纳米结构对模拟氧化石墨烯产品环境释放与生物效应的调控作用及分子机制研究

With the quick development of nanotechnology, the environmental risks of nanomaterials need to be scientifically assessed before the large-scale exposure of nanomaterials. The current researches on the environmental risks of nanomaterials focus on the pristine forms of nanomaterials. However, the environmental risks induced by the environmental release of nano-enable products are ignored and the knowledge of nanostructures influencing the above environmental risks is very limited, causing that the above related studies lack environmental implications. Given the high potential of graphene oxide (GO) applications, different nanostructure (wrinkle, defect and chiral) GO-polyaniline/epoxy resin complexes as simulated nano-enable products, will be studied in this project. The occurrence, agglomeration & sedimentation, morphology, and chemical active will be analyzed to clarify the roles of nanostructures on the environmental release of nano-enable products. The macro effects (uptake & accumulation, individual development, abnormal behavior and reproductive toxicity) and microscopic effects (tissue injury, transmembrane pathway, ion channel and oxidative stress) will be studied to characterize the adverse biological effects of released nanoparticles on zebrafish. Combining multi-omics, the relationships among nanostructures, release behaviors, biological effects and omics changes will be finally established to reveal the molecular mechanisms of biological effects induced by the release of nano-enable products. This project will provide references for the scientific assessment and control of the environment risks of nano-enable products.

随着纳米科技的迅速发展，在纳米材料大规模暴露环境之前，需要科学评估其环境风险。当前纳米材料环境风险研究主要集中于原始纳米材料，忽视了纳米产品环境释放产生的风险，并且对上述风险的纳米结构调控作用认知不足，导致其环境研究意义不够突出。鉴于氧化石墨烯（GO）具有较强的应用前景，课题拟以不同纳米结构（褶皱、缺陷、手性）GO与环氧树脂/聚苯胺复合体为模拟纳米产品，从赋存形态、团聚沉降、形貌结构和化学活性角度，阐明纳米结构对纳米产品环境释放行为的调控作用；从生物宏观效应（吸收积累、个体发育、行为异常与生殖毒性）和微观效应（组织损伤、跨膜途径、离子通道与氧化胁迫）两个层次，探明纳米产品环境释放诱发斑马鱼不良生物效应特征；通过关联多组学，最终构建上述纳米结构、释放行为、生物效应与组学变化的关系，揭示纳米产品环境释放诱发生物效应的分子机制。该研究将为科学评估及调控纳米产品环境风险提供依据。

当前纳米材料环境风险研究主要集中于原始纳米材料，忽视了实际环境中存在的纳米产品的环境风险，并且对纳米风险、纳米结构、环境因素关联性及调控作用认知不足，导致其环境研究意义不够突出。首先，我们采用拉曼光谱、原子力显微镜、傅里叶变换红外光谱、X射线光电子能谱、顺磁共振、高分辨透射电镜、荧光共聚焦激光扫描显微镜、气相色谱串联质谱、液相色谱串联质谱分析技术相结合，从赋存形态、形貌结构和化学活性角度，研究了不同粒径、氧化程度的GO诱发的环境效应行为，及增强土壤环境中微生物对PAHs耐受力的蛋白组学机制。同时，研究发现光照、次氯酸盐等环境因子能促进GO sp2结构的破坏，导致GO结构降解产生具有短碳骨架的烷烃和芳烃，具有重塑GO的形态、结构和表面化学性质的作用，并增强了其生物毒性。研究发现，单层MoS2与GO具有类似原子排列方式、结构和厚度，光照、溶解性氧等环境要素对单层MoS2化学结构及生物效应具有重塑作用，为揭示GO生态环境风险提供了有力补充。研究发现可见光对具有不同纳米属性特征的MOFs环境稳定性和生物毒性也具有重塑作用。同时研究探讨了腐殖酸等环境要素对纳米钯修饰的rGO形貌结构、化学活性的影响作用，以及诱发的生物毒性作用转变，为纳米材料的合理使用提供了重要参考。另一方面，我们利用切向流分离技术从自然水体中分离提取了环境中真实存在的天然纳米胶体，研究了纳米胶体在地表水中的理化性质和生态风险，并从生物宏观及微观效应角度阐明了纳米胶体暴露诱发的斑马鱼胚胎发育毒性，包括表型畸形、氧化应激，结合组学分析阐明了诱发的斑马鱼毒性效应机制。最后，鉴于纳米材料种类多，同时受到复杂多变的纳米属性、自然环境条件和社会经济活动等多重因素影响的特点，我们提出了采用机器学习预测非预期释放的纳米颗粒环境毒性的重要学术思想，推进了纳米毒理学的创新性发展，为科学评估及管控纳米产品环境风险提供了重要依据。