还原石墨烯-聚丙烯纳米复合材料及其组分与陆生等足类动物Porcellio scaber（甲壳纲）的生态毒性比较

《Environmental Pollution》：Comparative Ecotoxicity of a Reduced Graphene–Polypropylene Nanocomposite and Its Components to the Terrestrial Isopod Porcellio scaber (Crustacea)

纳米复合材料生态毒性评估：聚丙烯-石墨烯氧化物复合材料的陆生异蜻毒性研究显示，添加1% rGO可使PP复合材料的亚致死应激反应增强，而10%浓度下 c? hai v?t li?u ??u gay ??c tính nh? nh?ng khác bi?t v?血细胞特征。自由rGO在1%浓度下诱导高毒性，影响生存和蜕皮。研究证实聚合物基体可部分缓解纳米填料毒性，但需全面评估纳米复合材料的环境风险。

　　

Sara Novak | Andra? Dolar | Tina Petri?i? | Valentina Perc | Julio Gomez | Elvira Villaro | Monica Martinez-Junquera | Carlota Eguiluz García | Mateja ?tefan?i? | Damjana Drobne

卢布尔雅那大学，生物技术学院，Ve?na pot 111，卢布尔雅那，斯洛文尼亚

摘要

由于石墨烯相关纳米材料的独特性质，石墨烯增强型聚合物复合材料受到了越来越多的关注。然而，与传统聚合物相比，它们对环境的影响（尤其是作为微塑料和纳米塑料的来源）仍然研究不足。因此，需要对先进的聚合物纳米复合材料进行全面的环境风险评估。本研究采用多生物标志物方法评估了还原氧化石墨烯增强聚丙烯（PP-rGO）的毒性，重点关注rGO如何改变聚丙烯（PP）的生态毒性特征。

陆生等足类动物被暴露在含有1%和10%（重量比）PP和PP-rGO纳米颗粒的土壤中，以及单独含有0.1%和1%（重量比）还原氧化石墨烯（rGO）的土壤中。最低测试浓度代表了土壤中具有环境意义的纳米颗粒水平，而最高浓度则反映了最坏情况。通过监测存活率、体重变化和蜕皮频率来评估生物体水平的毒性。在分离的等足类动物血淋巴中，使用细胞和生化生物标志物（包括血细胞计数、血细胞活力和酚氧化酶样活性）来评估亚致死应激反应。此外，还评估了整个动物匀浆中的电子传输系统活性、谷胱甘肽S-转移酶活性和乙酰胆碱酯酶活性。在1%的浓度下，PP-rGO引发了亚致死应激，但未影响存活率；在10%的浓度下，它表现出低毒性并改变了血细胞特征。单独的PP仅在10%的浓度下引起应激。将rGO嵌入聚合物基质中可以降低其毒性，但仍增强了PP的效果。这些发现突显了对纳米复合材料进行彻底环境风险评估的必要性。

引言

鉴于新聚合物结构的采用速度较慢，提高塑料性能越来越依赖于工程方法、聚合物混合物和纳米材料等创新添加剂[1]、[2]、[3]。聚合物纳米复合材料现在正在推动生物医学工程、航空航天、能源和汽车等行业的发展[4]、[5]。即使在低添加量下，纳米添加剂也能显著提高机械强度、热稳定性和电导率[5]、[6]。

通常用于聚合物纳米复合材料的纳米材料包括石墨烯或氧化石墨烯纳米片、硅酸盐和炭黑[4]、[7]、[8]、[9]。石墨烯家族纳米材料（GFM）在改善聚合物性能方面具有巨大潜力，这类复合材料被认为是塑料行业的未来主流材料。GFM可以显著提高塑料材料的强度和刚性，使其更加耐用并抵抗机械应力。它们还能提高热导率，使塑料更好地散热，这在电子和汽车应用中特别有用。此外，GFM还能提高电导率，使塑料适用于先进电子设备。这些纳米材料还有助于提高阻隔性能，减少气体和水分的渗透，这对包装应用非常有益[10]。过去五年中，全球研究人员对石墨烯在塑料行业的应用给予了大量关注，大约有400项专利和已发表的应用案例，且这一趋势仍在上升[11]。

近年来，由于其出色的性能（如化学耐受性、刚性、耐热性、成本效益和易于加工），聚丙烯（PP）已成为使用最广泛的聚合物之一。其广泛应用包括消费品、汽车部件和医疗设备[4]、[12]、[13]、[14]、[15]。通过共聚、添加剂改性和纳米复合技术，可以进一步增强聚丙烯的性能[4]、[13]、[16]。不同PP纳米复合材料的开发带来了出色的机械性能以及优异的电导率和热导率，为各种创新应用铺平了道路。

石墨烯增强型聚丙烯是聚合物纳米复合材料中的一个有前景的创新[4]。将石墨烯纳米片掺入PP基质中可以显著提高其机械性能（如拉伸强度和弯曲强度），以及热导率和稳定性。这些改进使得石墨烯增强型PP适用于汽车、航空航天和建筑等高性能应用。有许多不同的应用可以从这种复合材料中受益，包括柔性包装、刚性包装、瓶子、塑料家具等[17]。例如，研究表明，将石墨烯纳米片添加到PP中可以将拉伸强度提高250%以上，弯曲强度提高240%以上[4]。此外，添加石墨烯添加剂通过减少达到所需性能水平所需的原始聚丙烯量来提高可持续性，从而减少环境影响。石墨烯增强还被认为是一种多功能添加剂，可以提高材料的耐用性和性能，从而减少更换频率和总体废物产生[18]。石墨烯增强型回收PP有潜力通过延长塑料产品的生命周期和促进材料再利用来为循环经济做出贡献。这有助于减少废物和节约资源[18]、[19]。这与“先进材料2030计划”（AMI2030）的目标一致[20]，该计划强调开发对环境影响较小的创新材料，并大力支持循环经济原则。为此，新材料的创新必须符合安全和可持续性标准，先进的复合材料也需要证明其环保性[21]。

随着人们对日常生活中和自然生态系统中微塑料和纳米塑料（MNPs）普遍存在的认识日益增强，对其生态毒性的研究也变得越来越重要。然而，与传统塑料聚合物相比，关于纳米复合材料作为MNPs来源的具体影响的研究仍相对较少。根据目前关于微塑料和纳米塑料对人体和环境健康的认识，从复合材料中释放的颗粒带来的风险较低。然而，在纳米复合材料中，潜在的危害与暴露于纯纳米材料的形式有关。Froggett等人[22]对不同条件下固体纳米复合材料释放的碎片进行了全面综述，他们发现释放的碎片包含四种类型：仅含有基体的颗粒；部分或完全嵌入基体的纳米材料颗粒；完全从基体中分离出来的纳米材料；以及溶解的离子形式的添加纳米材料。Romeo等人[23]回顾了炭黑、碳纳米管和石墨烯相关材料在聚合物复合材料中的碎片释放情况，并概述了这些碎片对环境和人类健康的影响。

作者报告称，已发表的科学论文主要集中在体外研究上，而关于纳米复合材料的生态毒性研究非常罕见。为了填补这一空白，我们使用了陆生等足类动物（这是陆地生态毒性研究中常用的模式生物[24]、[25]、[26]、[27]）来测试还原氧化石墨烯增强聚丙烯颗粒的毒性。在我们之前关于来自不同化学聚合物的微塑料和纳米塑料的生态毒性效应的研究中，我们发现这些颗粒在实验室条件下并未显著影响测试生物的进食或存活率，表明其危害较低。然而，它们可能会引发短暂的应激反应，这也表明生态上的担忧有限[26]、[27]。

聚丙烯（PP）微粒和纳米颗粒通常被认为具有较低的生态毒性，尽管它们仍可能引起暴露生物的应激反应[28]、[29]、[30]。相比之下，GFM材料的毒性已被广泛研究，并与横向尺寸、表面结构、功能化和蛋白质吸附能力等因素相关[31]。大量的毒性研究表明GFM对人类健康和环境具有危害[32]、[33]。Jaworski等人的研究[34]进一步表明，原始石墨烯和氧化石墨烯之间的毒性差异不仅取决于它们的内在性质，还取决于所使用的测试模型，这突显了使用相同测试生物生成比较生态毒性数据的必要性。

本研究的目的是使用陆生等足类动物作为模型测试生物，提供还原氧化石墨烯-聚丙烯（PP-rGO）纳米复合材料颗粒、无添加剂聚丙烯（PP）颗粒和单独的还原氧化石墨烯颗粒（rGO）的比较生态毒性数据。在土壤中暴露14天后，我们分析了生物体水平以及分离的血淋巴和匀浆动物的一系列应激相关反应和毒性生物标志物。我们根据毒性潜力对观察到的效应进行了评分和排序。这种方法为纳米复合材料的环境风险评估和未来材料安全评估提供了坚实的基础。

还原氧化石墨烯的制备

氧化石墨烯（GO）是在AVANZARE使用Hummers方法的改进版本[35]从天然石墨粉中合成的，如先前所述[36]。合成过程包括对石墨进行氧化和膨胀以获得GO。为了化学还原，将10克GO分散在1.75升蒸馏水中。加入8.75克抗坏血酸作为还原剂，混合物在常压下回流48小时。反应后，过滤固体并...

测试材料的形状和尺寸观察

研磨后，将PP和PP-rGO材料转移到SEM支架上进行检查，同时也对rGO进行了成像。在低放大倍数下，从显微照片中估计了研磨片段的近似尺寸。观察到研磨材料的尺寸范围很广，长度从大约10微米到1000微米不等（图S1）。

颗粒尺寸分布（PSD）

PSD结果总结在表1中，以通过直径的百分位数表示，即< />₁₀、d₅₀和d₉₀（微米），表示10%、50%和90%的颗粒直径。

讨论

本研究首次使用陆生等足类动物作为模型生物，评估了聚丙烯-还原氧化石墨烯（PP-rGO）纳米复合材料的生态毒性。实验证据表明，虽然纯PP仅在环境不现实的浓度（10%）下引发了应激相关反应，但添加rGO后其毒性增加。值得注意的是，PP-rGO复合材料在低暴露水平（1%）下就引发了应激反应，在10%的浓度下效应更为明显。

结论

结合生物体水平终点、细胞反应和生化应激生物标志物的多生物标志物方法能够有效地对测试材料的毒性潜力进行排名，为评估塑料行业中的新兴添加剂提供了宝贵的见解。在本研究中，评分框架使我们能够区分不良效应和应激相关反应。我们提供的证据表明，即使在没有添加任何添加剂的情况下，聚丙烯（PP）颗粒也仅表现出应激相关反应。

CRediT作者贡献声明

Carlota Eguiluz： 数据管理。 Mateja ?tefan?i?： 写作——审稿与编辑、方法学、数据管理。 Mónica Martinez： 写作——审稿与编辑。 Julio Gomez： 资源、方法学。 Elvira Villaro： 写作——审稿与编辑、资源、方法学。 Tina Petri?i?： 写作——审稿与编辑、初稿写作、方法学。 Valentina Perc： 写作——审稿与编辑。 Sara Novak： 写作——审稿与编辑、初稿写作、方法学、研究、数据管理。

未引用的参考文献

[42], [43]。

数据可用性

数据将应要求提供。

资金来源

这项工作得到了“综合动物学和洞穴生物学”研究计划（授权号P1-0184）的支持。AVANZARE的工作得到了欧盟“Horizon Europe”计划“REPOXYBLE”（授权协议101091891）的支持。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。