石墨烯和氧化石墨烯在典型生物中的生物过程及效应机制研究

Graphene exhibits exceptionally high crystal and electronic quality, and has already revealed a cornucopia of new physics and potential applications. If even a small fraction of its potential applications are realized, it is inevitable that it will enter environment systems in increasing amounts, while the risks it may pose are largely unknown. Using graphene and graphene oxide as the target and by means of carbon-14 tracer techniques, we will study the biological processes and effects of graphene and graphene oxide in typical organisms. The relationship between the toxicity of graphene and its metabolism, distribution and concentration in the organisms will be established. The study will also explore the potential maternal transfer of the bioaccumulated graphene in organisms and its effects on the offspring. The results here will provide significant scientific information for the environmental risk assessment of graphene.

作为一种具有特殊性能的新型碳纳米材料，石墨烯的开发与应用不可避免的会通过各种途径释放到环境中去，对陆生和水生生物及人体的健康造成影响。本项目以石墨烯和氧化石墨烯为对象，采用14C示踪技术，在标记石墨烯和氧化石墨烯已成功合成的基础上，结合现代仪器分析手段，建立生物过程中石墨烯定量研究的方法，研究石墨烯进入生物体内的界面传输以及体内代谢、分布与残留等生物过程和毒性效应，揭示生物体内石墨烯和氧化石墨烯代谢、分布、赋存形态与毒性效应之间的内在关系；同时考察在生物体内富集的石墨烯的亲子传递规律及其对子代的影响，为石墨烯的环境风险评价提供关键科学基础。

石墨烯在环境中的暴露过程是评估其风险的重要依据。由于缺乏有效的定量、追踪手段，使得石墨烯在环境生物中的分布、迁移及内暴露剂量等关键信息了解严重不足。本项目在同位素标记石墨烯成功合成的基础上，首先定量研究了石墨烯在单一生物中（大型蚤、斑马鱼、小鼠等）的摄入、分布、累积、转化和迁移等关键生物过程和内暴露剂量，阐明了石墨烯进入典型生物体内的界面传输过程和致毒机制；其次研究了食物、天然有机质、多糖等因素存在时对上述过程和暴露的影响，同时建立了由大肠杆菌、四膜虫、大型蚤和斑马鱼等构成的水生生物食物链，阐述了石墨烯在各营养级水生生物体内的累积、分布、迁移和随食物链传递的规律。项目执行期间，以项目主持人为第一/通讯作者发表SCI论文14篇（项目为第一标注的12篇，第二标注2篇），影响因子大于5的有13篇，其中ACS Nano和Particle and Fiber Toxicology各 1篇，Environmental Science & Technology 4篇，Water Research 2篇。研究结果为石墨烯的环境风险评价提供了关键科学基础。