氧化石墨烯水體和土壤生物毒性效應研究進展

周萌萌，黃碧捷，靖小菁

(江漢大學 光電化學材料與器件教育部重點實驗室，化學與環境工程學院，湖北 武漢 430056)

1 引言

氧化石墨烯作為二維納米材料的典型代表，擁有極薄的片層結構、豐富的含氧官能團、強大的吸附力[1]，同時，它在改善材料性能發揮著非常重要的作用，其中有材料的熱學性能、電學性能、力學性能等。隨著氧化石墨烯的廣泛應用，其對環境產生的潛在影響日漸引起人們關注。

近年來，有關氧化石墨烯對動植物的影響的研究越來越多，甚至包括對微生物的毒性研究，實驗證明氧化石墨烯會對生物產生毒害作用，且隨著氧化石墨烯的種類、濃度和受試生物的不同，產生不同程度的影響。氧化石墨烯的毒性機理有多種，包括直接接觸造成的物理損傷、隱蔽效應，氧化應激效應、與其他金屬離子的復合作用等。依據氧化石墨烯自身的性質，綜述了氧化石墨烯在水中和土壤中的環境行為，并探究了氧化石墨烯對各種水生生物、土壤生物的毒性效應。

2 氧化石墨烯的水環境行為及其生物毒性

2.1 氧化石墨烯的水環境行為

氧化石墨烯自身性質和水環境理化性質，能夠極大地影響氧化石墨烯在水環境中的穩定性和膠體特性。其中導致氧化石墨烯在水體中環境行為的主要的因素是氧化石墨烯的種類和濃度[2]。

石墨烯可分為純石墨烯、氧化石墨烯和少層石墨烯，不同種類的石墨烯性質大不相同。例如純石墨烯化學性質穩定,在水體很難被去除。而且其具有強疏水性，不同片層之間會團聚，甚至沉積到水底[3]；而氧化石墨烯具有高親水性和表面活性,在純水中能均勻分散，形成穩定的膠體溶液，因此難以去除[4]，由于氧化石墨烯能在水體中高度移動，這加大了氧化石墨烯的潛在毒性影響，對水環境理化性質也會有一定的影響[5]。石墨烯的層數也會影響其在水體中的行為，其中濃度對少層石墨烯在水性介質中的聚集穩定性有重要影響。

氧化石墨烯的強吸附能力不可避免地影響了水環境中污染物的遷移,如氧化石墨烯對水體中的金屬陽離子(Cu2+、Co2+、Zn2+、Sb3+)具有強吸附能力[6]，可能導致氧化石墨烯與金屬離子聯合對水生生物產生毒性,從而加大氧化石墨烯在水生生態系統的生態風險。

2.2 氧化石墨烯的水生生物毒性

2.2.1 氧化石墨烯對魚類的毒性效應

氧化石墨烯在水中高度分散,會隨著水流發生轉化和遷移，其化學性質很活潑，溶于水后將影響水環境生態和水生生物的生長。而魚類作為水生生態系統中不可或缺的一部分，在水生系統中扮演著重要角色，可以通過研究魚類來了解氧化石墨烯對水生生態系統的影響[7]。斑馬魚具有體積小發育快等特性，因此絕大多數研究水生動物的實驗中都選用斑馬魚[8]。高濃度的氧化石墨烯對斑馬魚并沒有明顯的急性毒性，但是會引起細胞排列松散，組織解體等一系列危害[9]。例如50 mg/L的氧化石墨烯會抑制斑馬魚胚胎的細胞生長，雖然抑制了其孵化速度，但并導致細胞凋亡。5 mg/L以上的氧化石墨烯對斑馬魚胚胎作用24 h，氧化石墨烯會發生團聚現象并吸附在胚胎絨毛膜的表面,斑馬魚胚胎心率受到了顯著抑制[10]。但即使在100 mg/L的高暴露濃度下也未發現嚴重的毒害作用，如致死率、胚胎畸形、孵化延遲等。

氧化石墨烯對斑馬魚胚胎發育的特殊的毒性效應主要表現在氧化石墨烯材料容易吸附在胚胎絨毛膜表面上，從而阻礙了胚胎與環境之間的氣體交換，于是絨毛膜空間會形成低氧微環境，導致影響胚胎發育[2]。

2.2.2 氧化石墨烯對藻類的毒性效應

一般情況下，氧化石墨烯對某些藻類不具有明顯毒性，但對于一些藻類毒性效應較強。氧化石墨烯會影響生長階段的光合色素，如在高濃度下，會促進海藻的生長和光合色素的增加[11]。當暴露時間為96 h，濃度低于1 mg/L時，會顯著增加過氧化氫酶及超氧化物歧化酶活性；當濃度低于2.5 mg/L時，藻類的生長繁殖將受到明顯抑制；濃度低于5 mg/L時，葉綠素a的含量明顯下降進而影響光合速率[12]。

氧化石墨烯對藻類的毒性效應的機制表現在，當氧化石墨烯進入到水體以后，會吸附到藻類細胞表面，導致細胞對光的利用率下降。將適量的氧化石墨烯加入到眼蟲藻的培養液后發現，片狀的氧化石墨烯均勻地覆蓋在藻細胞表面[8]。氧化石墨烯的遮蔽效應會引起生物膜和納米顆粒材料之間強相互作用[13]。高濃度氧化石墨烯會誘導細胞產生氧化應激，使細胞內ROS含量增加，進而造成細胞損傷。

目前最新的進展是關于氧化石墨烯與其他物質的聯合毒性。已有研究顯示，雖然低濃度的氧化石墨烯對銅綠微囊藻沒有顯著的毒性，但其會與Cd2+發生復合作用，從而會加劇Cd2+對細胞的毒性[14]。

2.2.3 氧化石墨烯對微生物的毒性效應

氧化石墨烯對細菌并無顯著毒性效應，甚至在有的情況下氧化石墨烯可以對某些細菌的生長和增殖起促進作用。氧化石墨烯對不同的微生物有著不同的毒性效應。氧化石墨烯對細菌的毒性還表現在氧化石墨烯的濃度和接觸時間[15]。例如在25 μg/mL氧化石墨烯的培養液中，大腸桿菌生長速度較快，容易形成生物膜；在覆蓋25 μg氧化石墨烯的濾膜上，細菌的生長速度加快，是對照組的2倍。在75 μg氧化石墨烯的濾膜上,細菌的生長速度更快了，是對照組的3倍[16]。而在大腸桿菌的培養液中加入高濃度氧化石墨烯，滅活率顯著提高。

造成細菌死亡最主要的原因是氧化石墨烯對細胞造成物理損傷，氧化石墨烯的結構特殊，呈片狀結構，具有鋒利的邊緣[17]，容易對細胞直接造成機械損傷，導致大腸桿菌和金黃色葡萄球菌細胞失去完整性。

3 氧化石墨烯的土壤環境行為及其生物毒性

3.1 氧化石墨烯的土壤環境行為

最終大量的氧化石墨烯會遷移到土壤中，于是研究氧化石墨烯的環境行為及生物毒性效應,對科學客觀地評價石墨烯類物質的環境風險具有重要的意義[18]。氧化石墨烯在土壤中的行為的研究主要是關于多孔介質中的遷移，這是影響土壤微生物群落變化的重要因素[19]。隨著環境理化性質的改變，氧化石墨烯的遷移行為會有一定的變化[14]。其中pH值對氧化石墨烯的遷移行為無明顯影響，離子強度是決定因素，影響氧化石墨烯在多孔介質中遷移[20]。此外,由于氧化石墨烯具有很大的比表面積和強吸附能力,因此有必要探索一下氧化石墨烯對土壤中現有的污染物的環境效應的影響,以便全面地評價氧化石墨烯對生態環境的影響。下面研究氧化石墨烯在土壤中的行為及影響因素。

3.2 氧化石墨烯的土壤生物毒性

3.2.1 氧化石墨烯對秀麗隱桿線蟲的毒性效應

秀麗隱桿線蟲廣泛被用于生態毒理學和測試，一般雌雄同體，有結構簡單、對環境變化敏感、生命周期短、行為反應穩定、遺傳背景清楚等特點[21]。早在半個多世紀以前，有學者研究線蟲，并且將其作為模式生物。美國材料與試驗協會在2002年頒布了一份標準化指南，這份指南是上詳細的描述了秀麗線蟲這種生物，以及它作用于土壤毒性的評價[22]。

目前最被學者接受的機制是，氧化石墨烯能使DNA和RNA損傷，進而從分子水平上誘導生殖細胞凋亡和細胞周期的阻滯，導致秀麗線蟲性腺損傷，影響其發育，最后降低其生殖能力。例如將秀麗線蟲在0.1～100 mg/L的氧化石墨烯中實驗24～48 h，會導致生長發育遲緩，生殖能力喪失，DNA損傷和RNA干擾，甚至細胞凋亡等一系列影響[23]。

氧化石墨烯造成靶器官損傷的主要原因是誘導秀麗線蟲體內ROS的產生[9]。例如氧化石墨烯誘導氧化應激反應，干擾生物體的免疫能力，從而影響生物體正常的生殖發育。

3.2.2 氧化石墨烯對潮蟲的毒性效應

潮蟲在土壤中分布廣泛，數量巨大，種類繁多，是有機物的主要分解者。主要活動于地表凋落物層中,因為它對環境的敏感性較強，所以在學者研究實驗室，這種生物往往是被用于評價污染土壤的毒性測試的首要選擇。

對潮蟲的這類研究，一般是通過常規的毒性測試，比如說對其的攝食率的影響、體重的影響等。設置不同的實驗對照組，攝入濃度為500、1000、1500、2000 mg/kg納米TiO2對潮蟲的影響，時間分為3 d、7 d、14 d和28 d 4種，然后對比其變化和死亡率[9]。發現納米材料對潮蟲并不產生嚴重的毒性作用，即沒有死亡，也無明顯體重變化[24]。從微觀角度分析，納米材料會影響潮蟲的消化系統，它對消化腺內部的CAT和GST等抗氧化酶的活性有一定的影響，表現為高濃度或低濃度時過氧化氫酶和谷胱甘肽-S-轉移酶活性會有所降低[25]，導致消化道膜的極度不穩定，但是中等濃度時不會導致酶活性的顯著變化。

3.2.3 氧化石墨烯對植物的毒性效應

氧化石墨烯主要通過根部被植物所吸收，積累在根的薄壁細胞中。而根冠和氣孔在控制植物體中吸收和運輸方面起重要作用[26]。一系列證據表明，長時間暴露在氧化石墨烯中會對生物體產生不利影響，高濃度的氧化石墨烯影響更為嚴重[27]。氧化石墨烯對陸生植物的毒性研究的主要對象主要是豆科類和蔬菜類等，集中是對種子發芽和幼苗生長的直接毒性影響方面，目前看來，氧化石墨烯對陸生植物的直接毒性影響大都表現為抑制植物根部的生長、降低種子的發芽、延遲花期等[2]。對于不同品種的植物和不同的暴露濃度，對于不同的植物和不同的暴露濃度，氧化石墨烯的作用會不同。例如用25～100 mg/kg氧化石墨烯處理油菜，會導致油菜根長度縮短；用50～100 mg/kg氧化石墨烯處理油菜導致新鮮根重量下降[28]；而10～1000 μg/L范圍內對擬藍芥種子萌發生長并沒有影響[27]。

根據以往研究發現，氧化石墨烯能誘導植物產生氧化應激，破壞植物正常發育的表達基因，導致SOD含量和CTA含量下降，從而影響植物生物生長[29]。隨著氧化石墨烯濃度的增高，植物的大小和葉片的數量會發生變化，ROS水平和細胞的死亡率會隨著氧化石墨烯濃度的增加而增加。根據進一步的加強分析和研究，能實現氧化石墨烯的合理應用。

4 展望

有關氧化石墨烯的毒性效應的研究方興未艾，與此同時，不同研究者的實驗結論存在較大分歧，原因可能是由于氧化石墨烯的特殊性質，其對水污染物具備高吸附能力，容易與不同的金屬離子、有機物結合復合，產生更復雜的影響；又或者是因為不同實驗中所采用氧化石墨烯的制備方法、理化性質、檢測方法等方面不同，也會導致結果的差異。而且現階段所選的受試生物的種類單一，研究手段有限，沒有建立統一的數據庫，很多數據不能共享。

根據氧化石墨烯的性質，其形態多樣，難以從環境分離出來，尤其是當氧化石墨烯進入到生物體內，情況會變得更加復雜，所以在檢測上十分困難。因此目前面臨的難題是如何創造出一套新的檢測追蹤手段，能準確快速的檢測出氧化石墨烯如何從環境中進入到生物體內，又是如何在分子水平上相互作用，產生影響的。

氧化石墨烯和生物的相互作用比較復雜，即使在低濃度下表現為無明顯毒性，它也可能和其他物質發生復雜的生物化學反應，形成一種新的復合物，這種復合物可能對這種生物產生更強的毒害作用。今后應該繼續加大力度，做進一步研究。