000 mg·kg-1范围内，CuONPs对土壤脲酶活性均能产生显著的抑制效应，在相对低浓度(1～10 mg·kg-1，红壤；1～100 mg·kg-1，乌栅土)下，主要是纳米颗粒态导致了CuO NPs对土壤脲酶活性的抑制，在相对高浓度(≥50 mg·kg-1，红壤；≥500 mg·kg-1，乌栅土)下，纳米颗粒态和溶出Cu2+共同作用引起了脲酶活性抑制；与CuO NPs不同，CuO MPs只通过溶出Cu2+抑制土壤脲酶活性；在1000 mg·kg-1时，三种纳米金属氧化物对土壤脲酶活性抑制效应按大小可排序为：Fe3O4 NPs>CuO NPs>Fe2O3 NPs。
(3)通过研究琼脂和水相这两种培养方式下CuO NPs的环境化学行为及其对小麦根生长的影响，阐明了不同环境介质对CuO NPs植物毒性的影响，从而揭示了纳米金属的植物毒理。琼脂介质相对水相介质可以减少CuO NPs的团聚，增强其分散性；在50～1000 mg·L-1范围内，CuO NPs在琼脂中无论是溶出Cu2+浓度还是溶出比率均低于其在水相中的值，琼脂介质相对水相可极大缓解CuONPs引起的植物毒性；溶出Cu2+浓度较CuO NPs投放量与小麦根伸长抑制效应之间存在更好的指数相关关系，证明了CuO NPs植物毒性主要是由纳米颗粒释放出Cu2+引起的；不同金属氧化物对小麦根影响存在显著差异，在200～1000mg·L-1范围内，CuO NPs和Fe3O4 NPs均不同程度地抑制了小麦根伸长，而Fe2O3 NPs反而能促进其伸长。
(4)利用不同浓度阳离子(Na+，Mg2+，La3+)和有机试剂(NaOAc，SDBS，Na4 EDTA)在超声条件下对小麦根表吸附的CuO NPs进行洗脱处理。结果表明10 mM Na4 EDTA处理洗脱效果最佳。对超声条件进行改进后，结合扫描电镜和能谱分析证实，超声(45 Hz，300 W，30 min)辅助下10 mM Na4 EDTA可完全洗脱小麦根表所吸附的CuO NPs。进一步研究表明，Na4 EDTA可能是通过两种机制洗脱根表吸附的CuO NPs：羧基官能团与CuO NPs竞争在根表的配位体以及不断络合CuO NPs溶出的Cu2+使其从粒子态向可溶态转化；另外，超声空化效应也是促使CuO NPs从根表脱附的重要原因。
(5)利用10 mM Na4 EDTA作为根表CuO NPs洗脱剂，区分了小麦根对CuO NPs的吸附和吸收。结果表明，在5～200 mg·L-1范围内，CuO NPs的吸收和吸附量均随其浓度增加而增加；在5～50 mg·L-1范围内，CuO NPs的吸收/吸附比随浓度增加而增加，而在50～200 mg·L-1范围内，CuO NPs的吸收/吸附比随浓度增加而减小；小麦根对CuO NPs的吸附吸收引起了相关的植物生理响应：在1～100 mg·L-1范围内，随着CuO NPs增加，小麦根系蛋白含量降低，丙二醛含量和根系活力提高；CuO NPs在1～10 mg·L-1范围内增强了根系超氧化物岐化酶(SOD)活性，当暴露浓度增大到100 mg·L-1时，SOD活性出现急剧降低。