石墨烯因其优异性能在能源、医疗等领域广泛应用，但其环境行为与毒性效应尚不明确。尤其在水体环境中，天然有机物（如腐殖酸）与石墨烯的相互作用可能显著改变其生态毒性，而相关机制长期缺乏系统性研究，成为制约纳米材料安全应用的关键瓶颈。
针对上述科学问题，广东省科学院生态环境与土壤研究所流域水环境整治绿色技术与装备（院士）团队联合美国麻省大学邢宝山教授团队通过多组学联合分析技术（蛋白质组学、代谢组学）和分子动力学模拟，首次揭示了腐殖酸吸附对石墨烯增强芽孢杆菌毒性的分子机制，为纳米材料环境风险评估提供了新理论依据。
本研究突破了传统“活性氧中心论”的毒性评估框架，创新性提出“界面物理损伤-代谢联合抑制”的双重毒性机制模型，为纳米材料的生态安全应用开辟了新路径。研究发现，腐殖酸浓度（1-20 mg/L）与石墨烯毒性强度存在显著定量关联，据此构建的预测模型可精准评估天然水体中纳米材料的生态风险等级；同时揭示材料表面电位（-15 mV至-10 mV）是调控毒性的关键参数，为设计低环境风险的功能化纳米材料提供了明确优化方向。此外，基于细菌膜结构差异（如革兰氏阴性菌外膜屏障、球状菌曲率效应等），该机制模型可指导开发靶向性纳米抗菌剂，通过特异性破坏致病菌膜结构实现精准治理，从而大幅减少广谱毒性引发的非目标生物损伤与生态失衡问题。
石墨烯纳米片（GNSs）与腐殖酸修饰石墨烯纳米片（GNSs-HA）暴露诱导细菌毒性的作用机制示意图
以上成果发表在权威期刊Nature Communications上。广东省科学院生态环境与土壤研究所张雪娇副研究员、曾金博士为论文共同第一作者，赵青研究员、吴丰昌院士与邢宝山教授为共同通讯作者。研究获得国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究重大项目、国家重点研发计划等资助。
论文信息：Xuejiao Zhang1, Jin Zeng1, Jason C. White, Fangbai Li, Zhiqiang Xiong, Siyu Zhang, Yuze Xu, Jingjing Yang,Weihao Tang, Qing Zhao*, Fengchang Wu* & Baoshan Xing *,Mechanistic evaluation of enhanced graphene toxicity to Bacillus induced by humic acid adsorption,Nature Communications.2025,16,184.
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-55270-2
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