腐殖酸对石墨烯及其功能化衍生物微藻毒性的影响研究

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石墨烯及其功能化衍生物(GFMs)由于其优异的物理化学性能,被广泛应用于各个领域,从而大大增加了其排放进入环境的风险,但是其对水生生物的影响缺乏研究。腐殖酸(HA),作为水体中广泛存在的一种天然有机质,其独特的分子结构能够有效改善纳米材料的环境行为以及毒性,然而目前关于HA对GFMs生物毒性的影响鲜有报道,尤其是致毒机理尚不明确。因此,本课题的研究内容如下:本研究选取石墨烯(G)、氧化石墨烯(GO)、羧基化石墨烯(G-COOH)以及氨基化石墨烯(G-NH2)四种石墨烯材料以及HA为研究对象,选取斜生栅藻为受试生物,以细胞生长、叶绿素a合成、细胞活性、细胞膜完整性以及线粒体膜电位为毒性指标,比较这四种GFMs对斜生栅藻的毒性水平和差异以及HA对其毒性的影响;同时,为了探究GFMs对斜生栅藻的致毒机理以及HA发挥的作用,对细胞表面的形貌变化、细胞内的氧化应激以及水相中的羟基自由基(?OH)进行了表征。研究结果表明,这四种GFMs对细胞生长和叶绿素a合成都产生了明显的抑制作用,且通过线性拟合得出G、GO、G-COOH和G-NH2在72 h时对栅藻的半数效应浓度(EC50)分别为8.2、20.6、32.2和84.0 mg/L,表明G对栅藻产生了最大的毒性效应,G-NH2对栅藻产生了最小的毒性效应;此外,GFMs还对栅藻的细胞活性、细胞膜完整性以及线粒体膜电位产生了破坏。而HA存在时能够明显降低GFMs对斜生栅藻的毒性效应,且对于大多数毒性终点的减弱程度主要遵循G-NH2>G-COOH>GO>G的顺序。GFMs对栅藻的表面包覆、物理损伤、细胞内的高氧化压力以及水相中·OH的产生成为GFMs对栅藻的主要致毒机理。同时HA对GFMs毒性的减弱机理可推测为以下三方面:(1)调节GFMs的无序结构和表面负电荷,从而减少GFMs与藻细胞的接触;(2)通过与HA相互作用,降低GFMs在细胞表面的沉积,从而缓解GFMs对细胞的物理损伤;(3)HA还可以作为一种抗氧化剂与细胞内的ROS以及细胞外的?OH反应。本研究为GFMs以及HA存在时的环境行为提供了生态毒性数据,这将有助于避免对自然水环境中GFMs的潜在风险过高估计。
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