石墨烯纳米材料对典型水生物的代谢毒性及其机理

Graphene is one of the most high-profile nanomaterials in the modern science and technology and the industrial community. In order to radically control various hazards from graphene nanomaterials into the actual environment, metabolic toxicology induced by graphene nanoparticles acting on zebrafish, crucian carp and clamworms selected as typical aquatic model organisms, namely, weight-increasing relevant toxicity, cardiovascular damage, intestinal microbial community changes, inflammatory responses and neurotoxicity of these typical aquatic model organisms under the condition of exposing to graphene nanoparticles, will be tentatively explored. In the meantime, by using the gas chromatography / mass spectrometry (GC/MS) technique, changes in metabolomics of aquatic model organisms induced by graphene nanomaterials will be analyzed and determined, and the correlation relationships between metabolomics changes and graphene nanoparticles will be established. Genes, proteins, and metabolites, and the same way of the aquatic model organisms will be studied and screened out, in particular, acting mechanisms of relevant toxic effects of the aquatic model organisms by graphene nanomaterials will be revealed using genomics, proteomics and metabonomics technology, and influences of gene expression changes on proteins and the action of protein changes on the metabolic pathway will be explored while combined with various toxic indexes, relevant references and confirmatory experiments, thereby providing with basic data and relevant scientific and technological support for the development of emerging industries based on graphene nanomaterials and setup of ecological safety and risk evaluation methods.

石墨烯是现今科技与工业界最受瞩目的纳米材料之一。为从根本上控制其进入实际环境后可能发生的各种危害，本项目选择斑马鱼、鲫鱼等鱼类以及沙蚕为水生模式生物，探索石墨烯纳米颗粒诱发水生模式生物的代谢毒性规律，即在石墨烯纳米颗粒暴露和诱导下这些典型水生模式生物体重增加的相关毒性、心血管损伤、肠道微生物群落变化与炎症反应以及神经毒性方面的变化，同时通过气相色谱质谱联用技术测定、分析石墨烯纳米材料诱导水生模式生物体内代谢组学的变化，并建立其相关关系；使用基因组学、蛋白质组学和代谢组学相关技术对水生模式生物的基因、蛋白和代谢物及其同路进行研究、筛选，探究基因表达变化对蛋白的影响和蛋白的变化对代谢通路的作用，结合各项毒性指标，通过查阅相关文献和验证实验，详细阐释石墨烯纳米材料对水生模式生物相关毒性效应的产生机理，为探寻以石墨烯为基础的新兴产业的发展以及生态安全性评价方法提供基础数据和相关科技支撑。

作为一种新型碳材料，石墨烯是现今科技与工业界最受瞩目的纳米材料之一。鉴于石墨烯纳米材料特殊的化学特性和物理结构，使其具有巨大的应用价值，并可能导致其不可避免地被大量释放到水、土壤和大气环境中。为从根本上控制其进入实际环境后可能发生的各种危害和潜在风险，本项目选择斑马鱼（Danio rerio）、水稻（Oryza sativa）以及小球藻（Chlorella vulgaris）等为模式水生生物，较为全面分析、阐释石墨烯纳米材料诱导典型水生生物产生代谢组学水平的变化及其可能诱发的代谢毒性效应，并且通过基因组学和蛋白质组学联合手段以及在代谢组学水平上揭示了石墨烯纳米材料诱导产生毒理作用的相关机理。具体主要涉及GO进入生物体内后的物理化学性质测定及其与原始GO毒性效应对比分析，GO可诱发斑马鱼生长发育毒性及心血管损伤相关毒性的证实，GO诱发斑马鱼脑组织损伤及神经损伤毒性效应及其代谢机理分析，GO诱发斑马鱼肠道炎症反应与微生物群落变化及其代谢机理分析，GO诱导水稻及小麦生物效应的影响，以及环境纳米胶体调控GO的环境行为及其水生生态毒性。通过实验研究，一方面，揭示了石墨烯纳米材料对水生模式生物代谢毒性及其代谢通路的影响；另一方面，详细阐释了石墨烯纳米材料诱导水生模式生物产生代谢毒性的微观作用机理。相关结果为科学评估GO及其衍生物的水生生态保护、健康风险及其合理设计应用提供了理论依据，为相关技术研发提供了基础数据支撑。本项目在国内外高水平期刊上共发表学术论文50篇，其中第一标注25篇，SCI论文39篇，影响因子大于5.0的SCI 论文22篇；申报国家发明专利8项，其中授权3项；培养博士后4人，目前1人出站，3人在站；培训年青教师5名；培养博士生6人，硕士生8人。从考核指标来看，大大超出本项目预定的指标，超额完成了研究任务。