零价纳米铁对微生物的毒理研究

南开大学硕士学位论文零价纳米铁对微生物的毒理研究姓名：王学申请学位级别：硕士专业：环境科学指导教师：金朝晖2012-05摘要摘要随着纳米技术和纳米材料的发展，零价纳米铁出现在人们的生产和生活领域。因相比普通铁粉具有更多的优势，如粒径小、比表面积大以及优越的吸附性能和极高的还原活性等，可以更高效地处理多种污染物，成为目前颇具潜力的环境修复方法。同时随着零价纳米铁的大范围使用，零价纳米铁将不可避免地会进入大气、地下水、土壤等自然环境中。近年来，纳米材料与技术的安全性已引起了世界各国的广泛关注，甚至已有研究发现某些纳米材料存在一定的毒性或潜在的风险，但目前对于零价纳米铁的毒性效应和机制研究方面还存在一些问题。首先，目前关于零价纳米铁毒性效应的研究多侧重于零价纳米铁对微生物的致死率和细胞内活性氧自由基的含量变化，关于零价纳米铁对细菌生长周期的影响以及对细胞酶活性和脂质过氧化产物的影响研究还是一个空白。其次，零价纳米铁表面性质对其毒性的影响科学家还没有形成共识。有学者认为零价纳米铁与微生物细胞的物化接触是产生毒性的主要原因；但有的学者在比较了等量的二价铁离子和零价纳米铁粒子对人体支气管上皮细胞的毒性作用后，认为零价纳米铁的毒性作用来源于二价铁离子的释放，而与零价纳米铁颗粒物本身没有关系。零价纳米铁表面性质对细胞毒性影响作用还不明确，因此需要进一步研究证明。细胞是生物体最基本的结构与功能单位，生物体的各项生命活动都是建立在细胞这一特殊结构基础之上的。纳米材料的生物毒性一般也是从破坏细胞结构与功能开始的，因此，人们常以细胞为研究对象来研究纳米材料的潜在效应。为此，本文通过液相还原法合成出零价纳米铁粒子，以环境中的典型微生物一大肠杆菌为实验材料，来探讨研究零价纳米铁对微生物大肠杆菌可能的毒性效应和机制，并在此基础上尝试通过透析袋分隔零价纳米铁和微生物，研究零价纳米铁表面性质对其毒性的影响。研究结果为：1．透射电镜(TEM)的表征结果表明零价纳米铁会破坏细胞的完整性，当细菌与零价纳米铁混合后，其表面明显吸附了一些零价纳米铁颗粒，且大肠杆菌细胞表面出现凹陷，形状变的不规则。摘要2．零价纳米铁对大肠杆菌生长有抑制作用，且零价纳米铁浓度越大，抑制作用越明显。主要表现为缩短对数生长期，促进大肠杆菌较早进入稳定期，并减少稳定生长期的活菌数。计算各个体系最后的吸光度大小，得出112、560和1120mg·L。1体系相比于对照组的吸光度降低率分别为20％、44％幂N66％。3．染毒组细胞培养液上清中的LDH活性显著高于对照组⑦<0．05)，112、560和1120mg·L‘1体系中LDH活性分别约为对照组的3倍、5倍和15倍，此结果表明零价纳米铁会导致细胞膜损伤和细胞膜通透性增加，且零价纳米铁浓度越高，细胞破损越严重。4．超氧化物歧化酶(SOD)活性随零价纳米铁暴露浓度的增加均有不同程度的降低，SOD活性的高低可以间接反映机体清除氧自由基的能力，这说明零价纳米铁染毒大肠杆菌会产生自由基，且零价纳米铁浓度越高，自由基产生量越大。5．染毒组细胞中丙二醛(MDA)含量明显高于对照组，且MDA含量变化与零价纳米铁浓度存在剂量．效应关系(r=0．945，p<0．05)。MDA作为细胞发生脂质过氧化反应的代表性产物，可以通过测定其含量变化来了解脂质过氧化水平。这表明零价纳米铁可以导致细胞发生脂质过氧化反应，产生氧化损伤。6．间接接触体系和直接接触体系中零价纳米铁均对大肠杆菌产生毒性作用，且直接接触体系的毒性效应大于间接接触体系。实验结果表明零价纳米铁产生毒性的原因不仅仅为氧化应激反应，零价纳米铁的表面化学性质也是产生毒性的重要原因。论文首次全面地研究了零价纳米铁对微生物的宏观方面的毒性效应和微观方面的毒性效应，证明零价纳米铁对细胞的生长有抑制作用，且随着浓度的增加，零价纳米铁对大肠杆菌生长的抑制作用增大。在纳米材料毒性效应机制的研究方法上，首次采用透析袋作为纳米材料与微生物之间的“绿色屏障”进行研究，这样既可以很好的隔离纳米材料和微生物，又可以使实验更加真实，为纳米材料的毒性研究提供了一种方法。关键词：零价纳米铁，大肠杆菌，生长曲线，氧化应激，接触方式AbstractWiththedevelopmentofnanotechnologyandnanomaterials，nanoscalezerovalentironpowder，comparedtoordinaryironhasmoreadvantages，suchassmallparticlesize，largespecificsurfacearea，excellentadsorptionpropertiesandhighreductionactivity，itcanbemoreefficienthandlingofav