金属基纳米颗粒（Metal-based nanoparticles,MNPs）可通过污水灌溉、施肥和农药喷洒等途径进入土壤，从而以离子态或纳米颗粒态直接被土壤中生物利用，通过污染食物链对人体健康产生潜在威胁。降水和人工灌溉会导致表面土壤经历水分条件的波动，会改变土壤氧化还原条件，影响MNPs的生物有效性。因此，研究土壤氧化还原条件对MNPs生物有效性的分子调控机制可为评估纳米材料的环境风险提供重要依据。本文以稻田土壤为研究对象，选取氧化铜纳米颗粒（CuO NPs）等为典型MNPs，设置室内模拟实验，通过调节土壤水分含量改变土壤氧化还原条件，重点应用化学一步提取法、薄膜扩散梯度技术（DGT）、微束X-射线荧光光谱（μ-XRF）结合软X射线近边吸收结构谱（NEXAFS）等技术手段，构建水稻土中MNPs生物有效性的分析方法，重点考察土壤氧化还原条件对CuO NPs生物有效性的长期影响，并揭示土壤氧化还原条件对CuO NPs形态转化的分子调控机制。主要研究结果如下：
　　1.明确了不同MNPs在土壤-水稻系统中的迁移和累积特征，建立了CuO NPs生物有效性的分析方法。CuO NPs、氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）、氧化铈纳米颗粒（CeO2NPs）的添加改变了土壤性质，尤其使氧化还原电位显著增加至-165.33~-75.33mV。不同提取方法对水稻土中Cu、Zn、Ce元素的提取效率由高到低依次为EDTA、DTPA、CaCl2和DGT。此外，土壤中添加的500mg/kg CuO NPs和CeO2NPs导致水稻根部Cu和Ce元素的累积量达235.45mg/kg和164.84mg/kg。而最高浓度ZnO NPs下生长的水稻地上部分Zn元素的累积量高达313.18mg/kg，Zn从根部到地上部分的转移系数（TF）为1.5。μ-XRF分析表明，Cu元素主要分布在水稻根部皮层，Zn元素主要位于根部皮层和中柱，而Ce元素在根中含量极低。皮尔逊相关系数表明，DTPA提取剂从土壤提取到的金属含量与暴露在MNPs下植物积累的金属含量具有显著相关性。
　　2.阐明了不同氧化还原状态下土壤CuO NPs生物有效性的动态变化规律。采用DTPA提取法得到不同氧化还原状态下水稻土中CuO NPs生物有效性由高到低依次为还原组（淹水）、氧化还原状态交替组（干湿交替）、氧化组（干燥）。而且，还原组和氧化还原交替组CuO NPs的生物有效性与CuO NPs添加浓度呈明显正相关。干湿交替强度的增加显著提高了CuO NPs生物有效性，初始水量为田间最大持水量60%、100%和初始淹水3cm的氧化还原交替组土壤中，第140天时500mg/kgCuO NPs处理组DTPA提取态Cu浓度分别为39.72mg/kg、106.80mg/kg、147.88mg/kg。干湿交替次数的增加同样导致CuO NPs生物有效性明显增加。添加了500mg/kg CuO NPs的氧化还原交替组（初始水量为田间最大持水量100%）土壤经历20次干湿交替后生物有效性升高了96.32%。准二级动力学方程能较为准确的预测氧化组和还原组土壤中CuO NPs的老化过程，拟合系数均高于0.95，但氧化还原交替组拟合系数相对较低。
　　3.揭示了不同氧化还原条件下影响土壤CuO NPs生物有效性的关键机制。氧化还原交替组土壤可溶性有机物浓度明显低于还原组，添加了500mg/kgCuO NPs土壤中可溶性有机物最高为858.79mg/kg，低于还原组的1420.23mg/kg。利用BCR顺序提取法得到氧化还原交替组未添加CuO NPs和添加了100、500mg/kg CuO NPs的土壤中，生物可利用态铜（水溶态加弱酸可溶态铜）的比例分别为9%、6%、8%。还原组土壤无定形氧化铁浓度最高，而氧化还原交替组晶质氧化铁浓度最高，添加了500mg/kg CuO NPs的土壤中晶质氧化铁浓度为985.20mg/kg。土壤中亚铁浓度由大到小依次为还原组、氧化还原交替组、氧化组。氧化还原交替组有较高浓度的易溶性无机硫，添加了500mg/kgCuO NPs的土壤易溶性无机硫浓度为43.79mg/kg，而还原组具有较高浓度的难溶性无机硫。μ-XRF分析表明，最高浓度CuO NPs下，氧化组土壤中Cu和Fe元素分布位置的相关性最高为0.17，还原组土壤中Cu元素和S元素位置分布相关性最高为0.36。而氧化还原交替组中Cu元素和Fe、S元素位置分布相关性仅为0.03、0.09。