石墨烯对草原自生固氮菌-老芒麦牧草的生长调控效应研究

With the large-scale production and applications, the environmental bio-effects become fundamental and crucial for the healthy developments of graphene science and technology. Recent studies revealed that graphene influenced the activity of microorganisms and the photosynthesis of plants, and would possibly regulate the biogeochemical cycle, including nitrogen cycle and carbon cycle. Currently, the studies on the connections and influences of graphene in diverse organisms of the ecosystem and different biogeochemical cycles are still scarce, thus it is impossible to fully evaluate the environmental influences and ecological effects of graphene. Herein, this project will choose free-living nitrogen fixation bacteria- pasture siberian wildrye as the ecological model, and focus on the connections and regulations between the key steps of biogeochemical cycle (biological nitrogen fixation regulated photosynthesis). Graphene nanomaterials of different reduction degree will be designed, and the influences of these graphene nanomaterials on the growth of nitrogen fixation bacteria, the nitrogen fixation activity and the contents/forms of soil nitrogen will be analyzed. The effects and mechanisms of graphene in biological nitrogen fixation will be revealed. The influence of graphene-regulated biological nitrogen fixation on the photosynthesis of pasture will be evaluated, too. This project will combine the effects of graphene in nitrogen cycle and carbon cycle to collectively explore the environmental effects and ecological influences of graphene, and investigate the regulative effects of graphene properties on the bio-effects, thus provide fundamental data and research concepts for the environmental bio-effect evaluations and applications of graphene nanomaterials.

随着石墨烯产业规模化发展，其环境生物效应成为保障石墨烯科技健康发展的关键科学问题。研究表明石墨烯对微生物活性和植物光合作用产生影响，可能调节氮循环、碳循环等生物地球化学循环。目前尚缺乏石墨烯在生态系统不同层次生物和生物地球化学循环之间的相互关联和影响的研究，无法全面评估石墨烯对环境的影响及其生态效应。本项目拟以自生固氮菌-老芒麦牧草为环境生态链模型，聚焦生物地球化学循环关键环节间的关联和调控（生物固氮调控光合作用），设计不同还原度的石墨烯纳米材料，测定其对自生固氮菌生长、活性以及土壤氮含量和形态的影响，揭示其在生物固氮中的效应和机制，并研究固氮变化对牧草光合作用的调控，从而将石墨烯在氮循环和碳循环中的效应关联起来综合评价其环境效应及生态作用，同时探索石墨烯自身性质对其效应的调节作用，为石墨烯等纳米材料的环境生物效应评估和应用提供重要数据和研究思路。

随着石墨烯产业规模化发展，其环境生物效应成为保障石墨烯科技健康发展的关键科学问题。本项目着眼于石墨烯在生态系统不同层次生物和生物地球化学循环之间的相互关联和影响，以自生固氮菌-老芒麦牧草为环境生态链模型，设计不同还原度的石墨烯纳米材料，测定其对自生固氮菌生长、活性以及土壤氮含量和形态的影响，并研究固氮变化对牧草光合作用的调控，将氮循环和碳循环中的效应关联起来综合评价其环境纳米生物效应。结果表明，石墨烯进入环境后与土壤等环境介质发生相互作用，呈现表面富集、难以迁移的特性，并在固氮菌胞外分泌物的作用下发生还原；氧化石墨烯对自生固氮菌的生长有明显的抑制作用，引起细胞死亡、细胞质流失，其毒性机制为氧化损伤；含氧量与分散性是产生石墨烯细胞毒性的关键因素，含氧量低、分散性差的还原石墨烯、碳纳米管、双棱锥碳颗粒等均对固氮菌没有显著毒性，特别是还原石墨烯还能刺激固氮菌生长；石墨烯不直接影响固氮酶的活性，而是通过生长调控来影响自生固氮菌固氮，其中还原石墨烯提高固氮活性和土壤含氮量；青藏高原特殊环境条件下，石墨烯对土壤微生物的群落产生影响，导致高原土壤菌群丰度和多样性下降，但是石墨烯量子点促进了根瘤菌数量增加，在添加褐球固氮菌的土壤中，石墨烯材料会刺激褐球固氮菌的生长，使其成为优势菌种；石墨烯对老芒麦、莜麦等青藏高原牧草的生长有一定促进作用，根系和根上部分的长度显著增加。综上，石墨烯对自生固氮菌的生长和活性产生影响，控制尺寸、含氧量可以改变其环境纳米生物效应，调控高原牧草生长。上述结果为石墨烯在碳、氮循环中的安全性评价提供了新数据，提出了评价石墨烯的环境生物效应的新思路，拓展了青藏高原特殊环境条件下纳米生物效应研究的新前沿。未来应加大力度研究石墨烯在青藏高原特殊环境中调控生物固氮的机制，发展石墨烯环境生物技术，促进青藏高原地区的生态环境保护。