氧化石墨烯水体和土壤生物毒性效应研究进展

周萌萌，黄碧捷，靖小菁

(江汉大学 光电化学材料与器件教育部重点实验室，化学与环境工程学院，湖北 武汉 430056)

1 引言

氧化石墨烯作为二维纳米材料的典型代表，拥有极薄的片层结构、丰富的含氧官能团、强大的吸附力[1]，同时，它在改善材料性能发挥着非常重要的作用，其中有材料的热学性能、电学性能、力学性能等。随着氧化石墨烯的广泛应用，其对环境产生的潜在影响日渐引起人们关注。

近年来，有关氧化石墨烯对动植物的影响的研究越来越多，甚至包括对微生物的毒性研究，实验证明氧化石墨烯会对生物产生毒害作用，且随着氧化石墨烯的种类、浓度和受试生物的不同，产生不同程度的影响。氧化石墨烯的毒性机理有多种，包括直接接触造成的物理损伤、隐蔽效应，氧化应激效应、与其他金属离子的复合作用等。依据氧化石墨烯自身的性质，综述了氧化石墨烯在水中和土壤中的环境行为，并探究了氧化石墨烯对各种水生生物、土壤生物的毒性效应。

2 氧化石墨烯的水环境行为及其生物毒性

2.1 氧化石墨烯的水环境行为

氧化石墨烯自身性质和水环境理化性质，能够极大地影响氧化石墨烯在水环境中的稳定性和胶体特性。其中导致氧化石墨烯在水体中环境行为的主要的因素是氧化石墨烯的种类和浓度[2]。

石墨烯可分为纯石墨烯、氧化石墨烯和少层石墨烯，不同种类的石墨烯性质大不相同。例如纯石墨烯化学性质稳定,在水体很难被去除。而且其具有强疏水性，不同片层之间会团聚，甚至沉积到水底[3]；而氧化石墨烯具有高亲水性和表面活性,在纯水中能均匀分散，形成稳定的胶体溶液，因此难以去除[4]，由于氧化石墨烯能在水体中高度移动，这加大了氧化石墨烯的潜在毒性影响，对水环境理化性质也会有一定的影响[5]。石墨烯的层数也会影响其在水体中的行为，其中浓度对少层石墨烯在水性介质中的聚集稳定性有重要影响。

氧化石墨烯的强吸附能力不可避免地影响了水环境中污染物的迁移,如氧化石墨烯对水体中的金属阳离子(Cu2+、Co2+、Zn2+、Sb3+)具有强吸附能力[6]，可能导致氧化石墨烯与金属离子联合对水生生物产生毒性,从而加大氧化石墨烯在水生生态系统的生态风险。

2.2 氧化石墨烯的水生生物毒性

2.2.1 氧化石墨烯对鱼类的毒性效应

氧化石墨烯在水中高度分散,会随着水流发生转化和迁移，其化学性质很活泼，溶于水后将影响水环境生态和水生生物的生长。而鱼类作为水生生态系统中不可或缺的一部分，在水生系统中扮演着重要角色，可以通过研究鱼类来了解氧化石墨烯对水生生态系统的影响[7]。斑马鱼具有体积小发育快等特性，因此绝大多数研究水生动物的实验中都选用斑马鱼[8]。高浓度的氧化石墨烯对斑马鱼并没有明显的急性毒性，但是会引起细胞排列松散，组织解体等一系列危害[9]。例如50 mg/L的氧化石墨烯会抑制斑马鱼胚胎的细胞生长，虽然抑制了其孵化速度，但并导致细胞凋亡。5 mg/L以上的氧化石墨烯对斑马鱼胚胎作用24 h，氧化石墨烯会发生团聚现象并吸附在胚胎绒毛膜的表面,斑马鱼胚胎心率受到了显著抑制[10]。但即使在100 mg/L的高暴露浓度下也未发现严重的毒害作用，如致死率、胚胎畸形、孵化延迟等。

氧化石墨烯对斑马鱼胚胎发育的特殊的毒性效应主要表现在氧化石墨烯材料容易吸附在胚胎绒毛膜表面上，从而阻碍了胚胎与环境之间的气体交换，于是绒毛膜空间会形成低氧微环境，导致影响胚胎发育[2]。

2.2.2 氧化石墨烯对藻类的毒性效应

一般情况下，氧化石墨烯对某些藻类不具有明显毒性，但对于一些藻类毒性效应较强。氧化石墨烯会影响生长阶段的光合色素，如在高浓度下，会促进海藻的生长和光合色素的增加[11]。当暴露时间为96 h，浓度低于1 mg/L时，会显著增加过氧化氢酶及超氧化物歧化酶活性；当浓度低于2.5 mg/L时，藻类的生长繁殖将受到明显抑制；浓度低于5 mg/L时，叶绿素a的含量明显下降进而影响光合速率[12]。

氧化石墨烯对藻类的毒性效应的机制表现在，当氧化石墨烯进入到水体以后，会吸附到藻类细胞表面，导致细胞对光的利用率下降。将适量的氧化石墨烯加入到眼虫藻的培养液后发现，片状的氧化石墨烯均匀地覆盖在藻细胞表面[8]。氧化石墨烯的遮蔽效应会引起生物膜和纳米颗粒材料之间强相互作用[13]。高浓度氧化石墨烯会诱导细胞产生氧化应激，使细胞内ROS含量增加，进而造成细胞损伤。

目前最新的进展是关于氧化石墨烯与其他物质的联合毒性。已有研究显示，虽然低浓度的氧化石墨烯对铜绿微囊藻没有显著的毒性，但其会与Cd2+发生复合作用，从而会加剧Cd2+对细胞的毒性[14]。

2.2.3 氧化石墨烯对微生物的毒性效应

氧化石墨烯对细菌并无显著毒性效应，甚至在有的情况下氧化石墨烯可以对某些细菌的生长和增殖起促进作用。氧化石墨烯对不同的微生物有着不同的毒性效应。氧化石墨烯对细菌的毒性还表现在氧化石墨烯的浓度和接触时间[15]。例如在25 μg/mL氧化石墨烯的培养液中，大肠杆菌生长速度较快，容易形成生物膜；在覆盖25 μg氧化石墨烯的滤膜上，细菌的生长速度加快，是对照组的2倍。在75 μg氧化石墨烯的滤膜上,细菌的生长速度更快了，是对照组的3倍[16]。而在大肠杆菌的培养液中加入高浓度氧化石墨烯，灭活率显著提高。

造成细菌死亡最主要的原因是氧化石墨烯对细胞造成物理损伤，氧化石墨烯的结构特殊，呈片状结构，具有锋利的边缘[17]，容易对细胞直接造成机械损伤，导致大肠杆菌和金黄色葡萄球菌细胞失去完整性。

3 氧化石墨烯的土壤环境行为及其生物毒性

3.1 氧化石墨烯的土壤环境行为

最终大量的氧化石墨烯会迁移到土壤中，于是研究氧化石墨烯的环境行为及生物毒性效应,对科学客观地评价石墨烯类物质的环境风险具有重要的意义[18]。氧化石墨烯在土壤中的行为的研究主要是关于多孔介质中的迁移，这是影响土壤微生物群落变化的重要因素[19]。随着环境理化性质的改变，氧化石墨烯的迁移行为会有一定的变化[14]。其中pH值对氧化石墨烯的迁移行为无明显影响，离子强度是决定因素，影响氧化石墨烯在多孔介质中迁移[20]。此外,由于氧化石墨烯具有很大的比表面积和强吸附能力,因此有必要探索一下氧化石墨烯对土壤中现有的污染物的环境效应的影响,以便全面地评价氧化石墨烯对生态环境的影响。下面研究氧化石墨烯在土壤中的行为及影响因素。

3.2 氧化石墨烯的土壤生物毒性

3.2.1 氧化石墨烯对秀丽隐杆线虫的毒性效应

秀丽隐杆线虫广泛被用于生态毒理学和测试，一般雌雄同体，有结构简单、对环境变化敏感、生命周期短、行为反应稳定、遗传背景清楚等特点[21]。早在半个多世纪以前，有学者研究线虫，并且将其作为模式生物。美国材料与试验协会在2002年颁布了一份标准化指南，这份指南是上详细的描述了秀丽线虫这种生物，以及它作用于土壤毒性的评价[22]。

目前最被学者接受的机制是，氧化石墨烯能使DNA和RNA损伤，进而从分子水平上诱导生殖细胞凋亡和细胞周期的阻滞，导致秀丽线虫性腺损伤，影响其发育，最后降低其生殖能力。例如将秀丽线虫在0.1～100 mg/L的氧化石墨烯中实验24～48 h，会导致生长发育迟缓，生殖能力丧失，DNA损伤和RNA干扰，甚至细胞凋亡等一系列影响[23]。

氧化石墨烯造成靶器官损伤的主要原因是诱导秀丽线虫体内ROS的产生[9]。例如氧化石墨烯诱导氧化应激反应，干扰生物体的免疫能力，从而影响生物体正常的生殖发育。

3.2.2 氧化石墨烯对潮虫的毒性效应

潮虫在土壤中分布广泛，数量巨大，种类繁多，是有机物的主要分解者。主要活动于地表凋落物层中,因为它对环境的敏感性较强，所以在学者研究实验室，这种生物往往是被用于评价污染土壤的毒性测试的首要选择。

对潮虫的这类研究，一般是通过常规的毒性测试，比如说对其的摄食率的影响、体重的影响等。设置不同的实验对照组，摄入浓度为500、1000、1500、2000 mg/kg纳米TiO2对潮虫的影响，时间分为3 d、7 d、14 d和28 d 4种，然后对比其变化和死亡率[9]。发现纳米材料对潮虫并不产生严重的毒性作用，即没有死亡，也无明显体重变化[24]。从微观角度分析，纳米材料会影响潮虫的消化系统，它对消化腺内部的CAT和GST等抗氧化酶的活性有一定的影响，表现为高浓度或低浓度时过氧化氢酶和谷胱甘肽-S-转移酶活性会有所降低[25]，导致消化道膜的极度不稳定，但是中等浓度时不会导致酶活性的显著变化。

3.2.3 氧化石墨烯对植物的毒性效应

氧化石墨烯主要通过根部被植物所吸收，积累在根的薄壁细胞中。而根冠和气孔在控制植物体中吸收和运输方面起重要作用[26]。一系列证据表明，长时间暴露在氧化石墨烯中会对生物体产生不利影响，高浓度的氧化石墨烯影响更为严重[27]。氧化石墨烯对陆生植物的毒性研究的主要对象主要是豆科类和蔬菜类等，集中是对种子发芽和幼苗生长的直接毒性影响方面，目前看来，氧化石墨烯对陆生植物的直接毒性影响大都表现为抑制植物根部的生长、降低种子的发芽、延迟花期等[2]。对于不同品种的植物和不同的暴露浓度，对于不同的植物和不同的暴露浓度，氧化石墨烯的作用会不同。例如用25～100 mg/kg氧化石墨烯处理油菜，会导致油菜根长度缩短；用50～100 mg/kg氧化石墨烯处理油菜导致新鲜根重量下降[28]；而10～1000 μg/L范围内对拟蓝芥种子萌发生长并没有影响[27]。

根据以往研究发现，氧化石墨烯能诱导植物产生氧化应激，破坏植物正常发育的表达基因，导致SOD含量和CTA含量下降，从而影响植物生物生长[29]。随着氧化石墨烯浓度的增高，植物的大小和叶片的数量会发生变化，ROS水平和细胞的死亡率会随着氧化石墨烯浓度的增加而增加。根据进一步的加强分析和研究，能实现氧化石墨烯的合理应用。

4 展望

有关氧化石墨烯的毒性效应的研究方兴未艾，与此同时，不同研究者的实验结论存在较大分歧，原因可能是由于氧化石墨烯的特殊性质，其对水污染物具备高吸附能力，容易与不同的金属离子、有机物结合复合，产生更复杂的影响；又或者是因为不同实验中所采用氧化石墨烯的制备方法、理化性质、检测方法等方面不同，也会导致结果的差异。而且现阶段所选的受试生物的种类单一，研究手段有限，没有建立统一的数据库，很多数据不能共享。

根据氧化石墨烯的性质，其形态多样，难以从环境分离出来，尤其是当氧化石墨烯进入到生物体内，情况会变得更加复杂，所以在检测上十分困难。因此目前面临的难题是如何创造出一套新的检测追踪手段，能准确快速的检测出氧化石墨烯如何从环境中进入到生物体内，又是如何在分子水平上相互作用，产生影响的。

氧化石墨烯和生物的相互作用比较复杂，即使在低浓度下表现为无明显毒性，它也可能和其他物质发生复杂的生物化学反应，形成一种新的复合物，这种复合物可能对这种生物产生更强的毒害作用。今后应该继续加大力度，做进一步研究。