石墨烯(graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料,由于其具有优良的物理化学性质,自发现以来受到广泛的关注,并且在电化学和生物医学领域以石墨烯为原材料的多种产品已经工业化生产。在生产加工和使用的过程中,石墨烯不可避免地进入到环境中,对生物产生毒性效应。石墨烯的毒性效应不仅与自身的浓度、尺寸、官能团等有关,还要考虑石墨烯与其他污染物的复合生物效应。石墨烯比表面积大,因此易吸附环境中的污染物,特别是容易通过π-π作用吸附带有苯环的有机污染物。17β-雌二醇(17β-estradiol,E2)是一种广泛存在的天然雌激素,对生物具有多种毒性效应,特别是内分泌干扰效应。在环境中,石墨烯一旦与E2共存,就可能发生复合生物效应。目前,有关石墨烯毒性效应研究中设置的石墨烯浓度远高于其环境浓度,与有机污染物的复合效应研究还处于起步阶段,有关石墨烯在环境中的毒性效应还不清楚,对其潜在的生态风险还难以评估。因此,本研究首先探究了低浓度石墨烯单独的毒性效应,选择三种石墨烯和一种碳量子点研究了对斑马鱼胚胎的发育毒性,随后选择多层石墨烯(few-layers graphene,FLG)作为石墨烯类纳米材料的代表,选择E2作为有机污染物的代表,研究它们单独和复合存在时对斑马鱼的毒性效应,最后用转录组方法全面分析了FLG和E2在单一或复合条件下引起的斑马鱼基因表达水平的变化。主要有以下三方面内容(1)首先探讨了在较低浓度范围内(<10 mg/L),不同浓度、不同尺寸和不同种类的三种石墨烯和一种碳量子点对斑马鱼胚胎的发育毒性效应,重点关注存活率、畸形率和孵化率。研究发现,这四种纳米材料在低浓度下都不会对胚胎产生显著的发育毒性,不会对胚胎的存活率造成影响,但是对胚胎的畸形率和孵化率有一定程度影响。(2)其次研究了FLG和E2在单一和复合条件下对斑马鱼仔鱼的毒性效应,重点关注致死效应,对体重、体长和肥满度的影响,以对及斑马鱼仔鱼体内卵黄蛋白原合成的影响。研究发现,环境浓度的FLG和E2在单一和复合条件下不会对仔鱼产生致死效应,也不影响仔鱼的体长、体重和肥满度。但环境浓度的E2以及FLG和E2复合污染会影响仔鱼体内卵黄蛋白原的合成。并且复合污染下,环境浓度的E2诱导斑马鱼仔鱼体内合成卵黄蛋白原的量比单一E2下的低,这可能是因为复合条件下,FLG对E2的吸附作用降低了E2的生物可利用性;FLG的加入,减弱了E2对卵黄蛋白原合成的诱导作用。(3)最后利用转录组技术从分子水平上研究了FLG和E2在单一和复合条件下,对斑马鱼仔鱼的毒性效应,重点关注差异基因的表达以及富集。通过多种分析手段分析差异表达的基因,发现低浓度的FLG和环境相关浓度的E2在单一和复合条件下都会影响仔鱼的蛋白质、脂质和糖类的合成代谢,以及免疫系统、内分泌系统和消化系统,影响仔鱼的生长发育。除此之外,FLG还会影响与呼吸作用相关的一系列基因。E2影响核糖体的结构、肽类的合成和细胞质外基质的应答通路,对性别分化有关的通路也有影响。而FLG的加入,减弱了E2对核糖体的毒性效应,增强了E2对性别分化有关通路的影响。综上所述,低浓度石墨烯和环境浓度的E2单独存在时影响水生生物的生长发育。环境浓度下的E2还对水生生物的VTG合成,核糖体结构以及性别分化产生影响。而当FLG和E2共同存在时,FLG抑制E2对卵黄蛋白原合成的诱导以及对核糖体结构的破坏,加强E2对性别分化的影响。