納米材料的生物響應、生物合成及利用.pdf

1、納米材料由于其獨特的物理化學性質(zhì)和優(yōu)異的性能，被廣泛應用于能源、材料、機械、生物醫(yī)學成像、環(huán)境保護和藥物運輸?shù)阮I(lǐng)域。隨著人工納米材料在各領(lǐng)域的廣泛應用，其將不可避免地釋放到環(huán)境中，從而引起人們對其環(huán)境安全性的擔憂。合成環(huán)境友好和生物兼容的功能納米材料，并研究納米材料和有機體的相互作用過程，探索人工納米材料對生物功能影響的機制，對于指導納米材料合成技術(shù)的改進，充分應用納米材料和納米技術(shù)解決復雜的環(huán)境問題具有重要的意義。本學位論文工作針對納

2、米材料與微生物的相互作用問題，選用環(huán)境混合微生物、秀麗隱桿線蟲和噬菌體等三種生物體系分別對納米材料的生物響應、生物合成以及利用進行探索，主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:1.環(huán)境混合微生物對碳納米材料的響應。環(huán)境微生物暴露在外界不利環(huán)境時，會啟動一系列防御過程來降低毒性影響，并維持自己的環(huán)境功能。通過追蹤環(huán)境混合微生物——厭氧顆粒污泥對單壁碳納米管(SWCNTs)暴露的響應過程，分析檢測生化特性、污泥群落結(jié)構(gòu)、形態(tài)結(jié)構(gòu)、電導分析等多個指標的變化趨

3、勢，解析了SWCNTs對厭氧消化產(chǎn)甲烷過程的影響機制。結(jié)果表明，SWCNTs并不會顯著抑制污泥的產(chǎn)甲烷能力，反而提高了厭氧顆粒污泥的底物利用速率和產(chǎn)甲烷速率。這主要得益于兩大機制:一方面在SWCNTs刺激下，厭氧顆粒污泥表層細菌分泌更多的胞外多聚物EPS將其包裹纏繞，從而阻礙碳納米管對顆粒污泥的穿刺，并降低其對內(nèi)層產(chǎn)甲烷菌的毒性影響;另一方面SWCNTs在污泥顆粒外層的包裹纏繞可以顯著增強污泥的導電能力。微生物群落分析結(jié)果表明，產(chǎn)酸菌和

4、噬酸產(chǎn)甲烷菌占較大比例，暗示SWCNTs可以顯著增強產(chǎn)酸細菌和產(chǎn)甲烷古菌之間的直接種間電子傳遞，進而提高甲烷的產(chǎn)生速率。該研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)了碳納米管對功能微生物群落的潛在功能促進行為，為碳納米管的環(huán)境毒理學效應提供了新的認識。
　　2.模式動物-秀麗隱桿線蟲體內(nèi)量子點納米材料的合成。微生物在重金屬離子暴露環(huán)境下啟動一系列解毒過程來捕獲游離的重金屬離子，并在體內(nèi)形成無機納米材料。在微型模式動物-秀麗隱桿線蟲體內(nèi)合成了具有黃綠色熒光的Cd

5、Se量子點，利用原位觀測技術(shù)追蹤其整個合成過程，并利用硬X射線元素分析技術(shù)獲得了Se元素分布和周圍原子狀態(tài)變化規(guī)律;利用拉曼光譜、透射電鏡、元素分析以及同步輻射等手段對分離純化后的量子點進行了形貌、晶型、物相、精細結(jié)構(gòu)原子排布特征的分析。研究表明，量子點先在線蟲的咽部和腸道前端開始合成，隨后擴展到整個腸道，并在后期出現(xiàn)Se、Cd元素的外排;線蟲合成的量子點為被CdS包裹的六方相CdSe，其中Se原子周圍與4個Cd原子進行配位，配位鍵長約

6、為2.62(A)。由于線蟲具有大量與人類基因高度同源的基因和與人類疾病相關(guān)的生物學特性，該研究可為其他高等生物甚至是人體解毒的研究提供有益的信息，并拓展了量子點的生物合成體系。
　　3.秀麗隱桿線蟲體內(nèi)合成CdSe量子點的分子生物學機制。通過監(jiān)測量子點合成過程中巰基類化合物的含量變化以及相關(guān)基因的表達變化(RT-PCR)，探究了參與線蟲量子點合成過程的分子生物學響應機制，發(fā)現(xiàn)硒暴露會刺激線蟲體內(nèi)巰基類物質(zhì)的合成，并通過巰基類物質(zhì)的

7、氧化將SeO32-還原成有機硒在體內(nèi)累積;Cd2+的再暴露會進一步刺激總巰基含量的顯著增加且大多處于還原態(tài)，說明CdSe量子點的形成造成有機硒的消耗，將反饋刺激巰基類物質(zhì)的生成，而更多的巰基類物質(zhì)又會進一步促進有機硒、有機鎘的形成和量子點的組裝。在此過程中，谷胱甘肽(GSH)、金屬硫蛋白(MT)的相關(guān)基因表達量均大幅增加，但與只有鎘的暴露組相比，基因表達量變化不大或出現(xiàn)下降;在量子點合成后期，植物螯合肽合成酶基因（pcs-1）表達量急劇

8、上升，此時量子點產(chǎn)率也開始大幅增加，預示著植物螯合肽(PCs)在CdSe量子點的生物合成過程中扮演著關(guān)鍵角色;利用基因表達譜進一步探索了量子點合成對線蟲其他基因表達的影響，發(fā)現(xiàn)200μMNa2SeO3的暴露對線蟲基礎代謝路徑的影響較小，而250μMCd2+的長期暴露則會顯著抑制線蟲的基礎代謝過程，并強烈刺激細胞色素P450（一類亞鐵血紅素-硫醇鹽蛋白超家族，用于內(nèi)源和外源性物質(zhì)代謝）、GSH等代謝路徑的基因表達，用于外源毒物Cd2+的解

9、毒。
　　4.巰基類物質(zhì)在量子點體內(nèi)合成過程中的作用。通過體外仿生實驗和密度泛函理論計算相結(jié)合的方法，深入解析了富含半胱氨酸的重金屬鰲合類生物分子GSH、MT、PCs在量子點生物合成過程中所起的作用。試驗結(jié)果驗證了PCs在溫和條件下體外合成CdSe量子點的能力;通過這三種巰基類物質(zhì)與Cd2+的結(jié)合能力以及與Sec配位形成量子點前驅(qū)體的能力的對比分析，發(fā)現(xiàn)PC2在熱力學上比GSH更容易結(jié)合Cd2+;PC2與兩個Cd2+配位形成的PC

10、2-Cd2比MT-Cdn的穩(wěn)定籠狀結(jié)構(gòu)更易與Sec配位形成PC2-Cd2-Sec2;理論分析結(jié)果表明，PC2在捕獲Cd2+并形成CdSe量子點前驅(qū)體的過程中具有顯著的優(yōu)勢，從而從分子水平上揭示了PCs在線蟲合成量子點過程中所起到的關(guān)鍵作用，預示其在高等生物解毒過程中所扮演的重要角色。
　　5.噬菌體-磁性納米材料的耦合和應用。微生物借助功能納米材料將更大地發(fā)揮自身的優(yōu)勢，有助于解決復雜的環(huán)境污染問題。利用多價噬菌體的特異性識別功能

11、和磁性納米材料的靶向控制特性的耦合體系，發(fā)展了一種去除載體表面細菌生物膜的新方法。結(jié)果表明，多價噬菌體PEL1通過共價鍵與磁性材料表面的結(jié)合過程受到磁性材料表面特性的影響，增加表面粗糙度和表面正電荷、氨基基團含量均可顯著增強噬菌體的固定效率和侵染活性，獲得了約(5.2±0.7)×106PFU/mgCS-Fe3O4的噬菌體滴度。試驗表明，此噬菌體-磁性微球復合材料可顯著提高混合細菌生物膜的去除效率，在6個小時內(nèi)可去除約88.7±2.8％的