富勒烯的环境生物转化、体外代谢机理及毒性效应研究

With the large amount production and application of engineering carbon nanomaterials, they will be released to the environment inevitably. In the environment, nanomaterials could be transformed by various microorganisms, thus impacting in vivo metabolism and changing their toxicity. However, there is paucity of information on the microbial transformation and in vitro metabolism of carbon nanomaterials. 1）This project will investigate the biotransformation of fullerens through enzymatic, microbial or microbial-mediated abiotic reactions. The enhanced biodegradation may be achieved by the combination of photo transformation with biodegradation under environmental conditions. The transformation products, pathway and efficiency will be explored. 2) The potential of in vitro metabolic transformation of C60 and its derivatives from above process will be assessed. The changes of metabolic mechanism caused by structural alteration will be discussed. The impact of environmental biotransformation on in vitro metabolism of C60 and its derivatives' will be evaluated. 3) The impacts on cellular uptake, cytotoxicity, genotoxicity and protein expression due to the biotransformation process will also be evaluated. In particular, the effect of light, natural organic matter and pulmonary surfactant on the toxicity will be addressed and toxicity due to mixture exposure will also be studied. Emphasis will be placed on characterizing transformation products both qualitatively and quantitatively and understanding the structure-toxicity relationship. The improved mechanistic understanding of fullerene biotransformation will benefit evaluating engineering applications, fate & transport characteristics, ecological impact and heath risk from environmental exposure.

人工碳纳米材料的大量生产和使用将不可避免地导致其进入环境，环境微生物对纳米颗粒的转化会显著影响其在人体的代谢过程、改变其毒性效应，这方面的研究还基本处于空白。本研究以典型碳纳米材料富勒烯为研究对象，1）探索它在环境中被酶、微生物或微生物产生的活性物质、光反应-微生物联合作用生物转化的可能性，表征转化产物、转化途径及效率。2）研究C60及环境转化产物在体外的可能代谢转化机制，比较结构改变导致的代谢降解性差异，评价环境转化过程对人体代谢的影响。3）研究生物转化、代谢过程导致C60的细胞摄入、细胞毒性、基因毒性、对蛋白质表达的影响及机理。特别引入环境因素（光照、天然有机物、混合暴露）及生物分子（肺表面活性剂）对毒性效应的影响。研究重点在于转化、代谢产物的定性定量分析及建立结构-毒性效应的构效关系。研究成果对于深入理解C60的生物转化特性、科学评价其环境归趋、健康效应、环境暴露等具有重要意义。

人工纳米材料因其独特、优越的性质在很多领域有广泛的应用前景，产量的增加、使用的增多会导致其向环境释放的潜势增大，但目前我们对它们在环境中的归趋、健康效应所知仍然非常有限。本研究针对人工纳米材料的环境转化过程及机制、转化后毒性效应的改变及复杂环境条件对毒性效应的影响进行研究，共发表SCI及核心期刊文章10篇，其中SCI论文9篇，属于I区的论文5篇；培养博士研究生1名，硕士研究生3名；受邀在国内、国际学术会议上做邀请、主旨报告介绍课题相关的研究。. 主要包括三个方面：1）人工纳米材料的环境转化。研究对象包括C60，碳管，石墨烯等多种常用人工纳米颗粒。研究环境中的常见物质（如微生物、酶、还原性物质等）、普通环境过程（如光照、消毒过程、高级氧化过程等）对人工纳米颗粒的结构、性能改变，以期真实模拟其在环境中可能发生的改变。如发现了光照/光氯化对富勒烯的氧化衍生化；木质素酶锰过氧化物酶可降解单壁碳管的管骼结构；辣根过氧化物酶可氧化还原氧化石墨烯；亚铁离子及光照对氧化石墨烯的不同还原途径等。2）环境转化、代谢改变对毒性效应的影响。纳米颗粒环境转化后理化性质发生显著改变，直接影响其生态健康效应。如我们发现光照过程可降低富勒烯的细胞毒性，但是光氯化过程显著增加了它的细胞毒性，并阐释了其中的机制；光还原的氧化石墨烯生成持久性稳定碳自由基，对细胞造成氧化损伤，但亚铁离子还原的氧化石墨烯确因其结构特征可作用抗氧化剂降低细胞毒性等。并对转化产物对细胞摄入、细胞毒性、基因毒性、转录调控等影响的机制进行了深入研究。通过系统表征纳米颗粒的物理化学结构改变，尝试建立纳米颗粒结构特征与毒性效应之间的相关性。3）复杂环境条件对毒性效应的影响。在毒性评价中我们引入了复杂环境条件如天然有机质、共存污染物、金属离子等对纳米颗粒毒性效应的影响，使得毒性评价更具有真实的环境意义。. 该项研究旨在阐释人工纳米材料在环境中转化及归趋、潜在健康效应改变及机制，真实评价环境因素对毒性效应的影响，为人工纳米材料的未来应用提供研究基础。