人工纳米颗粒是指人为制造出来的粒径在1～100 nm之间的颗粒材料。近年来，随着纳米技术的快速发展，纳米颗粒在工业和日常生活的各个领域得到了广泛应用，市面上买到的许多化妆品、服装、医药产品都标有纳米材料。但是，纳米颗粒很容易进入环境并积累，成为一种新兴污染物，其环境行为及其潜在危害受到广泛关注。
在稻田、沟、渠、塘、浅水湖泊等湿地系统中，我们常常会看到在土壤、岩石、植物的表面，有一层绿色的含有大量藻类的膜状物质，它们叫做自然生物膜。这看似简单且不起眼的“膜”，却是一个含有多种微生物的复杂微生态系统。它主要由藻、细菌、真菌等微生物及其分泌的大量的胞外聚合物聚集而成。
自然生物膜可以直接或间接影响水土界面直接的物质流和能量流，影响污染物的行为、归趋和毒性，以及养分的输送和利用效率，进而影响湿地系统的健康与生产力。
工业和生活中产生的纳米颗粒污染物会随废水、降雨、径流等进入水环境，并在稻田等湿地系统的水土界面累积，会对自然生物膜的生理生态功能造成潜在危害。同时，复杂的群落组成和大量胞外聚合物保护使自然生物膜有可能对纳米颗粒胁迫具有较强的抵抗能力，并能通过生理生态活动影响其环境行为。
近期，科研人员系统研究了金属氧化物纳米颗粒（氧化铈、氧化铁）与自然生物膜的相互作用及其机制。这项工作对揭示人工纳米颗粒在水土界面的环境行为和生态毒性有重要价值，有助于发掘自然生物膜在抵抗和降低纳米颗粒生态毒性方面的功能。
纳米颗粒进入自然生物膜后首先与胞外聚合物发生相互作用，较强的吸附和结合能力使大量的纳米颗粒阻滞在胞外聚合物中，位于外层的松散结合态胞外聚合物是纳米颗粒在胞外聚合物中的主要分布区域。一部分纳米颗粒则能够穿过胞外聚合物进入微生物细胞，对于含有较厚细胞壁和胶质保护鞘的藻细胞，纳米颗粒较难进入，分布较少，更多的纳米颗粒分布于结构简单的细菌细胞中。
纳米颗粒在迁移过程中，形态也发生了变化。纳米颗粒会发生溶解，并释放出金属离子，并且伴随其价态转化。纳米颗粒能够穿透并进入自然生物膜中的敏感微生物细胞，通过物理破坏直接损伤微生物的细胞膜结构，通过产生活性氧（ROS）破坏微生物细胞的抗氧化系统并对细胞造成氧化损伤。
纳米颗粒胁迫对自然生物膜的微生物群落组成和多样性也造成显著影响，长时间胁迫下自然生物膜的微生物多样性会显著提高，鞘丝藻（Leptolyngbya）和念珠藻（Nostoc）等比例提高，而芽单胞菌（Gemmatimonadetes）和芽孢杆菌（Bacilli）等细菌比例减少，并形成新的稳定的微生物群落。
纳米颗粒胁迫会促使自然生物膜产生更多的且含有更丰富官能团的胞外聚合物来保护细胞。
其中，可溶性胞外聚合物能够促使纳米颗粒团聚并降低其在环境中的移动性，松散结合态胞外聚合物能够吸附大量的纳米颗粒及其释放的金属离子，紧缚结合态胞外聚合物使微生物细胞的聚集结构更为紧密并形成一道物理屏障阻止纳米颗粒进入细胞。同时，自然生物膜能够通过群落组成和结构的变化保持其生理生态功能的稳定，以及对氮、磷、有机物和重金属等污染物有较高的去除能力。
自然生物膜对纳米颗粒较强的适应能力和吸附能力，能够影响纳米颗粒在水土界面的环境行为，阻止其进一步的迁移转化并降低其生态毒害。自然生物膜广泛分布且绿色环保，生态工程中利用自然界大量存在的自然生物膜可以降低纳米颗粒毒害从而对水源和农田起到保护作用，而将自然生物膜应用于污水处理生物反应器，能够处理含有纳米颗粒污染物的混合污水，避免单一微生物因纳米颗粒胁迫而影响污水处理效率。
该研究由中国科学院南京土壤研究所吴永红团队完成，近期发表于Environmental Science: Nano和Bioresource Technology，该工作受到国家重点研究发展计划（973）、国家自然科学基金委和中国科学院青年创新促进会的资助，并受到上海光源的技术支持。