典型的二维纳米材料-石墨烯,自2004年发现以来,就因其独特的理化性质引起了众多领域科学家的高度关注。但是直到2008年,石墨烯在生物医学领域的研究与应用才开始引起广泛关注。研究结果表明,石墨烯类纳米材料在抗癌药物载体、生物成像、光热肿瘤治疗等方面能够起到良好的效果,并展现出了潜在的应用价值。但是到目前为止石墨烯类纳米材料依然没有应用到临床上,其主要、原因是缺乏对石墨烯在生物体内行为的研究,包括石墨烯在生物体内的分布、迁移转化、代谢以及长期毒性效应等方面。因此,系统的研究石墨烯在生物体的器官水平、亚器官水平的分布规律以及长期暴露下的毒性效应对正确评价其在临床上的应用风险具有指导意义。石墨烯类纳米材料的广泛应用将导致其不可避免的释放到自然环境中,从而造成潜在的环境风险。释放到环境中的石墨烯能够在自然过程的作用下发生一系列的变化,例如尺寸的变化、电性的变化以及表面官能团的变化等。因此,在评估石墨烯类纳米的环境风险时,需要考虑到石墨烯理化性质的改变对其潜在生态风险的影响。基于以上考虑,本论文首先研究了不同尺寸石墨烯在小鼠器官以及亚器官水平的分布规律以及长期暴露下的毒性效应;接着研究了石墨烯释放到自然环境中后,自然过程(辣根过氧化物酶酶催化降解酚类有机污染物的反应)对石墨烯理化性质的改变;最后研究了不同理化性质的石墨烯在斑马鱼体内的富集、分布、排泄规律以及产生的毒性效应。研究结果如下:(1)本文首先利用合成的大尺寸石墨烯(L-FLG)通过超声的方法成功制备出了小尺寸石墨烯(S-FLG),利用原子力显微镜表征可知,L-FLG的尺寸主要分布在300-500 nm,S-FLG的尺寸主要分布在20-40 nm。通过尾部静脉注射的方式将S-FLG和L-FLG分别注入到小鼠体内后,结果发现S-FLG和L-FLG的第一阶段的半衰期分别为18.25±4.13 min和7.78±3.17 min,第二阶段的半衰期分别为 1003.21 ± 434.40 min 和 601.93±102.63 min,这表明 S-FLG 和 L-FLG 能够迅速的从血液中得到清除。注射12 h后,发现～90%的FLG(S-FLG和L-FLG)累积在小鼠的肝脏中。因此,我们进一步探索了 FLG(S-FLG和L-FLG)在肝脏各细胞间的分布规律,结果发现Kupffer细胞中的L-FLG累积量大于S-FLG,而Hepatocyte中S-FLG累积量大于L-FLG。进一步结合体外细胞实验,结果发现FLG进入细胞的方式与FLG的尺寸和细胞的类型有着紧密的关系。最后研究了长期暴露(180 d)下,不同尺寸FLG在小鼠体内的分布、排泄规律以及对肝脏产生的毒性效应。结果表明,随着时间的进行L-FLG能够逐渐从肝脏中清除掉,但是180 d后,肝脏中依然存留有约35%的L-FLG;对于S-FLG而言,其从肝脏中清除的速率极其缓慢,暴露180 d之后,肝脏中依然存留有85%的S-FLG。血液生理生化指标以及肝脏组织病理学切片的结果表明S-FLG和L-FLG并未引起显著的肝器官毒性。(2)本文接着研究了 FLG释放到环境中后,自然过程的作用对FLG理化性质的改变。以自然环境过程中的酶催化反应为代表,首先研究了 FLG对辣根过氧化酶催化转化四溴双酚A反应的影响。研究结果表明FLG能够显著促进辣根过氧化物酶催化去除四溴双酚A的反应速率,其主要原因是FLG对酶活性具有保护作用。此外,我们对辣根过氧化物酶催化去除四溴双酚A的反应产物进行了鉴定与分析,结果发现FLG不会影响该反应过程中的产物种类,但是却能够大量减少反应产物的含量,这可能是由于反应过程中的有机自由基能够与石墨烯发生相互从而消耗了自由基的含量。因此,我们利用X-射线电子能谱对石墨烯表面的元素进行了分析,结果发现石墨烯表面确实有特征Br元素。最后对反应后的FLG进行了原子力显微镜表征,结果发现反应后的FLG尺寸显著减小,由原来的300-500 nm减小到了 30-80 nm。我们进一步利用动态光散射技术对反应后的FLG在水中的聚集行为进行了表征,结果发现与原始的FLG相比,反应后的FLG的稳定性增强了。(3)本文最后以FLG的尺寸为例深入研究了理化性质的差异对FLG在斑马鱼体内的富集、分布规律以及毒性效应的影响。斑马鱼在FLG浓度为250μg/L的条件下暴露48 h后,L-FLG在鱼体内富集量为47.98±7.62(μg/g)、S-FLG的富集量为0.29±0.03(μg/g),这表明L-FLG更容易被斑马鱼所摄取。然而一旦将暴露L-FLG的斑马鱼放置于清水中120 h后,L-FLG几乎全部从鱼体内排泄出去。而暴露S-FLG的斑马鱼排泄120h后,其体内依然仍然有75%左右的S-FLG,这表明S-FLG无法完全从斑马鱼体排出。对暴露于不同尺寸FLG的斑马鱼进行解剖,结果发现约有98.3±1.3%的L-FLG累积在斑马鱼的肠道内,此外还有少量的L-FLG(2%)能够在鳃中检测到。对于S-FLG暴露组而言,约有0.175 μg/g的S-FLG分布在斑马鱼肠道内,并且在斑马鱼的肝脏中可以检测出S-FLG,其残留量约为2.18 μg/g(此处以肝脏干重为单位)。既然S-FLG能够在斑马鱼的肝脏中检测到,因此我们进一步研究了 S-FLG在肝脏亚器官水平的分布规律,结果发现～80%的S-FLG能够进入到肝细胞,同时我们利用高分辨透射电子显微镜对肝细胞中的S-FLG进行了定性表征。尽管大量的FLG分布在肠道内,但是组织病理学切片的结果表明S-FLG和L-FLG并不会对斑马鱼的肠道产生明显的毒性效应。我们进一步研究了不同尺寸FLG对斑马鱼肠道微生物群落结构的影响,结果发现,与L-FLG相比,S-FLG能够显著减少气单胞菌属的相对丰度,从而影响斑马鱼肠道微生物的群落结构。进一步选取了 4种气单胞菌属的菌株进行了体外暴露实验,结果发现S-FLG对4种菌株的毒性明显大于L-FLG,这可能是由于细菌更容易与S-FLG发生相互作用。