石墨烯環境毒性機制研究獲重要進展

廣東省科學院生態環境與土壤研究所流域水環境整治綠色技術與裝備團隊聯合美國麻省大學教授邢寶山團隊在石墨烯環境毒性機制研究領域取得重要進展。他們首次揭示腐殖酸吸附對石墨烯增強芽孢桿菌毒性的分子機制。近日，相關成果發表于《自然-通訊》（Nature Communications）。

石墨烯因其優異性能在能源、醫療等領域廣泛應用，但其環境行為與毒性效應尚不明確。尤其在水體環境中，天然有機物（如腐殖酸）與石墨烯的相互作用可能顯著改變其生態毒性，而相關機制長期缺乏系統性研究，成為制約納米材料安全應用的關鍵瓶頸。

針對上述科學問題，研究團隊在國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目的資助下，通過KPMF、QCM-D等手段與多組學聯合分析技術（蛋白質組學、代謝組學），首次揭示了腐殖酸吸附對石墨烯增強芽孢桿菌毒性的分子機制，為納米材料環境風險評估提供了新理論依據。

論文共同第一作者、廣東省科學院生態環境與土壤研究所副研究員張雪嬌表示，該研究突破了傳統“活性氧中心論”的毒性評估框架，創新性提出“界面物理損傷-脅迫式電子轉移聯合抑制”的物理-化學協同毒性機制理論，為納米材料的生態安全應用開辟了新路徑。

該研究發現，實驗濃度在1-200 mg/L范圍內，腐殖酸吸附使石墨烯的細菌毒性顯著增強，發現納米-生物界面作用造成的菌膜物理損傷是化學機制發揮作用的前提條件；同時揭示材料能帶結構與生物氧化還原電位（-4.14~-4.84 eV）的匹配度是調控毒性的關鍵參數，為設計低環境風險的功能化納米材料提供了明確優化方向。

此外，基于細菌膜結構差異（如革蘭氏陰性菌外膜屏障、球狀菌曲率效應等），該機制可指導開發靶向性納米抗菌劑，通過特異性破壞致病菌膜結構實現精準治理，從而大幅減少廣譜毒性引發的非目標生物損傷與生態失衡問題。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-55270-2