浙江大学汪海燕团队STOTEN｜还原氧化石墨烯纳米材料对14C-三氯生在土壤中降解转化的影响

文章信息

Effects of reduced graphene oxide nanomaterials on transformation of 14C-triclosan in soils

第一作者：聂恩光 博士
通讯作者：汪海燕 教授
通讯单位：浙江大学

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.173858

亮点

• RGO显著降低了土壤中三氯生的矿化，同时促进了结合态残留形成。
• RGO（500 mg kg-1）明显延长了三氯生在土壤中的降解半减期。
• 与粉质壤土相比，RGO更大程度地抑制了三氯生在粉质粘壤土中的降解。
• RGO延缓了产物甲基三氯生和三氯生脱氯二聚体的形成。
• RGO通过吸附作用和降低降解菌活性抑制三氯生的降解。

研究进展

随着石墨烯纳米材料、医药和个人护理产品（PPCPs）的大量使用，它们必然进入到土壤环境中，从而导致较高的生态风险。然而，石墨烯对土壤中PPCPs环境行为的影响及其机制鲜见报道。综合利用同位素示踪技术和现代仪器分析技术，本研究揭示了还原氧化石墨烯纳米材料（RGO）对两种典型土壤（S1：粉质壤土；S2：粉质粘壤土）中三氯生环境行为的影响及可能的机制，发现RGO存在延长了三氯生在土壤中的降解半减期，阻碍了甲基三氯生和三氯生脱氯二聚体等转化产物的生成；抑制了三氯生在土壤中的CO2矿化进程，显著增加了其与土壤形成结合态残留的量。RGO还降低了土壤中三氯生降解菌（假单胞菌和鞘氨醇单胞菌）的相对丰度。此外，DFT计算表明三氯生在RGO上的吸附与范德华力和π-π相互作用密切相关。这些结果揭示了RGO通过在土壤中对三氯生的强吸附作用和降低三氯生降解菌的活性来抑制其在土壤中的转化（图1）。因此，RGO可能会增加三氯生在土壤中的持久性，进而影响其环境风险。

图1 图文摘要

RGO对土壤中14C-三氯生的可提态残留（ER）、结合态残留（BR）和矿化（MI）的影响见图2a-f。RGO-500处理土壤中的ER显著增加（p<0.05），而在整个培养过程中，CK、RGO-50和RGO-100处理之间的土壤ER没有显著差异（p>0.05）。培养112 d时，RGO（500mg kg-1）能显著提高土壤中三氯生的BR，增加量分别为56.4%（S1）和54.2%（S2）。其中S2中总BR高于S1，这可能是由于S2中有更多的黏粒。此外，随着土壤中RGO浓度的增加，三氯生的矿化度呈现下降的变化趋势。相较对照组，RGO-500中14C-三氯生的矿化在112 d时分别减少了48.2%（S1）和79.3%（S2）（p<0.05）。同时，RGO改变了土壤中三氯生的消减。三氯生的消减规律符合一阶动力学方程（Ct=C0·exp（-λ·t））（R2>0.96）（图2g-n）。S1中三氯生的降解半衰期（t1/2）从23.0 d延长到28.4 d（RGO-500），在S2从27.2 d延长到41.1 d（RGO-500）。经过HPLC-QTOF-MS-LSC分析，甲基三氯生和三氯生脱氯二聚体为三氯生的代谢产物，进一步研究发现RGO延缓了代谢产物的形成。这些结果表明RGO显著改变了土壤中三氯生的赋存形态，抑制了其在两种土壤中的降解。与粉质壤土（S1）相比，RGO更大程度地抑制了三氯生在粉质粘壤土（S2）中的降解。

图2 RGO共存下S1（a）和S2（d）中14C-三氯生的可提取残留量（ER）占引入量的百分比随时间的变化趋势。RGO共存下的S1（b）和S2（e）中14C-三氯生的结合残留量（BR）占引入量的百分比随时间的变化趋势。RGO共存下的S1（c）和S2（f）中14C-三氯生的矿化量（MI）占引入量的百分比随时间的变化趋势。浓度为0 mg kg-1（g）、50 mg kg-1（h）、100 mg kg-1（i）和500 mg kg-1（j）RGO共存下S1中14C-三氯生残留量占引入量的百分比随时间的变化趋势。浓度为0 mg kg-1（k）、50 mg kg-1（l）、100 mg kg-1（m）和500 mg kg-1（n）RGO共存下S2中14C-三氯生残留量占引入量的百分比随时间的变化趋势（n=3）。

为了进一步探究RGO对三氯生的环境行为的影响机制，我们对三氯生与石墨烯的吸附作用（水体和土壤）展开了研究（图3）。水体中，随着RGO浓度从5 mg L-1增加至50 mg L-1，14C-三氯生的吸附率逐渐增加。当RGO浓度为50-1000 mg L-1时，超过90%的14C-三氯生可被吸附（图3a）。在pH 2.0–8.0时，三氯生在RGO上的吸附量为65-70%，而从pH 8.0到12.0，其吸附百分比急剧下降了36.0%（图3b）。离子强度（Na+、Ca2+和Al3+）对RGO对三氯生的吸附几乎没有影响（图3d）。土壤中，随着RGO的浓度从10 mg kg-1增加到1000 mg kg-1，14C-三氯生的吸附量逐渐增加；然而，土壤中10-50和500-1000 mg kg-1浓度的RGO对14C-三氯生的吸附量影响较小。此外，基于RGO和土壤的不同密度，从RGO-500（112 d）分离出RGO-土壤和低含量RGO土壤，发现RGO-土壤对14C的吸附量显著高于低含量RGO土壤（图3c和3f），说明土壤中三氯生更易吸附在石墨烯表面。除去土壤基质的干扰，通过DFT理论计算进一步阐明了RGO与三氯生的相互作用机理。三氯生中醚键的柔性有助于调节分子取向以获得最佳位置，由此三氯生在RGO上吸附的最稳定结构如图所示（图3g）。经计算，RGO对三氯生的吸附能为19.9 kcal mol-1，在π-π相互作用的范围内（2.30-28.8 kcal mol-1）。经过电子定位函数（ELF）和约化密度梯度（RDG）的分析可知，三氯生和RGO之间的主要相互作用是范德华力（图3h-j）。同时，在系统的π-电子轨道的等值面中观察到了π-π共轭相互作用（图3k）。因此，范德华力和π-π共轭相互作用在三氯生/RGO相互作用系统中起着至关重要的作用。以上研究结果表明，土壤中三氯生与石墨烯可能存在强吸附作用，进而影响三氯生在土壤中的环境行为。

图3 （a）水体中三氯生的吸附量随RGO浓度的变化趋势；水体中pH（b）和Na+、Ca2+、Al3+离子强度（d）对三氯生在RGO上的吸附量的影响；（e）RGO浓度对S1和S2中三氯生吸附量的影响；S1（c）和S2（f）中RGO-500样品（112 d）中土壤和RGO-土壤中的14C三氯生浓度（n=3）；（g）三氯生与RGO吸附的最佳几何结构；（h）RGO吸附三氯生的二维电子定位函数（ELF）图；约化密度梯度分析（RDG）散点图（i）和三氯生在RGO上吸附的彩色等值面（j），蓝色、绿色和红色分别表示强吸引力（例如氢键）、范德华相互作用和强排斥力；（k）RGO吸附三氯生的π-电子轨道等值面图。

细菌是PPCPS在土壤中降解的主要影响因素。我们推测RGO可能会通过改变土壤细菌组成来影响三氯生的降解。为了验证这一假设，本研究进一步分析了RGO对土壤细菌群落结构的影响（图4）。研究发现RGO（500 mg kg-1）降低了土壤细菌Chao 1值（图4b和4c），S2中control、RGO-50、RGO-100和RGO-500的Chao 1值分别为2259、2114、1773和1569（112 d）；与粉质壤土（S1）相比，RGO更大程度地减少了粉质粘壤土（S2）中的细菌种类。与对照组相比，RGO引入土壤后，一些细菌属的丰度下降，如假单胞菌、鞘氨醇单胞菌和芽孢杆菌等。然而，也会增加一些细菌属的丰度，如溶杆菌和类诺卡氏菌（图4a和4d）。前期调研发现假单胞菌和鞘氨醇单胞菌能够降解三氯生。因此，分析了112 d后土壤中假单胞菌和鞘氨醇单胞菌的相对丰度（图4e-h），发现RGO（尤其是500 mg kg-1）降低了土壤中假单孢菌和鞘氨醇多胞菌的相关丰度，如对照组中的鞘氨醇单胞菌丰度为9.9%，而在RGO-500中仅为1.3%。因此，RGO可能通过降低土壤中三氯生降解细菌的活性来抑制三氯生的降解和矿化。

图4 S1（a）和S2（d）中细菌（属）的相对丰度（%）；培养0、14、35、63和112 d时S1（b）和S2（c）中处理组与对照组中的细菌物种多样性Chao1值；S1（e）和S2（f）中假单胞菌的相对丰度（%）（112 d）；S1（g）和S2（h）中鞘氨醇单胞菌的相对丰度（%）（112 d）。

本研究揭示了RGO主要通过两种途径影响14C-三氯生在土壤中的赋存形态、降解和转化：（1）RGO通过强吸附作用降低三氯生的生物利用度；（2）RGO降低三氯生降解菌的丰度，抑制土壤细菌对三氯生的转化。因此，RGO的存在可能会增加三氯生在土壤环境中的持久性。这项工作的结果可为理解石墨烯纳米材料共存下研究三氯生和其他PPCPs的环境行为提供理论基础，进而评估石墨烯纳米材料的环境风险。

作者介绍

聂恩光，博士，扬州大学生物科学与技术学院青年百人，硕士生导师，担任中国原子能农学会理事、同位素示踪专业委员会委员，江苏省原子能农学会监事，国际期刊Biology特刊编辑。主要从事环境生物学、“核与非核”融合技术与生态环境健康、农用化学品与环境污染物的代谢转化与污染演变规律的研究。主持国家基金青年项目1项，作为项目骨干参与多项国家重点研发计划子课题、国家基金面上项目与省部级项目的工作，在J Hazard Mater、Environ Pollut、Sci Total Environ等国际学术期刊发表SCI论文10余篇，授权发明专利1项。

汪海燕，教授，浙江大学理学博士、教授、博士生导师，担任农业农村部核农学重点开放实验室副主任，原子核农业科学研究所所长，兼任中国原子能农学会副理事长、同位素示踪专业委员会主任、《核农学报》副主编、Biology编委、《同位素》杂志编委、Frontiers in Environmental Science客座编辑等。主要从事外源化学物质（农药、微/纳塑料、药品与个人护理品等环境热点有机污染物）在农业生态系统中的迁移转化与归趋、代谢降解、环境暴露与健康研究。迄今承担国家自然科学基金项目、重点研发计划子课题、科技支撑计划子课题、863子课题、转基因重大专项子项目、浙江省核农学产业创新团队子项目等20余项科研项目，在Trends in Food Sci Tech、Environ Intl、J Hazard Mater、Environ Pollut、Sci Total Environ、Chemosphere、J Agri Food Chem和《核农学报》等国内外学术期刊发表80余篇文章，主参编英文专著2部，被引达2700余次，HI指数为20；申请发明专利11项，授权专利6项，其中美国专利1项。

通讯邮箱：wanghaiyan@zju.edu.cn