DOM存在下水体中氧化铜纳米颗粒的抑菌机制

论文摘要

随着纳米技术的发展,纳米材料被广泛应用于医药、化妆品、涂料、染料、光电设备、水处理、空气净化等方面。纳米材料在应用、运输、处置的过程中,势必会导致纳米材料随着大气沉降、地表径流、地下渗漏等途径进入环境,尤其是水体环境。虽然人工纳米颗粒（ENPs）的毒性效应以及潜在环境风险还存在诸多争议,但已有研究表明,由于纳米颗粒的小粒径、大比表面积、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应等特殊的性质,更容易与动物、植物、微生物、细胞等生物体接触,在生物体内积累富集,导致生物毒性。微生物处于食物链的最底端,是最主要的分解者,被广泛的应用于食品、药品、水质净化以及环境污染指示生物等。研究ENPs对微生物的毒性效应,可以为真核生物的纳米安全性研究提供理论依据。如今,ENPs对微生物的毒性研究大多都是在蒸馏水配制的培养基中进行的。由于纳米材料在自然水体中受pH、离子强度、可溶性有机质（DOM）等水化学条件的影响,ENPs的团聚、吸附等性质发生变化,对生物的毒性也会发生变化。本研究拟通过研究水体中DOM影响下的ENPs抑菌效应,深入探讨在自然水体中,ENPs的抑菌机制。ENPs的水力半径小于微米氧化铜粒径,但表面积远大于微米氧化铜。SRFA导致CuO ENPs电负性增强,水力半径增大。SRFA吸附到CuO ENPs表面,使其表面功能性集团吸收峰增强。ENPs在去离子水配制培养基中的抑菌效应研究表明,纳米氧化铜颗粒（CuO ENPs,10 nm）显著抑制大肠杆菌的生长,2 h时10 mg L-1的CuO ENPs抑菌率为49.95%,抑菌率显著大于大颗粒氧化铜颗粒（1.5μm）,且抑菌率随着时间与浓度的增大而增大。因此,选用10 mg L-1的CuO ENPs在2 h条件下对细菌的毒性作用作为下一步毒性机制实验条件。通过TEM、SEM直观的观察到CuO ENPs明显破坏细胞膜完整性。由于TEM、SEM具有随机性的特点,进一步通过激光共聚焦显微镜和流式细胞仪,利用PI和DAPI染色,证实了CuO ENPs破坏了细胞膜的完整性。K+含量作为细胞膜稳定性的指标,检测到CuO ENPs导致K+渗透量升高。同时,TEM、SEM观察到CuO ENPs进入到细胞内部,势必会对细胞的生理代谢产生影响。进一步研究发现CuO ENPs导致细胞总蛋白质含量下降,总DNA含量升高。CuO ENPs未对细胞产生氧化损伤。自然水体中CuO ENPs对大肠杆菌抑制率有所下降。富里酸（SRFA）作为典型DOM,用来研究DOM在自然水体抑菌中的作用,当SRFA被添加于去离子水培养基后,CuO ENPs对大肠杆菌的抑菌率降低。通过SEM发现,SRFA影响下,细菌细胞膜表面变紧致,CuO ENPs对细胞膜破坏程度减轻,K+渗透量降低。SRFA主要通过吸附在细胞膜表面,形成“物理屏障”,减轻CuO ENPs对细菌细胞膜的损伤,同时也减缓了细菌蛋白质、DNA的损伤,从而降低其毒性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0 前言
• 1. 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 纳米颗粒的定义、种类、特点、应用、影响因素
• 1.2.1 纳米颗粒的提出及其定义
• 1.2.2 纳米颗粒的种类
• 1.2.3 纳米颗粒的特点
• 1.2.4 纳米颗粒的应用
• 1.2.5 影响因素
• 1.3 纳米颗粒生物毒性研究现状
• 1.4 纳米颗粒对细菌毒性研究进展
• 1.4.1 纳米颗粒对细菌毒性机制
• 1.4.2 纳米颗粒对细菌毒性的影响因素
• 1.5 研究目的与内容
• 1.5.1 问题的提出
• 1.5.2 研究内容
• 1.5.3 研究技术路线
• 2. DOM 与微生物培养介质中 DOM 对纳米氧化铜颗粒基本性质影响
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 材料与仪器
• 2.2.2 实验方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 氧化铜颗粒基本理化性质
• 2.3.2 DOM 存在下纳米氧化铜颗粒zeta 电位以及水力半径
• 2.4 小结
• 3.DOM 存在下纳米氧化铜颗粒抑菌效应
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 材料
• 3.2.2 实验方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 不同粒径氧化铜颗粒的抑菌率
• 3.3.2 不同浓度纳米氧化铜颗粒随时间变化对大肠杆菌的抑菌率
• 3.3.3 DOM 存在下纳米氧化铜颗粒的抑菌效应
• 3.4 小结
• 4. DOM 在纳米氧化铜颗粒抑菌中的调控机制
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 材料
• 4.2.2 方法
• 4.3 结果与讨论
• 2+对细菌毒性的影响'>4.3.1 DOM 存在下Cu²⁺对细菌毒性的影响
• 4.3.2 DOM 存在下纳米氧化铜对细菌细胞膜的影响
• 4.3.3 不同水环境下纳米氧化铜对细菌蛋白质和DNA 的影响
• 4.3.4 纳米颗粒对ROS 的影响
• 4.4 小结
• 5. 结论、创新点与展望
• 5.1 结论
• 5.2 创新点
• 5.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果