利用核技术研究石墨烯在土壤-植物系统中的分布和转化

Graphene is a new type of carbon-based nanomaterials. Due to its unique properties, graphene has aroused a new wave of global research. Meanwhile, its potential risk to environment and human health has also become a research focus in environmental science and toxicology. With its widely production and application, graphene will inevitably enter into the environment, and the soil-plant system will be the major sink for them. Understanding the uptake, distribution and transformation of graphene and providing relevant quantitative data is a basic need for environmental risk assessment of graphene nanomaterials. Unfortunately, environmental behavior of graphene still remains unknown. Due to the complicated matrix and high carbon background of the environment and biological samples, it is difficult to detect the graphene by traditional quantitative methods. Radioisotope tracer technique and synchrotron based techniques are respectively considered to be the best methods for quantitative and element speciation analysis in environmental and biological samples. This project aims to study the distribution, transformation and effect of graphene in soil-plant system, using radioisotope tracer techniques and synchrotron based techniques. This study will provide the essential scientific data for risk assessment of graphene.

石墨烯是一种新型的碳纳米材料，由于其独特的光、电、热学及力学性能，全球已掀起了一轮石墨烯研究热潮。与此同时，其潜在的环境风险与健康效应也成为环境科学和毒理学研究的热点。随着其大量的生产和应用，石墨烯材料不可避免会进入到环境中，土壤-植物系统是其主要的归趋。了解石墨烯在土壤-植物系统中的吸收、分布和转化等行为，提供相关的定量数据，是评价石墨烯环境风险的必要环节。然而，目前石墨烯的环境行为研究几乎处于空白。由于环境和生物体中碳元素本底高，基底复杂，常规方法难以检测。本项目利用放射性同位素示踪技术和同步辐射技术在复杂体系中进行定量和化学种态分析上的优势，研究石墨烯在土壤-植物体系中的分布与转化，同时评价其植物效应和对土壤微环境的影响，为评估石墨烯材料的环境风险提供必不可少的科学依据。

纳米材料由于具有独特的理化性质，在各个领域都具有广泛的应用前景，与此同时，其潜在的环境安全与健康效应不容忽视。土壤-植物体系是整个生态系统中重要的组成部分，了解纳米材料进入环境之后是否会对该体系产生影响、是否会进入植物体并转化，对于评价纳米材料的环境风险具有重要意义。.本课题研究了两种重要的人造纳米材料即石墨烯和纳米CeO2等对微生物以及植物生长的影响。主要成果概括为以下几点：（1）发现了氧化石墨烯（GO）和还原型氧化石墨烯（rGO）对两种典型细菌大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长具有截然不同的效应。在富营养的LB培养基中，GO可以吸附LB中的营养成分，从而为细菌生长提供营养，加速细菌生长及生物膜的形成。相反，rGO通过物理切割和产生自由基两种形式抑制细菌生长，且中低浓度的毒性会随时间延长而减弱。（2）合成不同还原程度的rGO，并发现rGO对细菌的毒性依赖于含氧官能团的含量以及培养基类型。（3）相同浓度下，rGO对水稻生长无影响，而GO抑制水稻生长。GO可导致Fe元素在水稻叶片中过度累积，产生Fe中毒，导致氧化损伤。非靶向组学表明GO和rGO对根系分泌物中代谢物成分具有不同的影响。（4）纳米CeO2在高浓度下抑制沙培生菜的生长、影响光合作用及抗氧化酶系统。500mg/kg CeO2还可导致硝酸盐含量显著升高，产生潜在的健康风险。（5）形貌显著影响纳米CeO2在植物中的转化。棒状纳米CeO2具有较高的表面活性，因此转化程度最高。上述研究成果对石墨烯及纳米CeO2的毒性与转化机制进行了深入研究，对二者的安全性评价具有重要意义。