石墨烯在底泥中的分布、转化及其潜在风险研究

With the increased production and use of graphene in consumer products and their potential for release into the environment, it is critical to understand their environmental fate and potential ecological risks. Due to the methods for detection and quantification of graphene in various environmental media are limited, the environmental fate and potential ecological risks of graphene in sediment are still unclear, making it difficult to assess their environmental risks. In this project, the distribution of 14C-graphene among the different components of sediment is explored with the help of 14C radioisotope labeling technology. Then, the transformation of graphene under the action of aerobic or anaerobic microorganisms in sediment is studied, as well as the influence of transformation on its distribution among various components in sediment. Finally, we study the accumulation of graphene in typical benthic dwellers, and further explore the toxic effects of graphene on benthic dwellers. The project will provide key scientific information for correctly understanding and accurately evaluation the environmental behavior and potential ecological risks of graphene in sediment.

石墨烯的大量生产和广泛使用将导致其不可避免的释放到自然环境中，从而引起潜在的环境风险。当石墨烯进入到底泥中后，由于缺乏对环境复杂介质中石墨烯准确定量和追踪的方法，导致目前石墨烯在底泥中的环境行为及生物效应还不明确，难以进行环境风险评估。基于此，本课题拟借助14C放射性同位素标记技术，首先研究石墨烯进入底泥后在底泥各组分间的分布特征及赋存形态；其次探索石墨烯在底泥中好氧或厌氧微生物作用下的转化过程及机制，并进一步探索转化前后石墨烯在底泥各组分间分布规律的变化；最后研究石墨烯在典型底栖生物体内的累积程度及产生的毒性效应，揭示石墨烯内暴露剂量与毒性效应之间的内在联系。本研究为充分认识石墨烯在底泥中的环境行为及准确评价其潜在生态风险提供了科学依据。

碳纳米材料石墨烯一旦释放至地表水环境中后，经过一系列的迁移过程，大部分将沉积到底泥中，对底泥中的生物造成潜在危害。因此，探究石墨烯在底泥环境中的迁移转化行为及其在典型底栖生物体内的富集分布特征及生物效应对于评估石墨烯在底泥介质的潜在生态风险至关重要。但是由于缺乏对石墨烯在复杂环境介质中准确定量的方法，使得目前关于这方面的研究极其匮乏。本项目针对以上问题，利用C-14放射性同位素标记技术，系统揭示了石墨烯在底泥介质中的迁移转化行为，明确了石墨烯在底泥铁矿物存在下的转化路径和机制，发现石墨烯进入底泥环境中后大部分分布在底泥中的矿物组分中，并且其中的铁矿物能够在过氧化氢存在的条件下诱发类芬顿反应，进而将石墨烯矿化成二氧化碳。选取了典型的底栖生物泥鳅作为研究对象，阐明了石墨烯在通过水相直接暴露和底泥相暴露后在泥鳅体内的富集排泄规律以及分布特征，结果发现尽管底泥相暴露使得石墨烯在泥鳅体内的总累积量减少，但是却能够显著增加石墨烯在泥鳅肝脏中的累积量，这说明暴露途径显著改变了石墨烯在泥鳅体内的分布特征。此外，本项目进一步阐明了石墨烯对泥鳅肠道微生物群落结构、多样性和功能的影响。发现石墨烯的暴露能够显著增加泥鳅肠道内拟杆菌门的丰度，进而改变微生物的群落结构和功能。最后，也探明了石墨烯对底泥微生物多样性、结构和功能的影响。