石墨烯对白腐菌分解污染物活性的影响及机制研究

Graphene is a newly developed carbon nanomaterial, which holds great potential in electronics, energy, new materials, biomedicine, envirenment protection, and so on. The bio-effect and biosafety evaluations are fundermental and essential for nanoscience and nanotechnology. To ensure and stimulate the applications of graphene, the systematic evaluations on the potential hazards of graphene should be performed carefully. Currently, most nanotoxicology studies on graphene concerned the direct toxicity and biocompatibility of graphene to microorganisms, animals and plants. Few efforts have been paid to the effect of graphene to the ecosystem. Based on our previous exploration, this project will study the influence of graphene on the degradation activity of white rot fungi and its mechanism, and discuss the hazards of graphene to our ecosystem. The influence of differently functionalized graphene materials on the degradation activity of white rot fungi will be evaluated. The direct toxicity of graphene to white rot fungi will be assessed to obtain the fundermental data of graphene toxicity. The enzyme levels related to white rot fungi will be determined. The structural and activity changes of typical enzyme will be studied after incubation with graphene. Therefore, we would reveal the mechanism of graphene regulated degradation activity at molecular level. The aim of this project is to get the fundermental data on the effect of graphene to ecosystem and provide a more comprehensive knowledge of the biosafety of graphene. This project will stimulate the safe applications and biosafety evaluations of graphene.

石墨烯是近年来发展的新型碳纳米材料，在电子、能源、生物医学、环保等领域具有重大应用前景。纳米生物效应与安全性研究具有重要的科学意义和现实意义，为保障和促进石墨烯的安全应用，亟需在多方面对石墨烯的潜在危害进行深入研究。石墨烯纳米毒理学研究集中在石墨烯对微生物、动物、植物等的直接毒性和生物相容性，而忽略了石墨烯对生态系统的危害。在申请人前期探索基础上，本项目拟研究石墨烯对白腐菌分解污染物活性的影响和机制，探讨石墨烯对生态系统的危害。测定不同化学修饰的石墨烯对白腐菌分解污染物活性的影响；评估石墨烯对白腐菌的直接毒性，获得石墨烯对白腐菌的毒理学数据；研究石墨烯对白腐菌相关酶的分泌水平的影响以及石墨烯引起典型酶的结构和活力的变化，揭示石墨烯影响白腐菌分解污染物活性的分子机制。目标是获得石墨烯对生态系统影响的基础数据，更为全面地了解石墨烯的生物安全性特点，为石墨烯材料的安全应用提供重要支持。

石墨烯是近年来发展的新型碳纳米材料，被广泛应用于诸多领域。纳米生物效应与安全性研究具有重要的科学意义和现实意义，为保障和促进石墨烯的安全应用，亟需在多方面对石墨烯的潜在危害进行深入研究。本项目着眼于碳循环的关键环节，研究石墨烯对白腐菌分解污染物活性的影响和机制，探讨石墨烯对生态系统的危害。制备多种石墨烯等sp2碳纳米材料，系统测定其对白腐菌生长和分解活性的影响，并从分子水平探索相关生物效应机制。结果表明，氧化石墨烯对白腐菌的生长有低浓度刺激、高浓度抑制的效应，引起白腐菌结构和分解活性的改变；还原石墨烯对白腐菌的毒性较小，说明石墨烯的氧化程度调控其毒性；对比可分散的氧化石墨烯和氧化碳纳米管，发现片状的氧化石墨烯毒性更为明显，说明形状也是调控sp2碳纳米材料生物安全性的关键因素；检测白腐菌的分解活性，发现氧化石墨烯对白腐菌的分解活性在低浓度下无明显影响，而高浓度下因氧化石墨烯与活性艳红产生联合毒性导致白腐菌完全失去分解能力，而还原石墨烯对白腐菌分解活性的影响较小；从分子水平研究石墨烯对酶的结构和功能的影响，发现氧化石墨烯与酶结合能力强，导致酶构象变化和活性丧失，而还原石墨烯对酶的影响较小。以上结果表明石墨烯对白腐菌的生长和活性产生影响，并与白腐菌分泌的酶系产生相互作用，引起酶活性丧失，进而抑制白腐菌分解污染物和木质素的能力，这可能对碳循环产生一定影响，导致严重的生态环境危害。项目组获得了石墨烯影响碳循环关键环节的基础数据，探讨了石墨烯对生态环境存在的潜在危害，更为全面地了解石墨烯的生物安全性特点，并为进一步开展石墨烯影响物质循环的研究奠定了基础，也为石墨烯材料的安全应用提供了重要支持。