纳米石墨烯表面持久性自由基的环境转化及毒性机制研究

Environmentally persistent free radicals (EPFRs) are a new class of environmental pollutants with hazard effects in ecosystems and human health, which have been ubiquitously detected in many carbon-based environmental matrices such as airborne particulate matter, biochar, natural organic matter, and so on. Therefore, understanding the formation mechanisms and toxic effects of EPFRs is essential to manage health risk assessment of various environmental contaminants. Our previous studies indicated that there are numerous EPFRs in the surface of nanographene, which could stimulate the host with persistent toxicity. Accordingly, in this project we systematically study environmental transformation and toxicity of EPFRs by using graphene-based nanomaterials as model matrices. Electron spin resonance and spectrum techniques will be conducted to directly detect and identify the EPFRs in graphene. Specifically, the effects of synthesis process and environmental factor to EPFRs will be evaluated. Then the relationship between EPFRs and their toxicity will be studied. This project will not only provide us a new perspective for the biosafety research of graphene-based nanoparticles, but also be conducive to understand the environmental chemical action and toxic effects of EPFRs.

环境持久性自由基是近年来备受关注的一类新型环境风险物质，可以在大气颗粒物、生物炭、天然有机质等碳基环境介质中稳定存在，对生态系统和人类健康造成严重威胁。因此，理解环境持久性自由基的生成机制及潜在危害对于多种环境污染物的健康风险评估至关重要。我们前期研究发现石墨烯表面存在大量持久性自由基，这些自由基能够刺激机体产生持续的生物毒性。本项目拟在前期工作基础上，以纳米石墨烯为环境介质模型，运用电子自旋共振波谱等技术手段分析材料中持久性自由基的存在形式及反应活性，考察材料的合成条件及环境迁移过程对自由基的影响，并对材料中持久性自由基的生物毒性及作用机制进行探讨。本项目的成功实施可以阐明持久性自由基在纳米石墨烯表面的形成过程及毒性机制，一方面为纳米材料的生物安全性研究提供新思路，另一方面对理解多种环境污染物中持久性自由基的环境化学行为和生态风险具有重要的科学意义。

持久性自由基的环境化学行为及其生物毒性分析是评估多种环境污染物健康风险的关键科学问题。本项目以纳米石墨烯为环境介质模型，考察了不同纳米材料中持久性自由基的电子转移过程，阐明了持久性自由基对纳米石墨烯生物毒性的影响及其作用机制。获得以下主要结论：首先，多种石墨烯基碳纳米材料及金属纳米材料表面均大量存在稳定的持久性自由基，这些持久性自由基在生物体内能够催化多种生物分子的氧化还原反应，并最终转化为活性的自由基分子，从而产生明显的生物毒性。更重要的是，光照等环境因素能够调控持久性自由基的含量，加速材料表面的电子转移过程，增强材料对生物体的毒性。其次，通过细菌作为环境微生物的模型，验证了石墨烯等纳米材料表面的持久性自由基对微生物的毒性行为，揭示了材料表面的自由基转化及电子转移是持久性自由基毒性的主要来源，而纳米石墨烯与生物体系的相互作用在电子转移过程中扮演着重要的作用。最后，基于持久性自由基对纳米材料抗菌性能的影响，我们设计了多种纳米抗菌体系，实现了对细菌生物膜及糖尿病慢性伤口感染的有效控制。本研究具有以下三个方面科学意义：①为其它环境污染物中持久性自由基的健康风险评估提供实验基础；②为碳基及金属基纳米材料的生物安全性研究提供了新的思路；③为新型纳米抗菌剂的功能化设计提供理论依据。