随着纳米技术的快速发展，越来越多的纳米颗粒进入到农业土壤环境中，并引起了人们的高度关注。纳米颗粒会通过多种直接或间接途径进入稻田土壤中，不仅对土壤生态和植物生长造成危害，也可能危害人类健康和粮食安全。生物膜是一种高度结构化的微生物聚集体，具有复杂化学组成和空间结构，其主要生长在土水界面，与纳米颗粒的相互作用会进一步影响纳米颗粒在整个土水生态系统中的环境行为与效应。因此，为了揭示生物膜对纳米颗粒环境行为的影响，全面客观的评价纳米颗粒的农业生态风险，本文以氧化铈纳米颗粒（CNPs）等典型的金属氧化物纳米颗粒为研究对象，通过吸附聚集实验、迁移实验和盆栽模拟实验，并采用电子显微镜技术、动态光散射技术、DLVO理论等，揭示了生物膜对纳米颗粒的吸附聚集和迁移等环境行为的影响机制，明确了生物膜对纳米颗粒在稻田土壤-生物膜-植物系统中的迁移规律的影响，探究了生物膜在控制稻田纳米颗粒生态风险方面的应用潜力。主要研究结果如下：

（1）揭示了纳米颗粒和土壤矿物之间的异质聚集机制及其受胞外聚合物（EPS）的影响。CNPs与不同土壤矿物之间的异质聚集变化主要是由矿物的表面电荷、比表面积和表面络合等表面性质的不同引起的。CNPs与针铁矿和赤铁矿的异质聚集主要依赖于静电引力，而其与高岭石和蒙脱土的聚集则主要依赖于范德华力和表面相互作用。EPS增加了纳米颗粒和土壤矿物之间的静电排斥，并减少了聚集和沉降。当存在EPS时，CNPs-高岭石，CNPs-蒙脱土，CNPs-针铁矿和CNPs-赤铁矿共沉降的OD₁值分别下降47.5%，56.4%，94.8%和76.2%。EPS主要通过改变CNPs和土壤矿物的表面电位来增强胶体颗粒之间的静电排斥来减少异质聚集。

（2）探究了纳米颗粒在饱和多孔介质中的迁移规律以及生物膜对其迁移的影响。在干净的石英砂介质中，纳米颗粒的种类、浓度和粒径均会影响其在饱和多孔介质中的传输。传统的DLVO理论能够很好的解释纳米颗粒在无涂层的饱和多孔介质中的传输。生物膜和土壤矿物均能抑制纳米颗粒在饱和多孔介质的传输，其主要通过对纳米颗粒的吸附和异质聚集作用影响纳米颗粒的传输，非DLVO相互作用以及涂层的表面特性对增强纳米颗粒沉积有很大贡献。

（3）揭示了纳米颗粒在稻田生物膜-土壤-植物系统的迁移和累计规律。纳米颗粒主要累积在表层土壤中，只有少部分纳米颗粒能够迁移到深层土壤，并被水稻植株吸收。生物膜主要是通过吸附和沉降作用积累大量的纳米颗粒。同时，土壤矿物通过对氧化铈纳米颗粒的异质聚集和阻滞作用，将大部分纳米颗粒滞留在表层土壤中，减少了纳米颗粒向深层土壤中的迁移。纳米颗粒在植物中的积累效率显著大于普通颗粒，但是纳米颗粒的粒径对于纳米颗粒在土壤和植物中的迁移影响较小。相较于水稻的其他组织，籽粒中更容易积累纳米颗粒，而生物膜在一定程度降低纳米颗粒在水稻中的累积。