A crescente preocupação da comunidade científica e das agências reguladoras sobre os potenciais impactos dos nanomateriais na saúde humana e ambiental, especialmente devido à expansão da nanotecnologia na indústria, tem motivado diversas pesquisas nesta área. Vários fatores, como a modificação dos nanomateriais no ambiente através de processos de dissolução, agregação, formação de coronas biomoleculares e interações com outros compostos químicos (por exemplo, poluentes orgânicos e inorgânicos) são determinantes na toxicidade dos nanomateriais. Nesse contexto, o principal objetivo desta tese foi desenvolver uma abordagem inovadora integrando metodologias experimentais e teóricas para entender as interações entre o óxido de grafeno (GO) e poluentes orgânicos comumente encontrados no ambiente, e os impactos dessas interações na ecotoxicidade do nanomaterial considerando cenários de co-exposição (toxicidade de misturas). Assim, utilizando abordagens computacionais, como Teoria do Funcional da Densidade, Dinâmica Molecular e Modelagem Coarse-grained, estudamos as interações entre GO, matéria orgânica natural (ácido tânico) e poluentes orgânicos (atrazina) em escala atômica e molecular. Juntamente com o conhecimento obtido pelas simulações computacionais, realizamos experimentos biológicos com os organismos modelo C. elegans e Danio rerio. Considerando o feedback entre ambas as abordagens, avançamos na compreensão dos mecanismos envolvidos na nanoecotoxicidade do GO no ambiente em relação aos cenários de co-exposição com poluentes clássicos. Os resultados desta tese apoiarão os estudos de avaliação de risco sobre nanomateriais, bem como as futuras aplicações do GO em nanotecnologia ambiental.