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纳米颗粒/微生物复合体的咔唑降解性能和纳米毒性研究

【摘要】:纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。处于纳米尺度下的物质,表现出小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等与传统材料迥然不同的性质。基于纳米材料的独特性质,相应发展起来的纳米技术已经在各个领域得到广泛的应用。其中,以纳米材料为载体的微生物固定化技术在环境污染物生物修复领域的应用受到越来越多的关注。然而,纳米材料的普遍使用使其不可避免地进入外部环境中,加之本身易于扩散、难回收等特点导致纳米材料的安全问题日益突出。以各种形式进入大气、土壤、水体环境中的纳米材料首先会作用于微生物,进而通过食物链影响其他生物体和生态环境的平衡,对人类健康和生态系统带来巨大的威胁。本文以实验室筛选得到的一株有机污染物咔唑高效降解菌Sphingomonassp.XLDN2-5为模式生物。以化学共沉淀法制备了具有超顺磁性的Fe3O4纳米颗粒。以Fe3O4纳米颗粒为固定化载体材料成功构建了微生物细胞/Fe3O4纳米颗粒复合体。首先考察了外加碳源对微生物细胞/Fe3O4纳米颗粒复合体的咔唑降解性能影响,结果表明,游离细胞和微生物细胞/Fe3O4纳米颗粒复合体的咔唑降解性能随着外加葡萄糖浓度的增大先升高后降低,5 g/L为最佳外加葡萄糖浓度。然后考察了咔唑初始投加量对游离细胞和微生物细胞/Fe3O4纳米颗粒复合体降解性能的影响,结果表明,随着降解体系中的咔唑初始投加量增加,游离细胞与微生物细胞/Fe3O4纳米颗粒复合体的咔唑残留率随之升高,二者表现出基本一致的降解能力。固定时间优化实验结果表明,分别经过2、4、6 h固定培养后构建的微生物细胞/Fe3O4纳米颗粒复合体都能在9 h内将3500μg咔唑降解完全,但是随着固定时间的延长,降解过程中微生物细胞/Fe3O4纳米颗粒复合体的降解性能表现出明显的下降趋势。另外,考察了不同微生物细胞与Fe3O4纳米颗粒固定比例对微生物细胞/Fe3O4纳米颗粒复合体的降解性能的影响,随着固定比例升高即Fe3O4纳米颗粒的浓度增大,微生物细胞/Fe3O4纳米颗粒复合体的降解活性逐渐降低,微生物细胞与纳米颗粒质量比例达到1:4和1:5时,微生物细胞/Fe304纳米颗粒复合体基本上失去了咔唑降解活性,这表明Fe3O4纳米颗粒对Sphingomonas sp.XLDN2-5的降解活性具有一定的抑制或毒性作用。在上述实验基础上,我们选取了四种纳米材料即Fe3O4纳米颗粒、Fe2O3纳米颗粒、ZnO纳米颗粒以及多壁碳纳米管(MWCNT)进行纳米材料对Sphingomonas sp.XLDN2-5细胞的纳米毒性研究。在纳米材料抑菌效应的研究中,首先考察了四种纳米材料在五种浓度梯度下(微生物细胞/Fe3O4纳米颗粒,1:1、1:2、1:3、1:4 和 1:5 w/w)对 Sphingomonas sp.XLDN2-5 的毒性作用。结果表明,随着纳米材料浓度的增加,纳米材料对微生物细胞生长的抑制作用逐渐增强。在毒性机制的研究中,首先考察了三种金属纳米材料Fe3O4、Fe2O3、ZnO纳米颗粒的溶出离子在微生物毒性中所起的作用,研究表明三种溶出离子溶液对Sphingomonassp.XLDN2-5的生长都未产生明显的抑制作用;采用透射电子显微镜(Transmission electron microscope,TEM)对 Fe3O4纳米颗粒和微生物细胞/Fe3O4纳米颗粒复合体进行了形貌表征。Fe304纳米颗粒的平均直径大约为20 nm,这使其有可能穿透微生物细胞膜进入细胞内。复合体的TEM结果表明,Sphingomonassp.XLDN2-5细胞表面吸附了 一层Fe3O4纳米颗粒,这很可能引起膜渗透率的增加从而导致膜的破坏。纳米颗粒进入微生物细胞后会激发胞内活性氧簇(Reactive oxygen species,ROS)水平升高,微生物细胞对活性氧的抵抗机制由于ROS的大量积聚而受到破坏,引发氧化应激,从而对细胞内的其他组分造成影响。谷胱甘肽含量的减少是微生物细胞内氧化应激的标志之一。因此,比较了 Fe3O4纳米颗粒作用前后Sphingomonas sp.XLDN2-5细胞中的谷胱甘肽含量,实验结果表明,作为机体内重要的抗氧化剂和自由基清除剂,谷胱甘肽的含量随Fe304纳米颗粒浓度升高而逐渐降低,表明细胞内的氧化还原环境遭到破坏。采用激光共聚焦显微镜直接观察Fe304纳米颗粒作用前后细胞内DNA的变化,激光共聚焦显微镜结果表明,与Fe304纳米颗粒作用前相比,作用后的Sphingomonassp.XLDN2-5细胞中出现一定的DNA损伤,这种DNA损伤的原因一方面来可能自于过量ROS引发的氧化应激,另一方面可能来自于纳米颗粒与生物大分子的直接相互作用。

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