石墨烯在水生生物间的食物链传递过程研究开题报告

1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

石墨烯是由平整的单层碳原子紧密连接而成的二维晶体材料，独特的结构赋予了石墨烯很多其他材料所没有的特性，如其所特有的电学、光学、机械和热的性质，以及其较大的比表面积，这些特性都是它能被广泛应用的基础。随着其在消费品中的使用日益增加，石墨烯将无法避免地大量进入环境，然而，石墨烯的生态风险还远未被人们了解。因此，开展对石墨烯潜在环境与生态风险科学而严谨的研究能指导人们安全使用石墨烯产品。对于石墨烯的潜在环境、健康风险的关注越来越多，但大部分先前的研究并没有关注其暴露过程，而是主要研究于其在环境中的形态分布、吸附行为、及对生物的毒性作用方面。已有研究表明石墨烯能造成细胞毒性效应，例如细胞膜损伤和细菌毒性。最近还有研究证明石墨烯能对人类干细胞产生一定的基因毒性效应，例如dna断裂和染色体畸变。

暴露过程是污染物环境与健康风险评价中的关键环节，生物体在实际环境中的暴露剂量评估是影响风险评价结果可靠性的重要因素。对石墨烯暴露过程研究的缺乏，尤其是水环境中石墨烯从水体进入水生生物的吸收、富集等过程的认识的不足，会导致对水生生物的实际暴露剂量确定和最终毒性效应与实验室毒性测试结果之间的差异和不确定性。少量初步研究已经表明，水生生物大型蚤在石墨烯中进行的暴露显示了相当高的积累性，0.25 μg/ml的石墨烯分散液48小时暴露后，其在大型蚤体内的含量可以达到约1％的干重，且积累的石墨烯在其后的24小时净化期并没有明显的消除，即使在净化期的水中加入天然有机质也不能对其体内消除产生明显影响。这一研究结果提示，石墨烯在水生生态系统的浮游生物体内发生了累积。然而相关的研究并不多，其在食物链起始端的富集研究很具有实用价值，四膜虫是自然界中分布很广的原生动物，也是典型的模式生物，生长繁殖迅速、易培养，并且处于食物链的底端，本次实验选用其作为受试生物，可以为石墨烯在水体的生态风险评估提供有效信息，为更高层次的生物毒性研究做铺垫，加入nom是了模拟真实的自然环境，有助于结果更准确，也能使人们更深层地认识到石墨烯在自然水体中的暴露过程。

目前关于此类问题的研究之所以非常有限，一个重要因素就是很难对复杂的环境或生物样品中的石墨烯进行定量。为了攻克对石墨烯进行定量的难题，已成功合成了¹⁴c标记的石墨烯。利用经标记后的石墨烯，能更好、更准确地研究其暴露过程。并且，放射性标记石墨烯也使研究其在水生生物中的富集、排泄规律及其食物链传递成为可能，这些生态毒理学参数是全面描述纳米材料对水生生态系统暴露和影响的关键参数。

2. 研究的基本内容和问题

研究目标

石墨烯的消费品越来越多，而石墨烯的风险还不太为人了解，有关石墨烯的潜在生态健康风险研究虽然也逐渐增多，但大多都关注于其在生境中的态征、转移去向、吸附及对有机体的毒效应，而对暴露过程的研究却忽视，可是这是污染物风险评价中的重要环节，对生物体实际暴露剂量的准确测量能提高风险评价的准确性。

研究内容

3. 研究的方法与方案

科研方法：

1）¹⁴c标记石墨烯的合成及表征

将20 ml溶解有5.000 g 十二烷铵的乙醇溶液加入80 ml的fecl₂4h₂o (1.590 g)和nh₄h₂po₄ (0.900 g)混合水溶液中，在50c 下搅拌。离心并收集固态产物，在40 c 真空干燥箱中干燥12 h，随后向干燥粉末中加入800μl ¹⁴c标记的苯酚，再在40 c 真空干燥箱中干燥12 h 。在氩气保护下，使该混合物在700 c下灼烧12 h。待冷却后，所得黑色粉末与40 ml 37盐酸一同转移到聚四氟乙烯内衬的高压釜中，在180 c下用马弗炉灼烧24 h。离心收集黑色产物，用水和无水乙醇分别冲洗10次以上以保证石墨烯的纯度。所得粉末在40 c 真空干燥箱中干燥12 h，所得粉末即为¹⁴c标记石墨烯。为得到¹⁴c标记石墨烯在水溶液中的分散液，在500 ml烧杯中盛放300 ml超纯水，加入一定量石墨烯后置于冰水冷却液中，使用超声破碎仪(100 w, p 7.52 j/s)超声6 h，超声过程将超声探头插到距烧杯底部约0.4 cm 处进行超声。

4. 研究创新点

采用C-14标记技术，对水生生物中石墨烯的暴露剂量进行准确评估。

放射性标记石墨烯使研究其在水生生物中的富集、排泄规律及其食物链传递成为可能，这些生态毒理学参数是全面描述纳米材料对水生生态系统暴露和影响的关键参数。

5. 研究计划与进展

2017.1.1-2017.2.20 查阅文献，了解石墨烯的定量测定方法，四膜虫培养方法，确定实验方案。

2017.2.21-2017.3.20：研究在水环境中四膜虫对石墨烯的生物富集机制。

2017.3.21-2017.4.20：探究天然有机质对四膜虫富集石墨烯的影响。