石墨烯在水生生物中的富集、净化及其随食物链传递规律研究

发布时间：2020-07-01 16:52

【摘要】：石墨烯自合成以来就因其新颖的特性以及在工业或科学领域广阔的应用前景而备受瞩目。随着其在消费品中的使用日益增加,在石墨烯纳米产品的生产和使用过程中,其中包含的石墨烯将不可避免通过各种途径释放到环境中去,对陆生和水生生物以及人体健康造成影响。在污染物环境与健康风险评价中,暴露过程研究是必不可少的环节,对生物体在实际环境中的暴露剂量进行准确定量是影响风险评价结果可靠性的重要因素。尤其是对水环境中水生生物对石墨烯的富集、净化和随食物链传递等过程的认识的不足,会导致对水生生物实际暴露剂量发生偏差,引起实际毒性效应与实验室毒性测试结果之间的差异和不确定性。因此对石墨烯在生物体内的富集净化以及随食物链传递行为进行定量研究是对石墨烯进行生态风险评价的重要组成部分。针对目前石墨烯及其衍生物(GFNs)在复杂环境和生物样品中定量检测方法的匮乏及其在生态环境尤其是水环境中生物暴露研究的不足,本论文建立了由细菌大肠杆菌(Escherichia coli)—原生动物四膜虫(Tetrahymenathermophila)构成的微生物食物链以及无脊椎动物大型蚤(Daphnia magna)—脊椎动物斑马鱼(Danio rerio)构成的水生生物食物链以研究石墨烯在各营养级水生生物体内的积累、净化以及随食物链传递的规律。本论文主要研究内容和结果如下:(1)本文以14C标记的苯酚为原料直接合成石墨烯,将放射性碳素原位标记在石墨烯上,合成了 14C标记的多层石墨烯(14C-FLG),利用放射性同位素检测手段实现了石墨烯的准确定量,使定量检测复杂环境样品和生物样品中石墨烯的方法合理有效。暴露实验结果表明FLG能在大型蚤体内大量富集。在250μg/L FLG溶液中暴露24 h后,大型蚤体内的FLG含量可达蚤体干重的1%。同时,在人工清洁水(AF)中,大型蚤能将体内的FLG排出体外,但是无论初始FLG暴露浓度是多少,经过24h的净化后其体内依然有FLG残留且残留量在继续净化后基本保持恒定。在净化过程中混入绿藻或腐殖酸将使体内积累的FLG排出90%以上,但依然有部分残留在蚤体内。而且积累了 FLG的成年大型蚤在排泄后其体内残留的FLG甚至有可能传递到子代幼蚤体内。(2)本文深入探索了 FLG通过水相暴露在脊椎动物斑马鱼体内的富集、分布以及净化行为。我们将成年斑马鱼暴露在14C-FLG分散液中,检测鱼体内积累FLG的含量。结果显示FLG能在鱼体内大量积累。在浓度为250μg/L的FLG中暴露48小时后,斑马鱼体内的FLG富集量达48 mg/kg鱼干重,但是一旦斑马鱼被转移到干净水体中,净化很快发生,12h后鱼体内积累的FLG几乎全部排出体外。这可能是由于FLG主要积累在斑马鱼的肠道内,无法穿透肠道壁细胞迁移到其他组织器官引起的。对FLG在受暴露斑马鱼体内的分布研究证实了以上假设,结果显示,约98.3%的富集FLG都分布在鱼肠道内,剩余的FLG只在鱼鳃中有检出。而自然界广泛存在的天然有机质(NOM)能使FLG的富集量升高,为无NOM条件下的2.5倍,同时,与NOM发生相互作用的FLG能在鱼体内停留更长时间难以从鱼体内排出。然而,NOM的存在并不能使FLG穿透肠壁细胞进入鱼体其他组织。此外,虽然FLG能在斑马鱼肠道中大量积累,但是其对水生生物肠道微生物群落的丰度和多样性并未造成明显扰乱。但是FLG可能在肠道细菌外壁发生聚积并与其细胞壁结合,对细菌本身活性造成一定损失。(3)本文构建了由大肠杆菌—四膜虫构成的微生物食物链和由大型蚤—斑马鱼构成的水生生物食物链来简单模拟完整的水生生态系统。我们首先考察了微生物对FLG的生物富集,结果显示FLG极易与细菌结合,而FLG结合方式更有可能仅仅是附着在细菌上而非积累在细菌体内。四膜虫也对FLG具有很强的富集能力,富集量受暴露溶液浓度和暴露时长影响,暴露浓度越高富集量越大,暴露8h时后富集量达到最大,并且在之后的暴露中趋于稳态。各时间点对应的log BCFs为4.7-6.1,表明FLG非常易于在四膜虫体内积累。而当FLG通过食物链传递到四膜虫体内时,FLG在其体内的富集量远小于通过水相直接暴露,虽然FLG能在食物链间传递,但是计算所得在摄食暴露的各时间点FLG的生物放大系数(BMF)在2.12至53.85之间,因此表现出生物放大效应。而在我们构建的水生生物食物链(大型蚤—斑马鱼)中,数据表明FLG能从低营养级无脊椎动物通过食物链传递到高营养级的水生脊椎动物体内,而且食物链传递可能是FLG在水生生物体内发生积累的重要途径之一。而FLG在此食物链传递过程中的生物放大系数为0.009(BMF1),说明这一传递过程并没有发生生物放大作用。与水相暴露相比,通过食物链传递被斑马鱼富集的FLG更加难以被生物自身净化,虽然FLG仍主要存在于斑马鱼肠道中,但在其肝脏和残体中也能检测到一定量FLG,这也可能是其更难被净化的原因之一。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X132
【图文】：

石墨,量热法,水硬度,清洁水

离心后收集黑色粉末，用水和无水酒精洗１０遍以上以保证石墨烯的纯度。逡逑然后在４０°Ｃ下真空干燥１２邋ｈ后收集粉末，即为最终１４Ｃ－石墨烯产物。合成方法逡逑过程及原理如图２－１所示。逡逑２．２．３石墨烯在水中的分散逡逑首先使用量热法确定超声分散仪的能量传递功率。配制３００邋ｍＬ人工清洁水逡逑（ＡＦ；邋ＣａＣｂ－２Ｈ２0，邋５８．８ｍｇ／Ｌ；邋ＭｇＳ０４２Ｈ２０，邋２４．７ｍｇ／Ｌ；邋ＮａＨＣ０３，邋１３．０ｒａｇ／Ｌ；逡逑ＫＣ１，１．２ｍｇ／Ｌ；水硬度［Ｃａ２＋］邋＋邋［Ｍｇ２＋］邋＝邋０．５ｍｍｏｌ／Ｌ）邋［１５５］盛于邋５００ｍＬ邋烧杯中，逡逑２０逡逑

石墨,图像,层间距,片层

ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｐｌｏｔ邋ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ邋ｂｙ邋ｔｈｅ邋ＢＪＨ邋ｆｏｒｍｕｌａ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ邋ｂｒａｎｃｈ邋ｉｓｏｔｈｅｒｍ），邋ａｎｄ邋（ｆ）邋ＸＰＳ逡逑ｓｐｅｃｔｒｕｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｇｒａｐｈｅｎｅ邋ｐｏｗｄｅｒ．逡逑石墨烯的ＴＥＭ图像如图２－２邋ａ所示，可清晰观察到石墨烯典型的褶皱片层，逡逑图２－２邋ｂ显示的ＨＲＴＥＭ图像表明石墨烯片层层数主要为四层，层间距约为０．３４４逡逑ｎｍ，这与石墨的层间距一致［ｌ５７Ｊ５８］，ＳＥＭ图像（图２－２ｃ）则表明大部分石墨烯逡逑呈摺皱的叶片状并为聚集态纳米层，由ＴＥＭ和ＳＥＭ图像可证实超声并不会改逡逑２６逡逑

【参考文献】