石墨烯在食物链中的积累、传递过程以及过程模型和评价指标研究

Once the release of graphene nanomaterials into environment, their accumulation and trophic transfer in aquatic food webs warrant a careful evaluation. However, due to the unique properties of graphene nanomaterials, such as insolubility in lipid/water, variable size distribution and transformation to graphene derivatives, the assessment index summarized from traditional bioaccumulation model may not be suitable to assess the biological exposure potential of graphene nanoparticles. In this project, 14C-labeled graphene is used to evaluate the bioaccumulation, trophic transfer, biodistribution and elimination through waterborne uptake or trophic transfer in a simulated food chain, which is built by species originated from different trophic level. Based on the traditional chemical bioaccumulation model, the parameter of mass is replaced by volume to build the trophic transfer model, the concept of partition is replaced by distribution to build biodistribution model and the transformed graphene is regarded as other form of graphene to build biotransformation model. As such, The definition of bioconcentration factor and trophic transfer factor which is suitable to evaluated the exposure potential of nanomaterial graphene in organisms is updated. The results of the study will provide scientific information for the accurate assessment of the ecological risk of graphene and making efficient management policies.

碳纳米材料石墨烯一旦释放到环境中去，可能在陆生和水生食物网中积累或随食物链传递。然而，由于石墨烯纳米颗粒具有难溶于脂/水、尺寸分布差异大以及易转化为纳石墨烯衍生物等特殊性质，在对其进行环境与健康风险评价时，使用经典生物积累模型归纳出的生物富集系数和食物链传递系数等指标评价其生物暴露风险可能并不合适。本项目选取生态系统中各营养级上具有代表性的生物作为受试生物，借助14C标记技术，通过对石墨烯在食物链中的积累、传递以及分布、排泄等过程的系统研究，在经典生物积累模型基础上，使用容积参数取代质量参数，建立石墨烯的食物链传递模型、使用分布概念取代分配概念，建立组织分布模型、将转化后的石墨烯视为石墨烯的其他形态，建立生物转化模型。揭示石墨烯的生物暴露机制，制定适用于纳米颗粒的生物富集系数和食物链传递系数等评价指标。为石墨烯的生态和健康风险评价提供关键科学基础。

由于石墨烯纳米颗粒具有难溶于脂/水、尺寸分布差异大以及易转化为纳石墨烯衍生物等特殊性质，在对其进行环境与健康风险评价时，使用经典生物积累模型归纳出的生物富集系数和食物链传递系数等指标评价其生物暴露风险可能并不合适。本项目选取生态系统中具有代表性的生物作为受试生物，借助14C标记技术，通过对石墨烯在单一生物或食物链中的积累、传递以及分布、排泄等过程的系统研究，使用容积参数取代质量参数、使用分布概念取代分配概念，揭示石墨烯在生物组织中的堆积形态对其生物富集的影响。在此基础上引入堆积密度概念，用以评价石墨烯的生物富集程度；引入稠化度概念，用以评价石墨烯在食物链间的传递和放大。本项目揭示了石墨烯的食物链传递行为以及对高等生物的潜在健康风险，制定了适用于纳米颗粒的生物富集系数和食物链传递系数等评价指标。新的评价指标可以有效解决经典生物富集和食物链传递模型无法应用于纳米颗粒的暴露风险评价的问题，对石墨烯等纳米颗粒的环境风险评估提供了定量比较数据和理论依据。