碳纳米材料是人工合成纳米材料的重要组成部分。近年来,随着碳纳米材料的飞速发展,已经开始了其在电化学、能源储存、细胞成像、药物运输、生物传感器等领域广范围的应用。氧化石墨烯、氧化石墨烯量子点和碳纳米管是碳纳米材料家族成员在这些领域内的佼佼者。由于碳纳米材料在各领域的广泛应用,会不可避免的在环境中暴露从而对环境造成潜在的生态安全威胁。这问题应该引起科学家们的重视,尽早对碳纳米材料暴露于环境中的生态风险进行评价,而目前这方面的工作还比较匮乏。本课题试图比较三种典型碳纳米材料对小球藻的毒性效应以评估其生态风险,并且对其纳米毒理机制进行了阐释。首先,比较了典型的氧化石墨烯和羧基化单壁碳纳米管的纳米毒性。结果表明,普通小球藻暴露于纳米材料24 h促进细胞分裂,而后在96 h后抑制细胞分裂。细胞暴露纳米材料96 h,氧化石墨烯和羧基化单壁碳纳米管细胞分裂的抑制率分别为0.08-15%和0.8-28.3%。氧化石墨烯和羧基化单壁碳纳米管都会包裹在细胞的表面,但细胞对羧基化单壁碳纳米管摄入的量是氧化石墨烯的二倍多。相比氧化石墨烯,羧基化单壁碳纳米管还能诱导细胞产生更明显的质壁分离现象、线粒体膜电位损失以及细胞通透性降低。另外,单壁碳纳米管能使细胞体内的淀粉粒和溶酶体含量增多,也能使细胞体内的活性氧的含量提高。细胞代谢组学分析显示,暴露于氧化石墨烯和羧基化单壁碳纳米管小球藻的新陈代谢与空白对照组相比具有比较显著差异。代谢物中的烷烃、赖氨酸、十八碳二烯酸和缬氨酸与细胞体内活性氧产生相关,这些代谢物可被视为活性氧新的生物标志物。纳米毒理学机制包括抑制细胞体内的脂肪酸、氨基酸和小分子酸的新陈代谢。这些发现,为探索氧化石墨烯和单壁碳纳米管对小球藻细胞的生物反应提供了理论支撑。细胞与纳米材料之间的相互作用是纳米材料基本的生物效应。但是,纳米材料尺寸大小对纳米材料对细胞包裹效应-内化作用的协同效应及代谢机制的影响还并不清楚。在此,本文选择片状氧化石墨烯和氧化石墨烯量子点作为毒性测试材料。氧化石墨烯大量地包裹在单细胞普通小球藻的表面,并使细胞的通透性降低。与之相反,小球藻暴露于氧化石墨烯量子点通过内化作用,例如,质壁分离、纳米材料的摄入、氧化应激压力增大、细胞分裂及叶绿素合成的抑制,使得细胞出现了明显的细胞质膜收缩和细胞通透性增大等生物效应。代谢结合正交偏最小二乘法分析结果表明,氨基酸代谢的变化比较明显。代谢物中异亮氨酸含量增加可能与细胞质膜的收缩相关。纳米材料对细胞分裂和叶绿素生物合成的抑制作用可能与细胞代谢物中天冬氨酸和丝氨酸减少有关。细胞线粒体膜电位损失的增加与氧化应激压力的增大可能与代谢物中亚麻酸含量增加有关。这些研究结果有助于我们理解纳米材料尺寸大小在其诱发生物效应上的作用。