氧化锌纳米颗粒与不同阶段细菌生物膜互作机制

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随着纳米技术的迅速发展,纳米材料因具有比表面积大、活性高等独特属性而在诸多领域得到广泛应用。大量的纳米材料在其生产、运输、使用过程中被释放到土壤环境,进入土壤的纳米材料极易吸附在土壤颗粒表面并被固定而在土壤中存留,并影响土壤微生物群落结构和功能。腐殖酸是土壤有机质的活性组分,易与进入土壤中的纳米材料发生相互作用,从而影响纳米材料的沉降、团聚以及微生物效应。土壤中的微生物绝大部分是以胞外基质 EPS包裹着细胞的生物膜或者微菌落形式存在。因此,研究在腐殖酸作用下纳米材料对土壤微生物生物膜内细菌活性的影响,不仅能更真实的反映纳米材料在土壤环境中的行为及归宿,而且对于揭示纳米材料在土壤中的生态效应也具有重要的理论指导和实际意义。  本文选取恶臭假单胞菌KT2440作为土壤常见细菌的代表,研究腐殖酸存在时,不同浓度氧化锌纳米颗粒(10、50、100 mg/L)与不同阶段恶臭假单胞菌生物膜的相互作用,得到的主要结果有:  1.揭示了氧化锌纳米颗粒对处于生物膜不同阶段(早期、中期、后期)的细菌毒性。三种浓度的纳米氧化锌都能使早期生物膜细胞完全失活;当三种浓度纳米氧化锌(10、50、100 mg/L)与中期生物膜互作12 h后,生物膜活性分别降低了33%、50%和67%;纳米氧化锌对后期生物膜中细胞的毒性最低,100 mg/L氧化锌与生物膜作用12 h后,生物膜活性仅降低了30%,这表明成熟的生物膜对纳米氧化锌的敏感度降低,耐受性增强。分别去除三个阶段生物膜中部分EPS后,与50 mg/L纳米氧化锌作用发现,与完整生物膜相比,中后期生物膜在除去EPS后,对纳米氧化锌耐受性明显降低,表明 EPS是不同阶段生物膜对纳米氧化锌产生耐受性差异的重要原因。  2.在不同浓度的氧化锌纳米颗粒悬液中加入腐殖酸,考察腐殖酸存在下纳米氧化锌对生物膜细胞毒性的影响。结果显示,10 mg C/L的腐殖酸没有影响纳米颗粒对早期生物膜的毒性,而显著降低了10、50 mg/L氧化锌纳米颗粒对中后期生物膜的毒性,但对100 mg/L氧化锌纳米颗粒的毒性无影响。通过纳米氧化锌释放的锌离子毒性实验结果发现,ZnO纳米颗粒释放的锌离子对中期生物膜的毒性约为相应浓度纳米颗粒毒性的一半,表明除了释放锌离子外,纳米颗粒本身对生物膜细胞的毒害作用也是氧化锌纳米颗粒的重要致毒机制。实验同时表明,腐殖酸降低氧化锌纳米颗粒的锌离子释放量是其抑制纳米颗粒毒性的原因之一。
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