随着《土壤污染防治行动计划》和《土壤污染防治法》的颁布实施,我国土壤污染防治进入了新的时期。针对我国土壤重金属轻微、轻度污染的特点,原位钝化修复技术蓬勃发展。纳米材料,由于具有超强的吸附能力,已被广泛应用于土壤重金属的原位钝化修复研究。但是,应用于重金属污染土壤修复进入土壤的纳米材料与通过其他途径进入土壤的纳米材料存在显著地不同:一是,土壤中浓度高,二是,选择性钝化吸附着大量重金属,改变了纳米材料的表面性质。纳米材料,尤其应用于重金属污染土壤修复后,在土壤中长期蓄积令人担忧。“强化土壤污染管控和修复,有效防范风险”要求必须清楚认识进入土壤中纳米材料和将要应用于污染土壤修复的纳米材料的生物毒理效应,这对土壤污染管控至关重要。本文以纳米碳黑为核心研究材料,在对纳米碳黑（CB）、还原氧化石墨烯（RGO）、单壁碳纳米管（SWCNT）形貌结构、表面电荷、化学组成等的分析基础上,以赤子爱胜蚓（Eisenia fetida）为受试生物,通过模拟试验、培养试验和体外试验等,研究同质异形（纳米碳黑、还原氧化石墨烯、单壁碳纳米管）碳纳米材料对蚯蚓死亡率、体重、抗氧化生物标志物、体腔细胞毒性、肠道细菌群落组成和结构、代谢物响应等宏观和微观指标的影响,通过培养试验、彗星试验等研究表面改性对纳米碳黑毒理效应的影响,通过体外试验、培养试验、MIXTOX模型分析研究改性纳米碳黑-Cd对蚯蚓的联合毒理效应,揭示同质异形碳纳米材料、纳米碳黑表面改性前后、改性纳米碳黑-Cd结合对蚯蚓的毒理效应机制,为改性纳米碳黑应用于重金属污染土壤钝化修复的生态安全性提供了理论依据。本文的主要研究结果如下:（1）CB为近球形,三个维度均在纳米级;RGO为片状,单层或少层堆叠,厚度在纳米粒级,横向尺寸在微米或亚微米尺度;SWCNT为单壁长管状,管径在纳米级,长度在微米级。三种碳纳米材料的长宽比为SWCNT（5000³0000）>RGO（134⁵456）>CB（接近1）,平均水动力学直径SWCNT>RGO>CB。三种碳纳米材料的比表面、Zeta电位相近,表面主要官能团为C-C、C-O、C=C、O-H,CB具有芳香环状结构,SWCNT具有典型的碳骨架结构。RGO含氧量是SWCNT的2.83倍,CB的7.50倍。CB具有最多的缺陷,SWCNT拥有更完整的晶型和更少的缺陷。三种材料中的重金属杂质主要是Fe,其含量为SWCNT>CB>RGO。（2）三种碳纳米材料（CNs）浓度低于15.7μg/cm²和1000 mg/kg土壤时,不会对蚯蚓存活产生明显的影响,但明显影响了蚯蚓的生长。土壤培养28天只有CB处理为正增长,RGO处理和SWCNT处理均为负增长。三种CNs滤纸接触48小时对蚯蚓氧化应激的影响存在显著差异,总的表现为促进了蚯蚓超氧化物歧化酶（SOD）活性,对过氧化氢酶（CAT）的影响不如对SOD的影响明显,对蚯蚓丙二醛含量无显著影响（P>0.05）。三种CNs对蚯蚓体腔细胞存活率的抑制随其浓度增大而增加。浓度在1 mg/L时对存活率无明显影响,在100 mg/L时CB、RGO和SWCNT均显著抑制细胞存活,存活率分别为对照的76.2%、64.1%和53.9%。肠道微生物有17.3%的OTUs是所有处理共有的,放线菌门是优势菌门,其次为变形菌门和厚壁菌门;细菌多样性香农指数的增加程度与CNs长宽比的对数呈负相关。蚯蚓对代谢物的影响SWCNT>RGO>CB;蚯蚓对碳纳米材料响应的标志代谢物是苯丙氨酸和胆碱。添加0.01%的CB、RGO和SWCNT使蚯蚓体内胆碱含量分别下降了14.0%、35.1%和46.8%;添加量为0.1%时,分别下降了38.8%、43.1%和64.8%。总之,三种材料对蚯蚓的毒性大小效应顺序为SWCNT>RGO>CB。（3）CB经酸性高锰酸钾改性后,表面特性的主要变化是含氧官能团增加、Zeta电位降低。改性后MCB对蚯蚓的存活、体重、异常率的影响与CB无显著差异（P>0.05）,但回避率显著高于CB,且存在剂量依赖关系,当MCB浓度为1.5%时,回避率高达93.3%。用综合生物标志物响应法计算CB和MCB对蚯蚓生理生化指标的影响,结果为MCB处理中蚯蚓受到的胁迫压力大于CB。当体外培养浓度大于100 mg/L时,CB对蚯蚓肠道组织、细胞存活率和病理形态均有显著影响。经表面改性后,MCB对蚯蚓细胞存活率、DNA的影响也显著大于CB。（4）MCB对Cd的吸附更符合Langmuir吸附等温线,为单分子层吸附,饱和吸附量为18.9 mg/g,吸附活化能为36.6 kJ/mol,吸附焓变-98.4 kJ/mol,吸附为自发反应。MCB对Cd吸附机制为化学配合和π-阳离子相互作用。Cd和MCB的EC50分别为17.67 mg/L和94.00 mg/L。MCB-Cd可以被蚯蚓体腔细胞吞噬,造成细胞线粒体损伤、扰动核膜稳定性,导致细胞凋亡。MIXTOX模型、联合作用指数和Cd吸收结果(2 mg/L Cd²⁺+20 mg/L MCB抑制吸收,10mg/L Cd²⁺+60 mg/L MCB促进吸收)支持MCB-Cd低剂量混合物具有拮抗作用,而高剂量混合物具有协同作用的剂量水平依赖毒理模式。添加1.5%MCB后土壤中有效态Cd含量降低了33.3%,但是培养28天后,未添加MCB的处理蚯蚓存活率比对照降低了29.6%,添加MCB的处理降低了51.9%。蚯蚓对土壤中Cd有明显的富集作用,在Cd污染土壤中生物富集系数为9.25,添加MCB后为9.53。MCB+Cd显著（P<0.05）提高了氧化型谷胱甘肽水平,氧化型谷胱甘肽和还原型谷胱甘肽比值仅为对照的39%。Cd显著提高了CAT和乳酸脱氢酶活力,MCB+Cd抑制了CAT和乳酸脱氢酶活力。Cd和MCB存在联合毒理效应。（5）碳纳米材料的形貌是导致其蚯蚓毒理效应的最重要因素。较短的SWCNT碳管,通过内吞或穿透的方式进入细胞,较长的碳管,无法完全进入细胞膜,而严重扰乱细胞膜的稳定性。RGO具有锋利侧边,通过“包裹”、“插入”、“提取”、“纳米刀”等形式破坏细胞膜。CB近球形,粒级最小,更容易被细胞内吞和外泌,是三种材料中对细胞膜损伤最小的。改性后MCB比CB毒性增加的直接原因是Zeta电位降低和含氧官能团增加引起的氧化应激。MCB对Cd的吸附能力和吸附稳定性均比CB大幅增加。化学吸附作用下,MCB-Cd紧密结合形成“新的化合物”,降低了Cd的生物毒性,Cd的吸附改变MCB的表面性质,降低了MCB的生物毒性,MCB-Cd表现出毒理学拮抗作用。MCB对Cd的强吸附可能利于Cd转运体腔细胞内,引发一系列毒副反应,导致协同毒性作用。蚯蚓体腔细胞吞噬作用和化学吸附共同导致MCB-Cd的剂量依赖拮抗-协同转换。在Cd污染土壤中添加MCB对蚯蚓的毒理效应主要发生在体内吸收。MCB会负载Cd进入蚯蚓体内,蚯蚓肠道内分泌出大量多糖、氨基酸等小分子有机质,络合/螯合作用推动了进入肠道内Cd的活化,进而对蚯蚓产生毒理效应。大多数研究都证实了碳纳米材料对重金属有较好的吸附性能,可以显著降低土壤中重金属有效态含量,减少重金属向植物可食部迁移,保障食品安全。但是本研究显示:由于碳纳米材料的纳米级粒径、形貌结构、表面特性等,本身具有一定的生物毒理效应,尤其钝化吸附土壤中重金属后,没有显著降低重金属对蚯蚓的毒性效应。碳纳米材料应用于重金属污染土壤钝化修复时,对蚯蚓的生态风险较大。因此,建议重金属污染土壤钝化修复时,慎用纳米级钝化剂。