四种氧化物纳米材料在自然沉降过程中对大肠杆菌毒性研究

论文摘要

工程纳米材料在工业和日常生活中被越来越多地使用。如此广泛的应用很可能导致这些纳米材料释放到环境中。评估纳米材料在环境中的风险,需要对它们的流动性,反应活性,生态毒性和持久性进行研究。本文主要研究和比较了四种氧化物纳米材料（ZnO, A12O3, TiO2,SiO2）在自然沉降过程中对大肠杆菌（Escherichia coli）的生态毒性。首先,通过使用分光光度法（spectrophotometry）,我们发现纳米颗粒浓度与光密度（OD600nm）具有良好的线性关系（r≥0.995）,从而表明光度法在测定纳米颗粒浓度是一种非常合适的方法。分析结果还表明这四种纳米材料在10小时内会完全沉降。通过透射电镜（TEM）照片我们发现这主要是因为这些纳米颗粒可以聚集成大颗粒,这些大颗粒聚合物最终在重力作用下快速沉淀在容器底部。通过菌落计数法（CFU）,我们评价了四种氧化物纳米材料对大肠杆菌的抗菌活性（antibacterial activity）。Al2O3纳米材料在浓度为40 mg/L时对大肠杆菌具有显著毒性（p<0.05）；SiO2纳米材料在浓度为10 mg/L时对大肠杆菌具有显著毒性（p<0.05）,而在浓度大于或等于20 mg/L时具有非常显著毒性（p<0.01）；ZnO在所有浓度下（5-40 mg/L）都具有非常显著毒性（p<0.01）。以上结果表明ZnO在这三种纳米材料中对大肠杆菌的毒性最强,而且当纳米ZnO浓度为40 mg/L时,所有大肠杆菌都发生死亡。另外两种纳米材料在浓度为40 mg／L的死亡率分别是53% （SiO2）和46.5% （Al2O3）,通过SPSS分析和比较它们的死亡率没有显著的不同（p>0.05）。TiO2纳米材料在浓度为5-40mg/L区间内对大肠杆菌菌落数没有影响。通过分光光度法和微量量热法（microcalorimetry）,我们研究了四种氧化物纳米材料对大肠杆菌生长活性的影响。分光光度法分析结果表明当纳米ZnO在LB培养基中初始浓度大于或等于20 mg/L时,对大肠杆菌的生长具有明显的抑制作用,从而使细菌无法达到生长稳定期。当浓度达到40 mg/L时,大肠杆菌就几乎停止生长。与纳米ZnO相比,其它三种纳米材料对大肠杆菌的生长没有显著的抑制作用。微量量热法分析结果表明当纳米ZnO浓度为10 mg/L时,对大肠杆菌的最大放热功率（Ppeak）和生长常数（k）具有显著的影响（p<0.05）,而当浓度为5,20和40 mg/L时具有更加显著的影响（p<0.01）。然而其它三种纳米材料对大肠杆菌的生长没有显著影响（p>0.05）。纳米材料与细菌聚合物（NP-bacteria complexes）在1%氯化钠溶液中的透射电镜（TEM）照片表明除了TiO2纳米颗粒,其它三种纳米材料的单个或者小聚合物颗粒会覆盖在大肠杆菌表面。正常大肠杆菌细胞的透射电镜图片与经过纳米ZnO和Zn2+离子处理过的细胞的透射电镜图片明显不同。这主要表现为后者细胞质膜发生变形,其中一些细胞在Zn作用压力和渗透胁迫下会发生细胞肿胀,细胞内物质泄漏。扫描电镜（SEM）分析结果表明纳米ZnO处理过的大肠杆菌细胞会发生显著的损坏,最终导致细胞膜的分解。此次研究对一些纳米材料在自然条件下可能产生的抗菌活性提供了依据。

论文目录

• 作者简介
• 摘要
• ABSTRACT
• 2, SiO₂, Al₂O₃, and ZnOin the Environment'>Chapter 1 Occurrences, Fate, and Ecotoxicity of Nanoscale TiO₂, SiO₂, Al₂O₃, and ZnOin the Environment
• §1.1 Introduction
• §1.2 Fate of nanomaterials in the environment
• §1.3 Transformations of nanomaterials in the environment
• §1.4 Why study the effects of nanomaterials on microorganisms?
• §1.5 Nanomaterial interaction with microbial cell components
• §1.6 Shortcomings of previous studies
• §1.7 Aim of current study
• Chapter 2 Experimental
• §2.1 Preparing nanoparticle suspensions
• §2.2 Preparing bacterial suspension
• §2.3 Metal ion concentration measurement in suspension
• §2.4 Rate of aggregation and deposition assessment
• §2.5 Zeta potential measurements
• §2.6 Toxicity assessment
• §2.7 E. coli growth rate assessment
• §2.8 Calorimetric measurement
• §2.9 Transmission electron microscopy （TEM） imaging
• §2.10 Data analysis
• Chapter 3 Results and discussion
• §3.1 Rates of aggregation and deposition of oxide nanoparticles
• §3.2 Bactericidal effect on Escherichia coli
• §3.3 Effect on the growth of E. coli studied by spectrophotometry
• §3.4 Effect on the growth of E. coli studied by microcalorimetry
• §3.5 Nanoparticle attachment to E. coli as examined by TEM
• §3.6 Surface charge and NP attachment
• Chapter 4 Conclusions and perspective
• Chapter 5 Other research work from 2007 to 2011
• §5.1 Isolation and characterization of aniline-degrading Rhodococcus sp. strain AN5
• §5.2 Impact of beta-cypermethrin on soil microbial community associated with its bioavailability:A combined study by isothermal microcalorimetry and enzyme assay techniques
• §5.3 Transformations of benzophenone-3 and benzophenone-4 in chlorinated waters
• 致谢
• References