石墨烯因其优异的性质而得到广泛应用,且具有极强的吸附能力,能够与其它纳米材料(重金属离子或金属氧化物)相结合。进入环境中的纳米材料不会被降解,最终将可能通过各种途径汇集到海洋,对未来的海洋生态环境造成影响。为评估石墨烯对海洋环境的生态毒性效应,本研究分析了功能化石墨烯对海洋微生物生长的影响及抑制机理,以及氧化石墨烯和纳米二氧化钛的混合污染对海洋细菌的影响。本研究首先对多种常见海洋微生物的生长进行了探究,包括海杆菌(Marinobacter sp.)、盐单胞菌(HHaalomonas sp.)、交替单胞菌(Alteromonas sp.)、副溶血弧菌(Vbrio parahaemolyticus)、聚球藻(Synechococcus sp.)和红酵母(Rhodotorula sp.),同时选取枯草芽胞杆菌(·Bacillus subtilis)和大肠杆菌(Escherichia coli)分别作为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌进行参照研究。以细胞生物量和生化耗氧量作为评估功能化石墨烯对海洋微生.物影响的重要指标。研究结果显示,不同浓度(1～50 mg/L)的功能化石墨烯对海杆菌、盐单胞菌、交替单胞菌、副溶血弧菌、大肠杆菌、枯草芽胞杆菌和红酵母的生长有一定程度的抑制作用,且抑制程度与功能化石墨烯浓度呈正相关,即高浓度功能化石墨烯(50 mg/L)对上述海洋微生物的抑制作用最强;然而,低浓度(1 mg/L)功能化石墨烯对聚球藻生长有一定的促进作用,高浓度(10 mg/L和50 mg/L)的功能化石墨烯对聚球藻生长有抑制作用。为了进一步了解功能化石墨烯对海洋微生物群落的影响,通过模拟海洋生态环境条件,将功能化石墨烯分别投加到海水(50 mg/L)和海洋沉积物(50 mg/kg)中,2周后观察海洋细菌菌群动态变化。通过细菌16S rRNA基因高通量测序(High-throughput sequencing of bacterial 16S rRNA gene)来显示海洋细菌群落结构对功能化石墨烯的响应。结果显示,功能化石墨烯对海水和海洋沉积物中细菌的群落组成具有不同的影响;暴露功能化石墨烯后,海水中细菌的物种多样性和丰度降低,而沉积物中细菌的物种多样性和丰度提高。为了认识功能化石墨烯对海洋细菌的抑制机理,我们分析了其对细胞壁和细胞膜完整性的影响。结果显示,暴露于功能化石墨烯24 h后,海杆菌、盐单胞菌、交替单胞菌、副溶血弧菌、大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的细胞壁和细胞膜的完整性下降了 20%～50%;细胞形态学分析结果显示,功能化石墨烯通过穿透和包裹等方式与细菌细胞充分接触,并破坏细胞壁和细胞膜。氧化损伤检测结果显示,功能化石墨烯可以刺激海洋细菌产生过量活性氧自由基(reactive oxygen species,ROS),导致其氧化应激;遗传损伤检测结果显示,功能化石墨烯处理组中细菌胞内的遗传损伤标志物(8-羟基脱氧鸟苷)含量较对照组最大增幅可达3.72倍。可见,功能化石墨烯可引起细菌细胞氧化性DNA损伤。最后,我们探究了氧化石墨烯和纳米二氧化钛的混合污染对海洋来源枯草芽孢杆菌的影响。结果显示,这两种纳米材料混合污染对细菌的抑制效应强于同浓度下单独污染;通过t检验建立两因素交互作用模型,证明这两种纳米材料混合污染对细菌的抑制效应具有协同增效作用;通过细胞壁完整性分析、细胞膜完整性分析和氧化损伤检测进一步证明这两种纳米材料主要是通过机械损伤和氧化损伤而对细菌细胞造成损伤。综上,本研究初步揭示了石墨烯基纳米材料对海洋微生物的影响与抑制机理。研究结果为石墨烯基纳米材料的海洋生态安全性评估提供了参考。