氧化石墨烯的環境行為和毒性效應研究進展

胡俊杰，勞志朗，吳康銘，范洪波

東莞理工學院生態環境與建筑工程學院，廣東 東莞 523808

氧化石墨烯的環境行為和毒性效應研究進展

胡俊杰，勞志朗，吳康銘，范洪波*

東莞理工學院生態環境與建筑工程學院，廣東 東莞 523808

由于具有優異的光學、力學、電學特性，氧化石墨烯納米材料被廣泛應用于傳感、航空航天、新能源、疾病診斷等方面。隨著氧化石墨烯的大量生產和廣泛應用，其對環境的健康風險也日益引起關注。闡明氧化石墨烯的潛在毒性效應及其作用機制，對于科學客觀評價其對人體和生態環境健康風險具有十分重要的意義。文章在總結了納米氧化石墨烯在不同環境介質中的遷移、轉化行為基礎上、系統綜述了氧化石墨烯對水生生物、陸生植物、大鼠以及微生物的毒害效應并探討了氧化石墨烯生物毒害效應的可能機制。研究發現，氧化石墨烯在環境介質中主要形成穩定膠體且具有難以降解和易于多介質間遷移等特點；同時，氧化石墨烯還可以進入藻類、魚類、植物、大鼠以及微生物細胞內并引起氧化應激反應導致炎癥發生、多種細胞器損傷和組織器官形態異常。此外，研究還發現納米氧化石墨烯還會導致DNA氧化損傷和DNA斷裂等遺傳毒性和誘導生殖毒性相關的小RNA異常表達。因此，對不同環境介質中納米氧化石墨烯的環境行為和毒性效應進行深入研究具有十分重要的意義。今后可在納米氧化石墨烯的暴露定量分析，納米氧化石墨烯與生物大分子間的交互作用及長期低劑量下納米氧化石墨烯的毒性效應3個方面加強研究。文章可為進一步闡明氧化石墨烯的健康風險提供理論參考。

氧化石墨烯；環境行為；生態毒性；毒性機制

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以 sp2雜化方式形成的蜂窩狀單層二維平面結構，是由英國曼切斯特大學的科研人員采用微機械剝離法從石墨中分離出來的單層石墨微片（Novoselov et al.，2004）。它的發現打破了“熱力學漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在”的理論。由于具備十分良好的強度、柔韌、導電、導熱、光學特性，石墨烯，特別是氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）被廣泛應用于傳感（Zhao et al.，2016）、航空航天、光伏電池（Jariwala et al.，2013；Yang et al.，2017；Acik et al.，2016）、疾病診斷（Tonelli et al.，2015）、細菌抑制（Ji et al.，2016）等方面。GO的特殊結構使其具有巨大的比表面積，對環境中的污染物有著強吸附能力，其在生產、使用、回收、處理等過程中能富集土壤、大氣和水環境中的有毒有害物質，從而在環境中積累并對生物產生潛在影響，最終影響人體健康和生態系統的安全。

近幾年來，關于GO對動物、植物、微生物的毒性研究逐漸增多。已有研究表明，GO對水生和陸生生態系統具有毒害效應（李麗娜等，2016；Ge et al.，2016；Jahan et al.，2017；Selck et al.，2016）。GO能夠通過胞外覆蓋、胞內氧化脅迫或直接破壞細胞膜等方式對細胞產生危害，而且即使在低濃度無明顯毒性的情況下，GO也可以與其他物質形成復合物進而對生物產生毒害效應。這無不表明GO對生態環境存在潛在的不良效應。因此，系統地分析GO在各類環境介質中的賦存和遷移特征，深入闡明GO對生態環境的毒害效應，探討GO對生物的毒性作用機理，有利于科學客觀地評價GO的生態風險。

1 氧化石墨烯的環境行為

1.1 氧化石墨烯在水體中的環境行為

GO自身性質和水環境理化性質（pH、離子類型、離子強度等）能夠極大影響GO在水環境中的膠體特性和穩定性，而GO種類和濃度是導致其在水體中環境行為差異的主要因素。由于GO具有強吸附能力，不可避免地放大了水環境中污染物遷移歸趨的不確定性，如GO對水體中的Cu2+、Zn2+等重金屬離子具有強吸附能力（Wei et al.，2017），這可能導致GO與被吸附物質聯合對水生生物產生毒性，加大GO在水生生態系統的生態風險。

石墨烯可分為純石墨烯（pristine graphene，pG）、氧化石墨烯（graphene oxide）、還原性氧化石墨烯（reduced graphene oxide, rGO）和少層石墨烯（FLG）。純石墨烯具有強疏水性，且不同片層之間由于π-π鍵的相互作用易發生團聚現象，甚至沉積下來。由于純石墨烯具備良好的化學惰性，化學性質穩定，導致其在水體中難以被降解。GO因表面含有大量親水基團而具有良好的親水性，在純水中能均勻地分散，形成穩定的膠體溶液（Yu et al.，2016）。然而，在自然水體中，受水環境理化性質（pH、離子強度、離子類型、光照等）的影響，GO可以發生分散-團聚、吸附和還原（呂小慧等，2016）。Yang et al.（2016）研究表明，少層石墨烯（FLG）的濃度是影響其在水性介質中的聚集和穩定性的關鍵因素，這說明石墨烯的層數也會影響其在水體中的行為。

當膠體溶液的pH在GO的等電點（3.8～4.7）附近時，GO易發生團聚而沉積下來，而當懸浮體系pH值遠離等電點時，片層之間表現出斥力作用并隨等電點的遠離拉長而逐漸增強，最終導致GO分散（任文杰等，2014）。對于離子類型的影響，有研究顯示對于GO懸浮液，重金屬陽離子的去穩能力比普通陽離子（Ca2+，Mg2+，Na+，K+）更強。并且重金屬離子的去穩能力強弱表現為Cr3+＞＞Pb2+＞Cu2+＞Cd2+＞Ca2+＞ Mg2+＞＞Ag+＞K+＞Na+（Yang et al.，2016）。Lanphere et al.（2013）研究表明，GO水力學直徑和平均電泳淌度隨離子強度的增加而增大。當離子強度大于0.1 mol·L-1KCl時，GO發生團聚現象。此外，二價離子對水力學直徑和平均電泳淌度的影響強于單價離子，這是由電荷屏蔽效應引起的（Chowdhury et al.，2014）。

圖1 GO和Cd對微囊藻細胞的毒性效應示意圖Fig.1 The toxicity effect of GO and Cd on microcystis cells

1.2 氧化石墨烯在土壤中的環境行為

GO在土壤中的行為研究主要集中在其在多孔介質中的遷移特征。GO在土壤中的遷移行為是影響其歸趨和土壤微生物群落變化的重要因素。由于截留、擴散和沉積作用，GO會附著在多孔介質中；但隨著環境理化性質的改變，GO可能會懸浮進入地下水中（Ren et al.，2014）。Liu et al.（2013）通過砂柱實驗發現多孔介質對GO的保留能力極其依賴于溶液離子濃度。Feriancikova et al.（2012）觀測到在低離子濃度（1 mmol·L-1NaCl）下，GO顆粒的保留減少。當離子濃度增加到 100 mmol·L-1NaCl時，GO顆粒的保留顯著增加，但受其保留能力的限制。這表明pH對GO在多孔介質中的遷移行為無明顯影響，而離子強度是影響GO在多孔介質中遷移的決定性因素（Lanphere et al.，2013）。

2 氧化石墨烯的毒性效應

2.1 氧化石墨烯對水生生物的毒性

2.1.1 氧化石墨烯對藻類的毒性

藻類廣泛存在于水生生態系統中，是水生植物的重要成員，同時也是水中溶解氧的主要來源。而在生物圈中，80%的氧氣來源于藻類，由此可知藻類對生態系統的重要性。近幾年，有關GO對藻類毒性的研究不斷增多。Hazeem et al.（2017）的研究表明，GO對海藻Picochlorum sp.不同生長階段的生長和光合色素也同樣具有毒性效應，GO在高濃度下對海藻細胞有致死效應并且會減少細胞內葉綠素a的含量，然而在0.5 mg·L-1濃度中，GO會促進海藻的生長和光合色素的增加。此外，關于GO的毒性研究并不僅局限于GO對環境生物的影響，對于GO與其他物質的聯合毒性也進行了深入研究。已有研究顯示，低濃度GO（1 mg·L-1）雖然對銅綠微囊藻（Microcystis aeruginosa）沒有顯著毒性，但其會加劇 Cd2+的細胞毒性（圖 1）。研究結果表明，GO/Cd2+以氧化應激作為主要的毒性機制對微囊藻產生作用（Tang et al.，2015）。與之相反，在銅濃度為1 mg·L-1時，GO減緩了銅對斜生柵藻（Scenedesmus obliquus）的生態毒性，即對于斜生柵藻，GO與銅表現出拮抗作用（Hu et al.，2016）。

Zhao et al.（2017）探究了GO家族材料對淡水藻類的毒性機理，發現GO可通過遮蔽效應以及氧化應激誘導膜損傷而產生毒性，多層石墨烯和還原性氧化石墨烯則由于分散能力較弱而缺少對藻細胞的遮蔽效應。研究結果表明，氧化應激和物理滲透、提取誘導的藻細胞膜損傷可能是 MG和 rGO的主要毒性作用機制。此外，在藻類培養基中，GO家族材料的吸附及遮蔽效應導致的養分衰竭也會引起間接毒性。Hu et al.（2014）觀察GO與微藻細胞相互作用，發現含氮基團致使GO附著于細胞表面。此外，GO可以進入細胞內，對微藻細胞內的細胞器造成損傷，抑制細胞分裂，并發生氧化應激。最后，代謝組學研究顯示，GO可能引起與重要生物過程相關的代謝紊亂，從而抑制微藻細胞的生長。這可能是GO造成藻類細胞生長受到抑制甚至死亡的重要原因。

GO覆蓋在導致藻類生物膜受損的同時，對自身的生態毒性卻存在一定的緩解。硅藻生物膜即使在高濃度下也能粘附少層GO而較低水體的潛在風險，可能是GO直接接觸和遮蔽效應的組合效應導致了生物膜和納米顆粒之間的強相互作用（Garacci et al.，2017）。大量研究發現，高濃度GO可以誘導大部分藻類細胞產生氧化應激，使細胞內 ROS含量增加，進而破壞細胞的完整性（Nogueira et al.，2015；Tang et al.，2015；Ouyang et al.，2015）。

上述研究表明，GO對藻類除了能產生直接毒性外，還能產生間接毒性。此外，與其他物質的聯合毒性也使得對GO的生態風險評估變得復雜。GO對于藻類的毒性可能取決于藻的種類、GO濃度和暴露時間等，且GO與其他物質聯合既存在協同作用，也存有拮抗作用。

圖2 S-FLG和L-FLG在斑馬魚體內分布示意圖Fig.2 The Distribution diagram of S-FLG and L-FLG in zebrafish

2.1.2 氧化石墨烯對魚類的毒性

魚類是水生生態系統不可或缺的一部分，通過魚類，可以了解到水生生態系統變化的程度、方向和規模（Izzo et al.，2016），同時對水生生態系統的健康程度進行科學客觀的評價。目前，絕大多數關于GO對水生動物的毒性研究中，擁有體積小、發育快等特性的斑馬魚（Brachydanio rerio）被廣泛研究。

Lu et al.（2017）利用C-14標記的少層GO進行GO遷移研究，發現GO能被斑馬魚攝取并滯留在體內，其中大塊 FLG主要聚集在腸道內，而小塊 FLG在腸道和肝臟中都有分布。不僅如此，小塊FLG還能進入細胞和血液中（圖2），影響斑馬魚機體的正常運轉。Chen et al.（2016）將斑馬魚分別暴露于 1、5、10和 50 mg·L-1GO中，發現 GO并沒有明顯的急性毒性，但會引起組織解體、細胞排列松散以及細胞邊界瓦解。Souza et al.（2017a）發現在2、10、20 mg·L-1GO環境中，成體斑馬魚鰓組織遭到損傷，肝組織出現病灶，且過早凋亡和壞死的鰓細胞數量增多，而這很可能源于鰓細胞中產生的活性氧（ROS）。因為中、高濃度的ROS可通過細胞氧化應激反應誘導細胞凋亡甚至致其壞死。

GO的尺寸大小、濃度高低以及生物體的發育程度，都會影響GO的毒性效應。生物體發育程度低，機體排異機制尚未完善，因此可能會受到更大的傷害。GO可以通過基團的相互作用粘附并包裹胚胎絨毛膜，堵塞孔隙，致使胚胎缺氧和孵化延遲。還可以由內吞作用進入胚胎，損傷線粒體，并轉移到眼睛、心臟和卵黃囊等區域，誘發眼睛發育畸形，心臟和卵黃囊水腫（Chen et al.，2016）。此外，微量濃度的GO會誘導斑馬魚胚胎過量產生ROS，致其發育受損（Lu et al.，2017）。Soares et al.（2017）發現在10 mg·L-1GO中暴露6 d后，斑馬魚幼體心率加快、腦細胞損傷以及多巴胺水平下降。Hu et al.（2017）還發現，當將斑馬魚幼體置于微量 GO中時，幼體DA神經元缺失90%以上，α-突出核蛋白和泛素增多69%～522%，且表現出類似帕金森的癥狀。GO還能進入幼體腦部，甚至是間腦細胞核內，造成幼體腦細胞線粒體形態和超微結構損傷。任朝秀（2016）將斑馬魚暴露于微量GO中，發現GO可以從水中轉移到親代斑馬魚體內，并遺傳給子代，分布于其腦部；且親代因代謝紊亂導致子代出現神經功能障礙，致使子代 DA神經元缺失率達66%～87%，泛素和乙酰膽堿酯酶明顯上調，說明GO即使在微量濃度下，其毒性也依然顯著，而且還具有一定的遺傳毒性。相比于斑馬魚，Mesari? et al.（2015）也發現GO能夠與豐年蝦（Artemia salina）體內的乙酰膽堿酯酶、谷胱甘肽-S-轉移酶和過氧化氫酶等發生作用而使其生命活動受到影響，甚至致其死亡。

2.2 氧化石墨烯對陸生植物的毒性

目前關于GO對陸生植物的毒性研究集中在對種子發芽、幼苗生長的直接毒性影響方面，研究對象主要有蔬菜類、豆科類、水稻等，且GO對陸生植物的直接毒性影響大都表現為抑制作用，包括抑制植物根的生長、種子的發芽等。然而，由于植物種類和暴露濃度的不同，GO對某些陸生植物的生長表現出促進作用。Begum et al.（2011）研究了在500～2000 mg·L-1濃度范圍內GO對白菜（Brassica pekinensis）、番茄（Lycopersicon esculentum）、紅菠菜（Senecio fuluipes）和萵苣（Lactuca sativa）幼苗的植物毒性，發現在20 d后，與對照組相比，白菜、番茄、紅菠菜的生長明顯受到嚴重抑制，且葉片數量、大小隨著GO濃度的增加而減少，植物細胞內 ROS的含量增加，從而導致暴露于高濃度GO的植物細胞生長受到抑制或壞死。然而，在相同條件下萵苣沒有或很少表現出毒性作用。由此說明，GO對植物的毒性效應很大程度取決于濃度、暴露時間和作物種類。

Cakir et al.（2016）研究了GO對豆類的種子發芽和幼苗生長情況的潛在影響。通過設置不同濃度GO和空白對照評估根和芽的生長。當使用2000 mg·L-1GO溶液處理時，發現豆類的種子發芽大多受到影響，并表現出濃度依賴性。在此研究中，GO的存在導致了種子發芽率變小、根與苗的長度變短、重量降低。

與之相反，GO對番茄種子的萌發卻具有積極的影響，這歸因于GO能滲透種皮。滲透可能損壞種皮以促進其吸水，導致種子迅速萌發并提高發芽率。而在番茄幼苗的生長階段，GO可能對幼苗生物量的積累產生不利影響。GO滲透液泡及其在根尖中的沉積是降低生物量生產的原因。此外，被GO處理過的幼苗的莖和根長于對照組幼苗的莖和根。據此推測，伸長量可能與GO處理的幼苗中赤霉素生物合成升高有關（Zhang et al.，2015）。Jiao et al.（2016）研究 GO 對番茄種子的影響，發現GO促進番茄根的生長，結果表明，GO是通過影響脫落酸和吲哚乙酸的生物合成來干擾植物生長的。這表明了GO可能通過影響植物激素的合成干預植物的生長。

Liu et al.（2015）研究了GO對水稻種子萌發和生長的影響。將種子暴露在不同濃度的GO溶液（50～200 mg·L-1）下，發現GO不同程度地抑制了幼苗的形態。當GO濃度增大時，水稻種子發芽率降低。GO還可抑制水稻幼苗的形態發生，而 5 mg·L-1GO卻能改善部分生長指標。因此，關于GO對植物毒性的評估還需要精確細分濃度梯度來進一步探究。

GO對陸生植物同樣具有間接毒性，能放大有毒物質的毒性效應。例如，砷及其化合物常見于環境中，能在陸生植物體內積累，而GO能極大擴大其在小麥中的植物毒性，導致生物量和根數減少以及氧化應激增強。與As或GO單獨作用相比，GO聯合As可抑制碳水化合物的代謝，增強氨基酸和次生代謝，同時破壞脂肪酸代謝和尿素循環。GO對小麥的上述效應具有濃度依賴性（Hu et al.，2013）。鑒于As廣泛存在于陸生植物中（Zhao et al.，2009），故應充分考慮GO的間接納米毒性。

關于 GO對陸生植物的毒性機理，常海偉等（2015）采用水培實驗，探究了磺化 GO對小麥幼苗的毒性效應。發現培養10 d后，低濃度磺化GO對小麥根系的生長具有顯著的促進作用（P＜0.05）。磺化石墨烯處理的小麥幼苗根系和葉片組織中超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和丙二醛隨著磺化石墨烯濃度的增加都呈現先下降后上升的趨勢，這可能與磺化石墨烯自身的抗氧化能力有關。這說明以具有抗氧化性的官能團修飾石墨烯可以減弱石墨烯對陸生植物的氧化脅迫，降低其毒性。此外，石墨烯還能造成細胞器損傷導致植物細胞死亡。Begum et al.（2013）用 GO 處理擬南芥（Arabidopsis thaliana）T87細胞后，發現其細胞內線粒體、細胞核、細胞膜都受到損壞，同時ROS含量成倍增加，導致細胞死亡；進一步研究發現 ROS調控線粒體損傷引起了T87細胞的死亡。

2.3 氧化石墨烯對大鼠的毒性

相較于水生動物，GO對大鼠的影響顯得更加復雜。在對神經系統的影響研究方面，趙香琴（2013）發現 GO處理后的大鼠生長發育、精神狀態以及運動行為都沒有明顯異常，并且在中樞及外周神經系統中均無GO顆粒的存在。此外GO直接作用于神經干細胞（neural stem cells，NSCs）及海馬神經元24 h或120 h均未引起明顯的細胞毒性效應，因此GO可能沒有進入NSCs及神經元，也沒有誘導細胞的氧化應激。這表明GO對神經系統可能具有良好的生物相容性。不止是神經系統，生物體的其他系統或器官也可能會受到 GO的影響。El-Yamany et al.（2017）往小鼠腹膜內注射GO納米片，觀察到肝臟中超氧化物歧化酶和過氧化氫酶的活性以及GSH水平下降，并且GO劑量越高，反復注射天數越多，肝臟受到的危害越大。Li et al.（2016）還發現，GO不僅對肝臟有危害，還會對肺、脾造成影響，將GO通過尾靜脈注射注入小鼠體內，持續7 d，小鼠肺、肝和脾都出現了濃度依賴性的不同程度的炎癥，而其他器官并沒有受到GO的影響。Mao et al.（2016）進一步研究，將C-14標記的FLG通過氣管內滴注進小鼠體內，觀測到FLG主要保留在肺中，但也有小部分會進入到肝臟和脾臟中。張穎等（2017）探討了GO對大鼠角膜上皮細胞的致損傷作用，結果顯示，隨著GO濃度的增加，細胞的活性逐漸下降，細胞破碎、死亡的概率上升，而且隨著GO最低有效濃度（0.005 μg·L-1）干預時間的增加，細胞活性也大幅下降。可以看出，GO會對生物體的個別系統或器官造成傷害，并且表現出濃度和時間依賴性。

GO還會加重機體病癥，產生間接毒性。Shang et al.（2017）通過小鼠哮喘模型來研究GO的毒性，結果顯示，小鼠體內ROS增加，lgE增多，Th2應答上調；加重了小鼠過敏性哮喘癥狀，導致氣道重塑、膠原沉積、粘液分泌過多以及氣道高反應性。而施用維生素E后，上述影響受到弱化，表明GO可能通過誘導氧化應激來擾亂機體的免疫活動，進而對生物體造成危害。因此，可以利用抗氧化藥物來抵御GO產生的一些危害。

圖3 氧化石墨烯納米片的尺寸對抗菌性能的影響Fig.3 Effect of size of graphene oxide nanosheets on antibacterial properties

2.4 氧化石墨烯對微生物的毒性

GO是生物醫學中最具有發展前景的細菌抑制材料（Yousefi et al.，2017；Hu et al.，2010），其對動物細胞具有生物相容性，故對細菌具有高抗菌性。現階段關于GO對微生物毒性的研究主要集中在對細菌毒性的研究上。

諸多研究表明，GO對細菌大都表現出抗菌性，這主要依賴于GO的自身性質和細菌種類。GO的尺寸、層數、官能團密度都會影響其對細菌的毒性效應。2015年，Perreault et al.（2015）利用革蘭氏陰性細菌（大腸桿菌）對GO的抗菌性與尺寸之間的關系進行了研究，結果發現在GO表面涂層上，當GO微片面積從0.65下降至0.01 μm2時，GO表面涂層的抗菌活性提高了4倍（圖3）。這說明面積越小的GO微片擁有更良好的抗菌效果，主要歸因于與微片的高缺陷密度相關的氧化機制。相反，在細胞懸浮液中，GO的抗菌能力隨著面積的增加而增加。Wang et al.（2013）利用粗粒分子動力學模擬技術探究了GO層數對GO進入細胞的影響，以3層GO的角部刺入脂雙層，插入和旋轉后3層GO平行于脂雙層，且其穿透脂雙層的能量壁壘約為2.7 kBT，大于單層GO的。這表明多層GO可能具有強損傷能力，即高抗微生物性（Zou et al.，2016）。另有研究表明，在GO上官能團（如羧基、羥基、環氧基團等）的密度可以增加GO接觸細菌的機會（Liu et al.，2011），這讓GO的表面修飾對細菌毒性具有較大影響。

GO對細菌的毒性機制是復雜的。大部分研究證明 GO對細菌的抗菌性主要是對細菌細胞膜完整性的破壞，包括機械損傷和氧化損傷，這可能是GO抗菌性表現出濃度、時間依賴性的重要原因。GO的片狀結構使其具有鋒利的邊緣，這導致其在與細菌接觸時可能會對細菌的細胞膜產生不可逆的機械損傷（Akhavan et al.，2010）。GO對細菌的氧化脅迫導致超氧離子介導氧化應激也是 GO表現出細菌毒性的重要原因（Gurunathan et al.，2012）。Liu et al.（2014）研究了石墨、GO、石墨氧化物對大腸桿菌的抗菌性，發現菌體內的活性氧簇（ROS）沒有顯著變化，但谷胱甘肽的含量明顯增加，這間接說明了石墨烯的抗菌性可能與其氧化損傷有關。

GO對細菌的毒性特征已被應用于GO抗菌材料領域，目前對GO抗菌材料的研究主要集中在表面修飾對GO抗菌材料性能的影響方面。例如：在Ag/GO的基礎上研發了Ag/ZnO/rGO，后者表現出更為優異的抗菌性能（Ko et al.，2017）。相比于生物醫學對GO的抗菌性要求，生態環境則需要GO無毒無害，這就要求研發者通過改變GO的理化性質或對GO進行化學修飾以減少其對自然界中土著細菌的毒害作用。

2.5 氧化石墨烯的遺傳毒性和生殖毒性

GO也能對DNA造成影響，表現出遺傳毒性。Mohamed et al.（2017）發現，GO能夠影響DNA的遷移，還能導致DNA損傷，造成DNA片段化。Szmidt et al.（2016）利用雞胚模型探究了GO的毒性，結果表明，純石墨烯（pG），氧化石墨烯和還原性氧化石墨烯（rGO）都能夠造成雞胚肝臟細胞中的線粒體損傷，而且在pG和rGO處理后，肝臟中DNA損傷標志物8-OHdG的濃度顯著降低。此外，趙云利（2015）用Rho B熒光探針標記GO以探究GO對秀麗線蟲（Caenorhabditis elegans）的毒性效應，獲得了GO誘導異常表達的miRNAs和mRNAs譜，進而提出了可能參與GO毒效應調控的miRNAs-mRNAs分子網絡。而Zhao et al.（2016）在研究GO對秀麗隱桿線蟲生殖毒性的實驗中，進一步確定了miRNA調節GO誘導的生殖毒性。

3 氧化石墨烯的毒性效應機制

目前的研究還未完全揭示 GO的毒性效應機制，然而研究發現微量濃度的GO會誘導斑馬魚胚胎過量產生ROS，致其發育受損（Lu et al.，2017）。同時通過探索 GO對細菌的分子水平毒性，發現GO可以與磷脂分子和 DNA發生相互作用。Gurunathan et al.（2012）觀察到GO能破壞綠膿桿菌（Pseudomonas aeruginosa）的DNA鏈。Li et al.（2014）利用DNA/RNA包裹的GMS在分子識別、抗癌藥物遞送、DNA移位和測序等方面的應用，證實了GMS與細菌DNA具有強相互作用。Tu et al.（2013）通過生物電子顯微鏡觀察到細菌細胞膜與GO作用后產生了大量的空腔結構，表明GO在機械損傷細胞膜的同時，還能將細胞膜上的磷脂分子吸附到GO表面。目前關于GO對遺傳物質影響方面的研究較少，對GO分子水平毒性的研究仍滯留在表觀層面，未來還需進行深入研究。

4 展望

GO作為一種特性優異的新型材料，有著廣闊的發展前景，但在廣泛應用的同時也必須時刻關注其對生態環境的影響，重視潛在的風險問題。從目前的研究可知，GO具有生態毒性，不僅能通過遮蔽效應、機械損傷、氧化應激等方式影響生物體內細胞的正常運作，還能深入到細胞器甚至是 DNA中，以機械損傷或與其中的酶等物質發生反應進而對機體產生危害。然而，要準確闡明GO與生物酶的相互作用方式和影響基因表達的機制，仍需要進一步研究。

目前已有多項研究利用放射性物質標記GO，以觀察其在生物體內的分布和行為，這種方式能直觀有效的定性、定量分析其毒性效應。研究生產只含有特定基團修飾的GO來探究其生態環境作用機理也將是一個值得發展的有效手段。

當前很多關于GO毒性的研究都集中在短期暴露及急性毒性方面，然而很多時候，低劑量長期暴露會給生物帶來更大的危害。因此，今后的研究需多關注長期暴露對生物的影響。

由于GO對生態環境具有潛在毒性，所以要規范使用GO材料，也要對使用后的廢渣進行合理的回收處理，可通過表面改性、團聚沉淀等方式降低甚至消除其毒性。

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Research Progress in Environmental Behavior and Toxicity of Graphene Oxide

HU Junjie, LAO Zhilang, WU Kangming, FAN Hongbo*
The School of Environment and Civil Engineering, Dongguan University of Technology, Dongguan 532808, China

Because of excellent optical, mechanical and electrical properties, graphene oxide (GO) nanoparticle is widely used in the area of sensors, aerospace, new energy and disease diagnosis. With the increasing amount of graphene usage, the environmental health risks of GO are becoming more and more concerned. Therefore, clarify the environmental behavior and ecological effect of GO is the key to evaluate the ecological potential risk and understand its bio-safety. This paper reviewed the progress of the occurrence and migration characteristic of GO in different environmental matrix, and the toxic effects and related potential mechanism of GO on aquatic organism, terrestrial plants, rats and microorganisms found in recent years were also summarized. GO mainly forms stable colloids in water and shown resistance to biodegradation and easy migration among multi-mediums. Moreover,GO could enter into the cells of alga, fish, plant, rat and microorganism and had the characteristics of difficult degradation and easy multi-mediums migration. GO also could enter the algae, fish, plants, rats, and microbial cells and causd oxidative stress reactions leading to inflammation and damage of the various organelles and organization and further causd abnormal of organs. In addition,GO could also lead to genetic toxicity, such as DNA oxidative damage and DNA breakage, and also abnormal expression of microRNA which related to reproductive toxicity. Therefore, it is of great significance to study the environmental behavior and toxicity of GO in different environmental media. In the future, quantitative analysis of GO nanoparticle exposure, interaction between oxidized graphene and biological macromolecules and long-term low doses effects of GO exposure should be further studied. In this paper, the environmental behavior and toxicity effects of GO are reviewed and it can provide a theoretical reference for further elucidating the health risks of GO.

graphene oxide (GO); environmental behavior; ecotoxicity; toxic mechanism

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.12.023

X171.5

A

1674-5906（2017）12-2169-08

胡俊杰, 勞志朗, 吳康銘, 范洪波. 2017. 氧化石墨烯的環境行為和毒性效應研究進展[J]. 生態環境學報, 26(12):2169-2176.

HU Junjie, LAO Zhilang, WU Kangming, FAN Hongbo. 2017. Research progress in environmental behavior and toxicity of graphene oxide [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(12): 2169-2176.

國家自然科學基金（NSFC-81273127）；東莞理工學院高層次人才科研啟動經費（GC200109-17）

胡俊杰（1984年生），男，講師，博士，研究方向為污染物的環境行為與健康效應。E-mail: hujunjie022@126.com

*通信作者：范洪波（1964年生），男，教授，博士，研究方向為儲能材料及節能環保技術。

2017-09-27