曹雪松畢業(yè)答辯PPT

1、石墨烯材料對(duì)蛋白核小球藻的石墨烯材料對(duì)蛋白核小球藻的毒性機(jī)理研究毒性機(jī)理研究答辯人：曹雪松答辯人：曹雪松導(dǎo)導(dǎo) 師：王震宇教授師：王震宇教授 2015.05.31 青島青島主要內(nèi)容主要內(nèi)容u 研究背景與科學(xué)問題研究背景與科學(xué)問題u 石墨烯材料的表征石墨烯材料的表征u 石墨石墨烯烯材料對(duì)藻細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制材料對(duì)藻細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制u 石墨烯材料對(duì)藻細(xì)胞的致毒機(jī)制石墨烯材料對(duì)藻細(xì)胞的致毒機(jī)制u 結(jié)論與致謝結(jié)論與致謝1. 研究背景與科學(xué)問題研究背景與科學(xué)問題n 石墨烯（石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以）是一種由碳原子以 sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。

2、格的二維碳納米材料。n 氧化石墨氧化石墨烯（烯（Graphene oxide）是一是一種由石墨粉末經(jīng)化學(xué)氧化及剝離后的種由石墨粉末經(jīng)化學(xué)氧化及剝離后的產(chǎn)物，是一種表面含有大量含氧官能團(tuán)的石墨烯層片。產(chǎn)物，是一種表面含有大量含氧官能團(tuán)的石墨烯層片。n 還原型氧化石墨烯（還原型氧化石墨烯（reduced Graphene oxide）是一種通過氧化還原法制）是一種通過氧化還原法制備得到的石墨烯層片，表面含有較少量含氧官能團(tuán)。備得到的石墨烯層片，表面含有較少量含氧官能團(tuán)。1.1 石墨烯材料簡(jiǎn)介石墨烯材料簡(jiǎn)介 Graphene Graphene oxide reduced Graphene oxide

3、Zurutuza et al., 2014, Nature nanotechnology1.2 石墨烯材料應(yīng)用石墨烯材料應(yīng)用石墨烯材料是已知世上最薄、最堅(jiān)硬的納米材料，具有超石墨烯材料是已知世上最薄、最堅(jiān)硬的納米材料，具有超高的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，使得石墨烯材料具有極大的應(yīng)用前景，高的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，使得石墨烯材料具有極大的應(yīng)用前景，石墨烯材料的相關(guān)研究也成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)石墨烯材料的相關(guān)研究也成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)1.3 1.3 石墨烯材料可能的環(huán)境行為石墨烯材料可能的環(huán)境行為石墨烯廣泛關(guān)注1.4 石墨烯材料毒性研究現(xiàn)狀石墨烯材料毒性研究現(xiàn)狀細(xì)菌植物動(dòng)物人體細(xì)胞Begum et al., 2011, Car

4、bonAkhavan et al., 2011, ACS nanoLi et al., 2013, PNASFu et al., 2015, Biomaterials?藻藻類類石墨烯材料石墨烯材料1.5 石墨烯材料對(duì)藻細(xì)胞毒性研究現(xiàn)狀石墨烯材料對(duì)藻細(xì)胞毒性研究現(xiàn)狀Pretti 等研究表明石墨烯能夠通過物理損傷及氧化脅迫抑制杜氏鹽藻藻細(xì)胞生長(zhǎng)。Hu等研究表明石墨烯能夠通過氧化脅迫及DNA損傷抑制蛋白核小球藻藻細(xì)胞生長(zhǎng)。Hu等研究表明研究表明氧化石墨烯能夠通過氧化脅迫及破壞新陳代謝過程抑制蛋白核小球藻藻細(xì)胞生長(zhǎng)。表面官能團(tuán)邊緣狀態(tài)厚度石墨烯石墨烯材料材料?致毒機(jī)制致毒機(jī)制?三種石墨烯材料對(duì)藻細(xì)胞有

5、哪些主要的三種石墨烯材料對(duì)藻細(xì)胞有哪些主要的毒性機(jī)毒性機(jī)制制？這些毒性機(jī)制對(duì)三種石墨烯？這些毒性機(jī)制對(duì)三種石墨烯材料產(chǎn)生毒性材料產(chǎn)生毒性效應(yīng)效應(yīng)的貢獻(xiàn)如何？的貢獻(xiàn)如何？三種石墨烯材料對(duì)藻細(xì)胞的毒性是否具有差異三種石墨烯材料對(duì)藻細(xì)胞的毒性是否具有差異性？哪些石墨烯性質(zhì)（如表現(xiàn)官能團(tuán)、厚度、性？哪些石墨烯性質(zhì)（如表現(xiàn)官能團(tuán)、厚度、邊緣狀態(tài)等）決定其對(duì)藻細(xì)胞毒性的強(qiáng)弱？邊緣狀態(tài)等）決定其對(duì)藻細(xì)胞毒性的強(qiáng)弱？1.6 1.6 科學(xué)問題科學(xué)問題2.1 石墨烯材料的制備石墨烯材料的制備2.石墨烯材料的制備與表征石墨烯材料的制備與表征n 氧化石墨烯（Graphene oxide，GO）：本實(shí)驗(yàn)中的氧化石墨烯采

6、用改進(jìn)的Hummers Method，即混合濃硫酸(H2SO4)、高錳酸鉀（KMnO4）和石墨在50C水浴攪拌反應(yīng)15 h，經(jīng)鹽酸、乙醇、蒸餾水反復(fù)清洗，得到氧化完全的GOn 還原型氧化石墨烯（reduced Graphene oxide，rGO）：利用水合肼在95 下還原GO得到還原完全的rGOn 多層石墨烯（ Multi-layer Graphene，G）購(gòu)買于美國(guó)Graphene SupermarketGGOrGO2.2 石墨烯材料的表征石墨烯材料的表征10010001000010000010000005101520253035404550Intensity (a.u.)2 (0) GO

7、 rGO GX射線衍射射線衍射 （XRD）l GO的層間距經(jīng)計(jì)算為8.68 ，與 Marcano等利用改進(jìn)Hummers Method制備的GO層間距一致l rGO層間距減少至3.72 ，與Park等利用水合肼還原制備rGO的層間距一致l G層間距經(jīng)計(jì)算為為3.36 ，為石墨烯標(biāo)準(zhǔn)層間距10.223.926.55001000150020002500300035004000Transmittance ( a. u.)Wavenumbers (cm-1)1427 cm-1-OHl GO含有大量含氧官能團(tuán)（羥基、羧基、羰基、環(huán)氧基），因此含有大量含氧官能團(tuán)（羥基、羧基、羰基、環(huán)氧基），因此GO具具有

8、較好的親水性和較好的懸浮性有較好的親水性和較好的懸浮性l rGO和和G表面官能團(tuán)較少，因此表面官能團(tuán)較少，因此rGO和和G具有較高的疏水性，在水中具有較高的疏水性，在水中有較弱的懸浮性有較弱的懸浮性3518 cm-1-OH1757 cm-1 C=O1639 cm-1 C=C1238 cm-1 C-O1130 cm-1 C-O-C傅立葉紅外光譜（傅立葉紅外光譜（FTIR） GO rGO GGOrGOG原子力顯微鏡（原子力顯微鏡（AFM）1.82.5 nm0.91.2 nm58 nml 單層單層GO的厚度約為的厚度約為1.1 nm，表明，表明GO約為雙層氧化石墨烯約為雙層氧化石墨烯l 單層單層rG

9、O的厚度約為的厚度約為0.56 nm，表明，表明rGO約約為雙層還原型氧化石墨烯為雙層還原型氧化石墨烯l 單層單層G的厚度約為的厚度約為0.35 nm，表明，表明G約約為為18層的多層石墨烯層的多層石墨烯Graphene materialsBET specific surface area (m2/g)Zeta potential in distilled water (mV)Zeta potential in medium (mV)Elemental composition C (%)O (%)H (%)S (%)N (%)GO264.6-41.91.3-27.31.339.255.22.8

10、12.79NOrGO617.6-32.71.3-24.70.762.330.12.090.195.32G129.7-25.61.5-19.61.192.55.710.561.23NO* NO 表明該元素含量低于元素分析儀檢測(cè)線比表面積、比表面積、Zeta 電位、元素組成電位、元素組成l rGO具有最大的比表面積，是GO的2.2倍，G的4.7倍l GO表面帶有大量負(fù)電荷，與其表面大量含氧官能團(tuán)相關(guān)；三種石墨烯材料Zeta電位在藻細(xì)胞培養(yǎng)液中明顯降低，會(huì)降低石墨烯材料的懸浮性l GO含氧量達(dá)到55.2%，表明GO被充分氧化；rGO含氧量降低到30.1%，表明rGO得到充分還原3. 石墨烯材料對(duì)藻細(xì)

11、胞的生長(zhǎng)抑制石墨烯材料對(duì)藻細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制實(shí)驗(yàn)材料實(shí)驗(yàn)材料n受試生物：蛋白核小球藻（真核，受試生物：蛋白核小球藻（真核，25 m）n石墨烯材料：石墨烯材料：多層石墨烯（多層石墨烯（Multi-layer graphene，G）氧氧化石墨烯（化石墨烯（Graphene oxide，GO）還還原型氧化石墨烯（原型氧化石墨烯（reduced graphene oxide，rGO）多多壁碳納米壁碳納米管（管（ Multiwalled carbon nanotube，CNT）石墨石墨（Graphite，Gt）aaabbbaaabbbccccdccde01020304050607024487296Inhib

12、ition (%)Time (h) GO rGO G CNT Gt3.1 不同暴露時(shí)間下，石墨烯材料對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制不同暴露時(shí)間下，石墨烯材料對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制石墨烯材料及CNT、Gt（50 mg/L）暴露不同時(shí)間后，藻細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制率l 隨暴露時(shí)間的增加，石墨烯材料對(duì)藻細(xì)胞的抑制率逐漸增加l 石墨烯材料對(duì)藻細(xì)胞的毒性顯著強(qiáng)于CNT和Gtaaabbbbbbbaaaaaaccbcccccddcdddddddcdddee0204060801001020305070100150200Inhibition (%)Concentration (mg/L) GO rGO G CNT Gt3.2 不同暴露

13、濃度下，石墨烯材料對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制不同暴露濃度下，石墨烯材料對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制l 隨暴露濃度的增加石墨烯材料對(duì)藻細(xì)胞的抑制率逐漸增加l rGO、GO、G 對(duì)蛋白核小球藻的半數(shù)效應(yīng)濃度 (EC50) 分別為 34.0、37.4和62.2 mg/L不同濃度的石墨烯材料、CNT、Gt 在暴露96 h后，對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制率4. 石墨烯材料對(duì)藻細(xì)胞的致毒機(jī)制石墨烯材料對(duì)藻細(xì)胞的致毒機(jī)制遮遮蔽蔽效效應(yīng)應(yīng)損損傷傷細(xì)細(xì)胞胞膜膜養(yǎng)養(yǎng)分分耗耗竭竭ROSGO treatmentControl4.1 石墨烯材料對(duì)藻細(xì)胞的遮蔽效應(yīng)石墨烯材料對(duì)藻細(xì)胞的遮蔽效應(yīng)-2024681012GOrGOGCNTGtInhibit

14、ion (%)遮蔽效應(yīng)裝置石墨烯材料通過遮蔽效應(yīng)對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制GO treatment 0 hGO treatment 96 hGO-藻細(xì)胞懸浮液在加入GO 96 h后的顏色變化情況l GO能夠通過能夠通過遮蔽效應(yīng)抑制藻細(xì)胞的生長(zhǎng)，遮蔽效應(yīng)抑制藻細(xì)胞的生長(zhǎng)，rGO和和G對(duì)藻細(xì)胞沒有顯著的遮蔽對(duì)藻細(xì)胞沒有顯著的遮蔽效應(yīng)效應(yīng)l GO 具有的良好的懸浮性及具有的良好的懸浮性及GO-藻細(xì)胞懸藻細(xì)胞懸浮液在浮液在96 h后明顯變黑可能是后明顯變黑可能是GO產(chǎn)生遮產(chǎn)生遮蔽效應(yīng)的主要原因；蔽效應(yīng)的主要原因；rGO和和G因容易發(fā)因容易發(fā)生團(tuán)聚沉降，是其未產(chǎn)生遮蔽效應(yīng)的主生團(tuán)聚沉降，是其未產(chǎn)生遮蔽效應(yīng)的主要

15、原因要原因17%abcd0510152025CKGOrGOGPercentage of membrane-damaged cells （%）流式細(xì)胞儀檢測(cè)細(xì)胞膜完整性l 石墨烯材料（石墨烯材料（50 mg/L）處理）處理96 h后，藻細(xì)胞細(xì)胞膜均顯著后，藻細(xì)胞細(xì)胞膜均顯著被破壞被破壞l石墨烯材料對(duì)細(xì)胞膜的破壞程度：石墨烯材料對(duì)細(xì)胞膜的破壞程度：rGO G GOCKrGOGGO4.2.1 細(xì)胞膜損傷檢測(cè)細(xì)胞膜損傷檢測(cè)膜損傷的細(xì)胞比率4.2 石墨烯材料對(duì)藻細(xì)胞細(xì)胞膜的損傷石墨烯材料對(duì)藻細(xì)胞細(xì)胞膜的損傷00.020.040.060.080.1CKGOrGOGK+ leakage (g/1*106ce

16、lls)cadbaaba050100150200CKGOrGOGDNA leakage level (% of control)l 石墨烯材料（石墨烯材料（50 mg/L, 96 h）能夠破壞藻細(xì)胞細(xì)胞膜，導(dǎo)致鉀離子滲）能夠破壞藻細(xì)胞細(xì)胞膜，導(dǎo)致鉀離子滲漏，漏，rGO能夠明顯導(dǎo)致能夠明顯導(dǎo)致 DNA 滲漏滲漏l 鉀離子滲漏程度與流式細(xì)胞儀檢測(cè)膜損傷程度相同鉀離子滲漏程度與流式細(xì)胞儀檢測(cè)膜損傷程度相同4.2.2 胞內(nèi)物質(zhì)滲漏胞內(nèi)物質(zhì)滲漏鉀離子滲漏DNA滲漏abcb050100150200250300350CKGOrGOGPosROS level (% of control)n 氧化脅迫氧化脅迫a

17、bcb0246810CKGOrGOGPoMDA nMol/109Cellsl 石墨烯材料（石墨烯材料（50 mg/L）處理）處理96 h后，胞內(nèi)后，胞內(nèi)ROS總量顯著增加，并進(jìn)一步總量顯著增加，并進(jìn)一步引起脂質(zhì)過氧化引起脂質(zhì)過氧化l 石墨烯材料導(dǎo)致氧化脅迫程度：石墨烯材料導(dǎo)致氧化脅迫程度：rGO GOG4.2.3 細(xì)胞膜損傷的原因細(xì)胞膜損傷的原因胞內(nèi)ROS總量脂質(zhì)過氧化A1A3rGOrGOrGOn 物理損傷物理損傷4.2.3 細(xì)胞膜損傷的原因細(xì)胞膜損傷的原因GGGl SEM觀察石墨烯材料處理觀察石墨烯材料處理96 h后藻細(xì)胞表面狀況，后藻細(xì)胞表面狀況，rGO和和G通過鋒利的尖角穿透藻細(xì)胞表面，

18、通過鋒利的尖角穿透藻細(xì)胞表面，GO未發(fā)現(xiàn)有穿刺未發(fā)現(xiàn)有穿刺藻細(xì)胞現(xiàn)象藻細(xì)胞現(xiàn)象CK GO G l SEM觀察石墨烯材料處理藻細(xì)胞觀察石墨烯材料處理藻細(xì)胞96 h 后藻細(xì)胞形態(tài)變化，后藻細(xì)胞形態(tài)變化，GO、rGO、G均出現(xiàn)細(xì)胞形態(tài)畸形的現(xiàn)象均出現(xiàn)細(xì)胞形態(tài)畸形的現(xiàn)象CKGOrGOGnonspherocyticshriveledshriveledrGOG4.2.3 細(xì)胞膜損傷的原因細(xì)胞膜損傷的原因n 物理損傷物理損傷l SEM觀察石墨烯材料處理藻細(xì)胞觀察石墨烯材料處理藻細(xì)胞96 h 后藻細(xì)胞形態(tài)變化，后藻細(xì)胞形態(tài)變化，rGO、G出出現(xiàn)細(xì)胞開裂及部分缺失現(xiàn)象現(xiàn)細(xì)胞開裂及部分缺失現(xiàn)象4.3 石墨烯材料導(dǎo)

19、致養(yǎng)分耗竭石墨烯材料導(dǎo)致養(yǎng)分耗竭n 實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)方法培養(yǎng)藻細(xì)胞培養(yǎng)藻細(xì)胞培養(yǎng)藻細(xì)胞1324.3.1 石墨烯材料引起養(yǎng)分耗竭程度石墨烯材料引起養(yǎng)分耗竭程度l 石墨烯材料會(huì)吸附培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致養(yǎng)分耗竭，從而抑制藻細(xì)石墨烯材料會(huì)吸附培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致養(yǎng)分耗竭，從而抑制藻細(xì)胞生長(zhǎng)，胞生長(zhǎng)，GO、rGO、G導(dǎo)致養(yǎng)分耗竭對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制導(dǎo)致養(yǎng)分耗竭對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制分別分別占占它們它們總毒性的總毒性的53%、35%、27%l 充足的養(yǎng)分可以緩解石墨烯材料的毒性，表明石墨烯材料能夠引起養(yǎng)分充足的養(yǎng)分可以緩解石墨烯材料的毒性，表明石墨烯材料能夠引起養(yǎng)分耗竭，從而抑制藻細(xì)胞的生長(zhǎng)耗竭，從而抑制藻

20、細(xì)胞的生長(zhǎng)l 石墨烯材料導(dǎo)致藻細(xì)胞養(yǎng)分耗竭程度：石墨烯材料導(dǎo)致藻細(xì)胞養(yǎng)分耗竭程度：GO rGO Gbacabc010203040506070GOrGOG Inhibition (%)53%35%27%aaabbb010203040506070rGOGOGInhibition (%)nMediumnSufficient nutrition medium石墨烯材料吸附96 h后的營(yíng)養(yǎng)液對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制充足養(yǎng)分的營(yíng)養(yǎng)液對(duì)石墨烯毒性的緩解nGraphene materialsnMedium after graphene materials adsorptionaaaaccccccbbbbaa0123

21、45NPMgCaConcentration (mg/L)MediumGOrGOGaaaaabaaaaaaaaaa00.010.020.030.040.050.06FeMnCuZnConcentration (mg/L)MediumGOrGOGl 石墨烯材料對(duì)微量元素（石墨烯材料對(duì)微量元素（Fe、Mn、Cu、Zn）沒有吸附）沒有吸附l 石墨烯材料明顯的吸附了大量元素石墨烯材料明顯的吸附了大量元素 (N、P、Mg、Ca) ，石墨烯材料對(duì)，石墨烯材料對(duì)大量元素的吸附是引起養(yǎng)分耗竭的主要原因大量元素的吸附是引起養(yǎng)分耗竭的主要原因l 大量元素缺失程度：大量元素缺失程度：GO rGO G4.3.2 石墨烯

22、石墨烯材料對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸附材料對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸附加入石墨烯材料96 h后，營(yíng)養(yǎng)液中微量元素的濃度變化情況加入石墨烯材料96 h后，營(yíng)養(yǎng)液中大量元素的濃度變化情況結(jié)論結(jié)論l 石墨烯材料對(duì)藻細(xì)胞的毒性：石墨烯材料對(duì)藻細(xì)胞的毒性：rGO GO Gl GO因良好的懸浮性對(duì)藻細(xì)胞產(chǎn)生遮蔽效應(yīng)，且遮蔽效應(yīng)產(chǎn)生的毒因良好的懸浮性對(duì)藻細(xì)胞產(chǎn)生遮蔽效應(yīng)，且遮蔽效應(yīng)產(chǎn)生的毒性是其總毒性的性是其總毒性的17%；rGO和和G因較弱的懸浮性沒有產(chǎn)生遮蔽效因較弱的懸浮性沒有產(chǎn)生遮蔽效應(yīng)應(yīng)l 石墨烯石墨烯材料均能夠顯著破壞藻材料均能夠顯著破壞藻細(xì)胞細(xì)胞細(xì)胞膜，細(xì)胞膜，石墨烯材料對(duì)細(xì)胞膜石墨烯材料對(duì)細(xì)胞膜的破壞程度：的破壞程度

23、：rGO G GO；rGO和和G可以通過氧化脅迫和物理損可以通過氧化脅迫和物理損傷破壞藻細(xì)胞細(xì)胞膜；傷破壞藻細(xì)胞細(xì)胞膜；GO主要通過氧化脅迫破壞主要通過氧化脅迫破壞細(xì)胞膜細(xì)胞膜l 石墨烯材料能夠吸附藻細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)液中的石墨烯材料能夠吸附藻細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)液中的營(yíng)養(yǎng)元素營(yíng)養(yǎng)元素（N、P、Mg、Ca）引起）引起養(yǎng)分耗竭養(yǎng)分耗竭，且，且養(yǎng)分耗竭程度：養(yǎng)分耗竭程度：GO rGO G；GO、rGO、G導(dǎo)致養(yǎng)分耗竭對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制分別是它們總毒性的導(dǎo)致養(yǎng)分耗竭對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制分別是它們總毒性的53%、35%和和27%首次首次研究了研究了不同石墨烯材料對(duì)藻細(xì)胞的毒性差異不同石墨烯材料對(duì)藻細(xì)胞的毒性差異，揭示揭示了石

24、墨了石墨烯烯材料能夠通過遮蔽效應(yīng)、膜損傷、養(yǎng)材料能夠通過遮蔽效應(yīng)、膜損傷、養(yǎng)分耗竭等致毒機(jī)制對(duì)藻細(xì)胞產(chǎn)生毒性，并分耗竭等致毒機(jī)制對(duì)藻細(xì)胞產(chǎn)生毒性，并對(duì)不同對(duì)不同致致毒毒機(jī)機(jī)制在制在石墨石墨烯烯材料材料對(duì)藻細(xì)胞毒性效應(yīng)中對(duì)藻細(xì)胞毒性效應(yīng)中的的貢獻(xiàn)進(jìn)貢獻(xiàn)進(jìn)行了行了定量分析定量分析揭示了石墨烯材料會(huì)吸附藻細(xì)胞培養(yǎng)液中營(yíng)養(yǎng)元素揭示了石墨烯材料會(huì)吸附藻細(xì)胞培養(yǎng)液中營(yíng)養(yǎng)元素（N、P、Mg、Ca），導(dǎo)致培養(yǎng)液養(yǎng)分耗竭，進(jìn)而，導(dǎo)致培養(yǎng)液養(yǎng)分耗竭，進(jìn)而抑制藻細(xì)胞生長(zhǎng)抑制藻細(xì)胞生長(zhǎng)l探究石墨探究石墨烯烯材料能否進(jìn)入藻細(xì)胞，材料能否進(jìn)入藻細(xì)胞，及其進(jìn)入藻細(xì)胞的方式及其進(jìn)入藻細(xì)胞的方式及機(jī)理，其進(jìn)入藻細(xì)胞細(xì)胞內(nèi)是否能

25、夠造成基因毒性仍有及機(jī)理，其進(jìn)入藻細(xì)胞細(xì)胞內(nèi)是否能夠造成基因毒性仍有待深入待深入研究研究l如果石墨烯材料可以進(jìn)入藻細(xì)胞體內(nèi)，如果石墨烯材料可以進(jìn)入藻細(xì)胞體內(nèi)，藻細(xì)胞作為水體生藻細(xì)胞作為水體生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)者，其進(jìn)入藻細(xì)胞后隨食物鏈的遷移、態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)者，其進(jìn)入藻細(xì)胞后隨食物鏈的遷移、轉(zhuǎn)化、富集情況尚不轉(zhuǎn)化、富集情況尚不明確明確，需要需要進(jìn)一步研究。進(jìn)一步研究。研究展望研究展望l 衷心感謝導(dǎo)師王震宇教授在人生道路上的指引，及在我遇到挫折時(shí)的鼓勵(lì)！l 感謝趙建老師在課題設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室工作、論文撰寫、做事準(zhǔn)則等各個(gè)方面給予我悉心指導(dǎo)和無私幫助！l 感謝鄭浩老師對(duì)我生活和學(xué)習(xí)的關(guān)心！l 感謝實(shí)驗(yàn)室

26、兄弟姐妹們一路走來的陪伴！l 感謝各位評(píng)審專家百忙中抽出時(shí)間參加我的答辯！1. 研究背景與科學(xué)問題研究背景與科學(xué)問題石墨烯（石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以）是一種由碳原子以 sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。的二維碳納米材料。氧化石墨氧化石墨烯（烯（Graphene oxide）是一是一種由石墨粉末經(jīng)化學(xué)氧化及剝離后的產(chǎn)種由石墨粉末經(jīng)化學(xué)氧化及剝離后的產(chǎn)物，是一種表面含有大量含氧官能團(tuán)的石墨烯層片。物，是一種表面含有大量含氧官能團(tuán)的石墨烯層片。還原型氧化石墨烯（還原型氧化石墨烯（reduced Graphene oxide）是一種通過氧

27、化還原法制備得）是一種通過氧化還原法制備得到的石墨烯層片，表面含有較少量含氧官能團(tuán)。到的石墨烯層片，表面含有較少量含氧官能團(tuán)。1.1 石墨烯材料簡(jiǎn)介石墨烯材料簡(jiǎn)介 Graphene Graphene oxide reduced Graphene oxide1.43 石墨烯材料毒性研究現(xiàn)狀石墨烯材料毒性研究現(xiàn)狀A(yù)khavan等研究表明還原型氧化石墨烯具有更加鋒利的邊緣，導(dǎo)致其對(duì)大腸桿菌毒性明顯強(qiáng)于氧化石墨烯對(duì)E.coil的毒性。Chng等研究表明氧化石墨烯具有的表面官能團(tuán)的量決定了氧化石墨烯對(duì)人體A549細(xì)胞毒性，表面官能團(tuán)越多，毒性越大。Pretti 等研究表明單層石墨烯因厚度較薄更易產(chǎn)生物理

28、損傷及氧化脅迫，導(dǎo)致單層石墨烯比多層石墨烯對(duì)藻細(xì)胞更易產(chǎn)生毒性。石墨烯材料?表面官能團(tuán)邊緣狀態(tài)厚度小結(jié)小結(jié)l 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)制備制備得到高品質(zhì)得到高品質(zhì)GO、rGOl GO具具有大量表面含氧官能團(tuán)，使得有大量表面含氧官能團(tuán)，使得GO具有具有較好的較好的親水親水性及水懸浮性及水懸浮性。性。 rGO和和G表面官能團(tuán)較少，因此表面官能團(tuán)較少，因此rGO和和G具有很好的疏水性，在水中懸浮性具有很好的疏水性，在水中懸浮性較差較差l rGO相比于相比于G，具有更大的比表面積，且厚度較薄，邊，具有更大的比表面積，且厚度較薄，邊緣更加鋒利緣更加鋒利l 在藻細(xì)胞培養(yǎng)液中，石墨烯材料在藻細(xì)胞培養(yǎng)液中，石墨烯材料的的表面

29、電荷減少，導(dǎo)致表面電荷減少，導(dǎo)致其其懸浮懸浮性降低，促進(jìn)了石墨烯材料的性降低，促進(jìn)了石墨烯材料的團(tuán)聚團(tuán)聚小結(jié)小結(jié)l 石墨烯材料會(huì)抑制蛋白核小球藻的生長(zhǎng)，且抑制作用具石墨烯材料會(huì)抑制蛋白核小球藻的生長(zhǎng)，且抑制作用具有一定的時(shí)間和劑量效應(yīng)有一定的時(shí)間和劑量效應(yīng)l 石墨烯材料對(duì)藻細(xì)胞的毒性效應(yīng)要明顯強(qiáng)于碳納米管和石墨烯材料對(duì)藻細(xì)胞的毒性效應(yīng)要明顯強(qiáng)于碳納米管和石墨石墨l GO, rGO, G 對(duì)蛋白核小球藻的半數(shù)效應(yīng)濃度（對(duì)蛋白核小球藻的半數(shù)效應(yīng)濃度（ EC50 ）分別為分別為37.35, 34.04 ， 62.23 mg/L小結(jié)小結(jié)l GO能夠?qū)Φ鞍缀诵∏蛟瀹a(chǎn)生遮蔽效應(yīng)，從而抑制藻細(xì)能夠?qū)Φ鞍缀诵?/p>

30、球藻產(chǎn)生遮蔽效應(yīng)，從而抑制藻細(xì)胞的生長(zhǎng)，胞的生長(zhǎng)，rGO和和G對(duì)藻細(xì)胞沒有顯著的遮蔽對(duì)藻細(xì)胞沒有顯著的遮蔽效應(yīng)效應(yīng)l GO產(chǎn)生遮蔽效應(yīng)的主要?dú)w因于其良好的懸浮產(chǎn)生遮蔽效應(yīng)的主要?dú)w因于其良好的懸浮性性及及GO-藻細(xì)胞懸浮液在藻細(xì)胞懸浮液在96 h后明顯變黑后明顯變黑， rGO和和G因其本身的因其本身的疏水性，在藻細(xì)胞培養(yǎng)液中能夠發(fā)生團(tuán)聚，而疏水性，在藻細(xì)胞培養(yǎng)液中能夠發(fā)生團(tuán)聚，而未未對(duì)藻對(duì)藻細(xì)胞細(xì)胞產(chǎn)生產(chǎn)生遮蔽遮蔽效應(yīng)效應(yīng)l GO遮蔽效應(yīng)對(duì)藻細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制是其總毒性的遮蔽效應(yīng)對(duì)藻細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制是其總毒性的17%小結(jié)小結(jié)l GO能夠?qū)Φ鞍缀诵∏蛟瀹a(chǎn)生遮蔽效應(yīng)，從而抑制藻細(xì)能夠?qū)Φ鞍缀诵∏蛟瀹a(chǎn)生遮蔽

31、效應(yīng)，從而抑制藻細(xì)胞的生長(zhǎng)，胞的生長(zhǎng)，rGO和和G對(duì)藻細(xì)胞沒有顯著的遮蔽對(duì)藻細(xì)胞沒有顯著的遮蔽效應(yīng)效應(yīng)l GO產(chǎn)生遮蔽效應(yīng)的主要?dú)w因于其良好的懸浮產(chǎn)生遮蔽效應(yīng)的主要?dú)w因于其良好的懸浮性性及及GO-藻細(xì)胞懸浮液在藻細(xì)胞懸浮液在96 h后明顯變黑后明顯變黑， rGO和和G因其本身的因其本身的疏水性，在藻細(xì)胞培養(yǎng)液中能夠發(fā)生團(tuán)聚，而疏水性，在藻細(xì)胞培養(yǎng)液中能夠發(fā)生團(tuán)聚，而未未對(duì)藻對(duì)藻細(xì)胞細(xì)胞產(chǎn)生產(chǎn)生遮蔽遮蔽效應(yīng)效應(yīng)l GO遮蔽效應(yīng)對(duì)藻細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制是其總毒性的遮蔽效應(yīng)對(duì)藻細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制是其總毒性的17%4.3.1 石墨烯材料引起養(yǎng)分耗竭程度石墨烯材料引起養(yǎng)分耗竭程度l 石墨烯材料會(huì)吸附培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)

32、物質(zhì)，導(dǎo)致養(yǎng)分耗竭，從而抑制藻細(xì)石墨烯材料會(huì)吸附培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致養(yǎng)分耗竭，從而抑制藻細(xì)胞生長(zhǎng)，胞生長(zhǎng)，GO，rGO，G導(dǎo)致養(yǎng)分耗竭對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制導(dǎo)致養(yǎng)分耗竭對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制分別分別占占它們它們總毒性的總毒性的53%，35%，27%l 充足的養(yǎng)分可以緩解石墨烯材料的毒性，表明石墨烯材料能夠引起養(yǎng)分充足的養(yǎng)分可以緩解石墨烯材料的毒性，表明石墨烯材料能夠引起養(yǎng)分耗竭，從而抑制藻細(xì)胞的生長(zhǎng)耗竭，從而抑制藻細(xì)胞的生長(zhǎng)l 石墨烯材料導(dǎo)致藻細(xì)胞養(yǎng)分耗竭程度：石墨烯材料導(dǎo)致藻細(xì)胞養(yǎng)分耗竭程度：GO rGO Gbacabc010203040506070GOrGOG Inhibition (%)53

33、%35%27%aaabbb010203040506070rGOGOGInhibition (%)nMediumnSufficient nutrition medium石墨烯材料吸附96 h后的營(yíng)養(yǎng)液對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制充足養(yǎng)分的營(yíng)養(yǎng)液對(duì)石墨烯毒性的緩解nGraphene materialsnMedium after graphene materials adsorption小結(jié)小結(jié)l 石墨烯材料能夠吸附藻細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)液中的石墨烯材料能夠吸附藻細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)液中的營(yíng)養(yǎng)元素（營(yíng)養(yǎng)元素（N, P, Ca, Mg）引起養(yǎng)分耗竭，進(jìn)而抑制藻細(xì)胞生長(zhǎng)引起養(yǎng)分耗竭，進(jìn)而抑制藻細(xì)胞生長(zhǎng)l GO，rGO，G導(dǎo)致養(yǎng)分耗竭對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制分別導(dǎo)致養(yǎng)分耗竭對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制分別是它們總毒性的是它們總毒性的53%，35%，和，和27%l 石墨烯材料導(dǎo)致藻