石墨烯自问世以来由于其非凡的特性迅速引起了科学界和工业界的关注,越来越多基于石墨烯的科学研究见诸报道,越来越多的石墨烯转化为商品应用到人类生产和生活中来。因此,石墨烯不可避免地会通过多种途径进入到环境当中,对生态系统中的各种生物造成影响。所以我们需要对石墨烯进行生态风险评估,以确保其能安全使用。目前在石墨烯对陆生植物的研究中,已有相当多的研究成果刷新了我们的认知,不过主要集中在毒性研究上,而对于污染物生态风险评估的另外重要一环暴露评估,即富集分布行为评估还鲜有报道。造成这一局面的原因主要是石墨烯无法在生物样品中精确定量,于是我们发展出一种以14C标记石墨烯的方法,可以非常准确地定量石墨烯在植物中的数量,以达到追踪其在植物体内变化的目的。本研究以此方法为基础,深入探索了少层石墨烯(FLG)在典型作物水稻植株体内随时间变化的富集、分布、净化和转化的规律。本文主要研究内容和结果如下:(1)14C标记的石墨烯(14C-FLG)对水稻植株进行水培暴露。共三组实验:FLG 暴露组(50,100,250,500μg/L);FLG-NOM 暴露组(50,100,250,500μg/L FLG;10mg/LNOM);对照组(纯营养液;1Omg/LNOM)。暴露时间21d。结果显示FLG能被水稻的根部摄入,再转移至茎叶。FLG的根部富集量在第7天达到最大值约700μg/g,随后开始下降,21d时减少到峰值的50%。相反NOM参与时,根部富集量一直是上升趋势,7d时只有FLG暴露组的1/7。根据对营养液EPM的检测,发现NOM使FLG多带了 1倍负电。由于根也带负电故认为是由于静电力使得FLG-NOM更难与根相互作用。FLG在茎叶中的富集规律也类似于根,7d的峰值是53.7μg/g,是同期NOM暴露组的35倍。从转移系数TF来看FLG从根到茎叶的转移速度也要快于FLG-NOM,不过两种处理下TF都小于0.2。在无NOM条件下,就FLG积累总量而言,根部总量仍然在7d最大,而茎叶总量在14d才达到最大其后减少,说明水稻植株对FLG存在清除机制。(2)本文在富集分布的基础上进一步深入探索FLG在水稻亚细胞水平上的分布规律。利用差速离心法将茎和叶分离成F1细胞壁、F2叶绿体、F3细胞核、F4线粒体、F5可溶性部分五个亚细胞组分。以富集实验相同培养方式,250μg/L FLG的浓度暴露21天后,发现FLG主要集中在F1细胞壁和F2叶绿体中,且叶绿体中FLG随时间减少,而NOM存在时FLG随时间增多。为了评估差速离心法中离心对细胞器和FLG可能产生的影响,设置了相关控制实验,首先发现离心过程中FLG不会影响亚细胞的分离,其次FLG对细胞器的计算吸附量是总量的2.4-5.4%,而实际吸附量是2.5-4.9%,两者有可比性,说明差速离心法在评估FLG在茎叶亚细胞水平上的分布是可行的。所以基于此,在第7天时,FLG分别有32.4%、43.8%和17.5%富集在细胞壁、叶绿体以及细胞核,除去方法中存在的吸附量,可以认为富集的FLG会滞留在细胞壁上,并进入叶绿体和细胞核中。为了进一步佐证FLG进入了以上亚细胞组分,我们运用TEM和拉曼光谱对F1细胞壁和F2叶绿体中的FLG进行了定性。结果都发现了石墨烯典型的六元环电子衍射图样和D、G峰拉曼光谱。通过以上研究,我们认为FLG在水稻体内发生了排泄或转化作用,从而随时间而减少了。(3)本文在认识到FLG在水稻体内富集后可能发生了净化行为,于是设计了净化实验、收集植物转化产物的实验以及体外模拟转化的实验。对水稻植株先暴露7天再用营养液净化的实验显示经过14天净化后,植株中FLG富集量随时间减少,同时营养液中检测到了 FLG,但植株减少量要高出营养液增加量6%,说明FLG发生了转化。为了检测转化产物,将暴露装置和植物共同置于封闭盒中一段时间,利用GC定性盒内气体,结果显示CO2含量异常高,同时对照实验证明了转化过程不发生在根部。在对盒内气体定量后发现其总量占9%与水培净化实验中失衡的6%基本吻合。所以可以认为FLG在水稻叶片中被降解为CO2。值得一提的是NOM一直扮演着“抑制剂”的角色。随后进行的体外模拟光化学实验则发现了 FLG降解的机理,证明FLG富集的叶片中产生的自由基OH·使FLG发生代谢,而NOM抑制了 OH·的而产生。最后的土培净化实验中,也发现了类似于水培净化的规律:茎叶中FLG含量快速下降,30天就降为0 了;土壤中也检测到了部分FLG;更多的FLG“消失”了;NOM参与时FLG含量降低速度变慢。另外在对暴露组水稻成熟后收割的种子进行定量时,并没有检测到FLG,说明FLG不会在水稻中代际传递。这对将来农业食品安全和水稻安全防护具有有重要意义。