石墨烯环境毒性机制研究获重要进展

广东省科学院生态环境与土壤研究所流域水环境整治绿色技术与装备团队联合美国麻省大学教授邢宝山团队在石墨烯环境毒性机制研究领域取得重要进展。他们首次揭示腐殖酸吸附对石墨烯增强芽孢杆菌毒性的分子机制。近日，相关成果发表于《自然-通讯》（Nature Communications）。

石墨烯因其优异性能在能源、医疗等领域广泛应用，但其环境行为与毒性效应尚不明确。尤其在水体环境中，天然有机物（如腐殖酸）与石墨烯的相互作用可能显著改变其生态毒性，而相关机制长期缺乏系统性研究，成为制约纳米材料安全应用的关键瓶颈。

针对上述科学问题，研究团队在国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助下，通过KPMF、QCM-D等手段与多组学联合分析技术（蛋白质组学、代谢组学），首次揭示了腐殖酸吸附对石墨烯增强芽孢杆菌毒性的分子机制，为纳米材料环境风险评估提供了新理论依据。

论文共同第一作者、广东省科学院生态环境与土壤研究所副研究员张雪娇表示，该研究突破了传统“活性氧中心论”的毒性评估框架，创新性提出“界面物理损伤-胁迫式电子转移联合抑制”的物理-化学协同毒性机制理论，为纳米材料的生态安全应用开辟了新路径。

该研究发现，实验浓度在1-200 mg/L范围内，腐殖酸吸附使石墨烯的细菌毒性显著增强，发现纳米-生物界面作用造成的菌膜物理损伤是化学机制发挥作用的前提条件；同时揭示材料能带结构与生物氧化还原电位（-4.14~-4.84 eV）的匹配度是调控毒性的关键参数，为设计低环境风险的功能化纳米材料提供了明确优化方向。

此外，基于细菌膜结构差异（如革兰氏阴性菌外膜屏障、球状菌曲率效应等），该机制可指导开发靶向性纳米抗菌剂，通过特异性破坏致病菌膜结构实现精准治理，从而大幅减少广谱毒性引发的非目标生物损伤与生态失衡问题。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-55270-2