石墨烯是近年来最重要的碳纳米材料,石墨烯产业得到国家的大力扶持,多条百吨级石墨烯生产线建成投产,石墨烯电池、石墨烯面膜、石墨烯轮胎、石墨烯触摸屏等多种产品商业化成功。随着石墨烯的研发、生产、使用和废弃,石墨烯正在进入环境,将对环境造成未知的危害,需要对其环境生物效应进行全面的研究。生物固氮是氮循环最重要的环节之一,其中固氮菌扮演不可替代的角色。当石墨烯进入环境将与固氮菌相互作用,对固氮菌的生长和石墨烯自身的性质都可能产生影响,进而产生不同的石墨烯环境纳米生物效应。因此,研究石墨烯在固氮菌培养体系中的生物效应与转化是当前石墨烯环境生物安全性评价的重要方向。在本论文中,选取了典型的自生固氮菌褐球固氮菌为固氮菌模型,测定氧化石墨烯对褐球固氮菌的毒性和石墨烯在褐球固氮菌培养体系中的转化,评价氧化石墨烯的环境纳米生物效应。采用改进的Hummers法制备了氧化石墨烯,对其进行了系统的表征,包括透射电子显微镜、原子力显微镜、红外光谱、X射线光电子能谱、拉曼光谱等,获得其结构和化学组成的信息。配置0-1.0 mg/mL不同浓度的氧化石墨烯加入到褐球固氮菌培养体系中培养2h-14天,测定了褐球固氮菌的生长曲线;同时利用扫描电子显微镜和透射电子显微镜对褐球固氮菌的形貌和超微结构进行观察;对土壤中褐球固氮菌的生长情况也进行了测定。进而分离了培养体系中的氧化石墨烯,测定了不同培养时间后氧化石墨烯的红外光谱、X射线光电子能谱、X射线衍射谱、拉曼光谱、透射电子显微镜和扫描电子显微镜,分析氧化石墨烯官能团、组成、形貌的变化。通过上述实验主要取得的结果如下:(1)氧化石墨烯对褐球固氮菌的生长和结构有影响,表现出明显的剂量效应。氧化石墨烯对褐球固氮菌的毒性具有明显的剂量依赖,低浓度刺激褐球固氮菌生长,高浓度则表现为抑制作用。低浓度下,褐球固氮菌的形貌基本与空白组一致;高浓度下褐球固氮菌逐渐出现细胞壁破损、细胞质流失。同时还观察到石墨烯易于与褐球固氮菌分泌物形成团聚块状物,使得扫描电镜下观察固氮菌极为不易。即使在低浓度下,氧化石墨烯可导致褐球固氮菌直径变小;高浓度下褐球固氮菌超微结构破坏严重,细胞壁外可见石墨烯附着。剂量效应在土壤培养的褐球固氮菌中也被观测到,氧化石墨烯仍然表现出低浓度刺激、高浓度抑制的生物效应。(2)氧化石墨烯进入褐球固氮菌培养体系被迅速还原,随后的培养过程对其有微弱的氧化作用。氧化石墨烯进入褐球固氮菌培养体系迅速被体系中已有的培养基和褐球固氮菌分泌物还原,氧含量下降明显、碳含量升高。由于含氧基团仍然存在,还原前后的红外光谱无显著差异。还原后的氧化石墨烯颜色变深,堆叠加剧,表现为X射线衍射谱图的出峰朝大角度移动,即石墨烯片层间距减小。还原反而增加了石墨烯层的缺陷,拉曼光谱的I_D/I_G值显著增加。随着培养时间延长,石墨烯样品的变化较小,含氧量略有增加、缺陷反而稍微减少。石墨烯层的堆叠仍然严重,透射电子显微镜和扫描电子显微镜观察都发现石墨烯堆叠严重,失去了单层石墨烯的锐利图像。