低浓度石墨烯的聚集和沉积微界面过程对其环境行为的影响

Rapid development of nanotechnology and ever-increasing use of carbon nanomaterials will lead to heightened levels of these materials in the environment. To date, few studies have focused on the transport, transformation, and fate of graphene, which can not be predicted from the present knowledge as graphene exhibits different properties from other carbon nanomaterials. In this project, homoaggregation of Carbon 14-labeled graphene and heteroaggregation of graphene and natrual colloids will be systematically investigated under different graphene concentrations and solution chemistry conditions by using multiple modern instrumental analysis techniques. In addition, the long-term stability of graphene in natural water samples and the transport and distribution of graphene between micro-interfaces of water and soils or sediments will be studied for better understanding the state and mobility of graphene at low doses in real aquatic environments. This project is also initiated to provide scientific evidence for evaluating the environmental risks of this material.

纳米技术的高速发展和纳米产品的涌现必将增加碳纳米材料进入环境和产生生态毒理风险的可能性。目前，针对石墨烯在水环境中的迁移、转化和归宿的研究甚少，而石墨烯与其他碳纳米材料在结构性质方面又存在显著差异，故无法用现有知识来准确预测。本课题将借助C-14标记技术，结合现代仪器分析手段，系统研究不同水化学条件下，不同浓度的石墨烯之间的同质聚集过程，以及石墨烯与天然胶体颗粒之间的异质聚集过程；在此基础上，模拟研究真实水环境条件下石墨烯的长期稳定性及其在“水-土壤”和“水-沉积物”微界面间的传输和分配过程，拟从单一界面过程向多界面过程推进，为充分认识水环境中低浓度石墨烯的赋存状态和迁移潜势提供关键科学基础，为科学评价石墨烯的环境风险提供理论依据。

本项目以自主合成的C-14标记的少层石墨烯（few-layer graphene, 简称FLG）为研究对象，通过聚集/沉降实验、填充柱实验和水生生物实验，结合同位素示踪、高分辨扫描/透射电镜等技术，系统地研究了（1）不同水化学条件下不同浓度FLG的胶体性质、聚集特征和沉降规律；（2）FLG与斜生栅藻细胞之间的异质聚集作用，以及藻细胞对FLG的相分布和归宿的影响机制；（3）不同水化学和水力学条件下，不同浓度FLG在饱和石英砂柱中的运移特性和沉积规律；（4）不同分散、聚集形态的FLG在典型水生生物体内的富集、分布和吸收过程。发现：（1）FLG的质量浓度对其胶体稳定性有重要影响，当浓度 ≤ 0.1 mg/L时，在离子强度低于10 mM的人工配水或环境水样中，FLG的聚集/沉降速率随其浓度的降低而减小；（2）FLG既能通过胞外聚合物的架桥作用吸附在斜生栅藻细胞壁上，也能刺破细胞壁进入藻细胞，藻细胞对FLG相分布的影响程度与其密度有关；（3）FLG的沉积行为异于其他碳纳米材料，聚集和物理截留作用共同影响FLG在砂柱中的迁移；（4）FLG与斜生栅藻的界面作用增加了田螺体内FLG的生物有效性，累积于肠道的FLG能被肠上皮吸收并传输至肝脏。这些结果预示着在环境相关浓度条件下FLG有很强的迁移性，可在水环境中长期存在，对水生生物产生暴露，并可能通过食物链对人类产生暴露。项目取得的成果填补了对石墨烯环境行为的认识，可为评估石墨烯污染潜在的生态风险和人体健康风险提供科学依据。