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氧化石墨烯与关键核素/重金属的复合环境行为和生物毒性

3、环境科学 > 专题7：关键核素与重金属的环境微界面过程及效应

氧化石墨烯（GO）纳米材料由于较大的比表面积和丰富的表面官能团（羟基、羧基和环氧基）被广泛的应用于环境污染处理，因此GO纳米材料结合放射性核素污染物之后对环境的潜在威胁越来越大。本工作从实验、表征和理论计算三个方面对不同价态核素(Cs+、Sr2+、UO22+、Eu3+和 Th4+)诱导的GO纳米材料团聚和形貌转变机理进行了深入的研究。通过动态光散射(TR-DLS)研究了不同价态核素对GO的去稳定能力并获得临界团聚浓度(CCC)。通过分散剂聚丙烯酸(PAA)的分散和再分散实验，可以明显的区分一价与多价核素阳离子的诱导机理。通过高分辨透射电镜(TEM-Mapping)发现，一价核素阳离子在GO团聚体上是非均匀分布的，而多价核素阳离子是均匀分布的。进一步，通过密度泛函理论计算(DFT)研究了不同价态核素与GO之间的相互作用和团聚机理。通过研究，我们发现一价核素阳离子主要通过双电子层抑制诱导GO团聚，不均匀地分布在团聚体上。而多价核素阳离子可以穿透双电子层抑制与GO结合，均匀的分布在团聚体上，提高GO的表面电势从而更有效的诱导GO团聚。通过一个综合的实验-表征-理论研究过程，本研究可以更好地理解纳米材料的胶体行为、环境风险、自组装过程以及吸附应用并可以用于评估纳米材料用于放射性核素污染治理后的应用安全性。
为了建立GO与二价重金属（Me(II)）之间表面吸附、胶体稳定性以及联合毒性三者之间的关联关系，我们开展了GO和细菌对Me(II)（如Cd2+、Co2+和Zn2+）吸附亲和性、Me(II)对GO去稳能力以及GO与Me(II)对革兰氏阴性大肠杆菌（E. coli）和革兰氏阳性金黄葡萄球菌（S. aureus）的联合毒性等相关研究。结果显示Me(II)对GO的去稳能力与GO对Me(II) 的吸附亲和性是一致的，并且与离子半径正相关，与Me(II)水合层厚度负相关。而且细菌对Me(II)的吸附亲和性与Me(II)的毒性负相关。引起GO和Me(II)联合毒性降低的可能原因如下：（1）GO通过吸附降低自由Me(II)离子的浓度；（2）Me(II)通过络合改变GO聚集体的尺寸和边缘锐利度；（3）GO将与Me(II)竞争细胞膜受体结合位；（4）GO-Me(II)络合物不能被细菌摄取；（5）Me(II)会改变GO和细菌的表面性质，最终影响GO与细菌之间的相互作用。这一发现对于评估GO作为重金属离子载体后的生态风险具有重要意义。