納米TiO2光淬滅群體感應(yīng)信號(hào)分子AI-2調(diào)控Escherichia coli K12生物膜發(fā)育的研究.pdf

1、隨著納米技術(shù)的疾速發(fā)展，人工納米材料及其產(chǎn)品已得到廣泛應(yīng)用，并通過(guò)多種方式被釋放到環(huán)境中。近年來(lái)，納米材料所引發(fā)的潛在環(huán)境與健康風(fēng)險(xiǎn)已日益受到關(guān)注，其生物安全性及生態(tài)毒理效應(yīng)也逐漸成為環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。TiO2納米材料因其固有的穩(wěn)定性和優(yōu)越的光催化性能而被應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。大量的研究表明，納米TiO2光催化所產(chǎn)生的活性氧自由基（ROS）可損傷細(xì)胞膜，并抑制細(xì)菌生長(zhǎng)。但是目前關(guān)于納米TiO2環(huán)境效應(yīng)的研究多集中于光激發(fā)對(duì)細(xì)胞個(gè)體的急性

2、毒性，而其對(duì)微生物群體行為的非毒性脅迫效應(yīng)的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。因此，本論文以納米TiO2作為研究對(duì)象，探究其在低光強(qiáng)激發(fā)條件下對(duì)Escherichia coli K12細(xì)菌群體行為的影響，并從細(xì)菌群體感應(yīng)調(diào)控的角度出發(fā)，闡釋其對(duì)生物膜形成過(guò)程的非毒性脅迫機(jī)理。本研究初步獲得了以下幾個(gè)結(jié)論：
　　（1）實(shí)驗(yàn)中TiO2（濃度分別為50mg/L、100mg/L、200mg/L）和UV（光強(qiáng)分別為150μW/cm2、300μW/cm2、45

3、0μW/cm2）單獨(dú)處理對(duì)E. coli K12個(gè)體細(xì)胞增殖均無(wú)明顯的抑制作用。但TiO2和UV的聯(lián)用會(huì)顯著降低培養(yǎng)前期E. coli K12生物膜的形成量。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定期后，生物膜逐漸恢復(fù)到正常生長(zhǎng)水平。結(jié)果顯示出納米TiO2光催化并不會(huì)完全阻礙E.coli K12生物膜的生長(zhǎng)，而是延遲了形成過(guò)程的起始。
　　（2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定了最適光催化條件：TiO2濃度為100mg/L和UV強(qiáng)度為150μW/cm2。在此條件下，利用綠色熒

4、光蛋白GFP對(duì)E.coli K12細(xì)胞進(jìn)行標(biāo)記，并三維重構(gòu)生物膜的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，納米TiO2光催化處理會(huì)嚴(yán)重阻礙E.coli K12生物膜的正常發(fā)育，不僅使E.coli K12生物膜的生物量顯著降低，而且也導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)更為松散。
　?。?）E.coli K12生物膜形成過(guò)程中細(xì)菌群體感應(yīng)信號(hào)分子AI-2活性與生物膜的形成相關(guān)。培養(yǎng)前10h中，伴隨著生物膜發(fā)育受到抑制，AI-2活性的增加也受到TiO2光激發(fā)處理的影響。由于AI-

5、2信號(hào)分子的產(chǎn)率會(huì)隨著菌體密度的提高而逐漸升高，因此在TiO2光催化處理?xiàng)l件下，AI-2信號(hào)分子仍能積累并最終觸發(fā)E.coli K12群體感應(yīng)系統(tǒng)。
　?。?）納米TiO2光激發(fā)可產(chǎn)生O2·-和·OH兩類ROS。低水平光生ROS雖不能導(dǎo)致細(xì)胞毒性，卻能降解AI-2信號(hào)分子。向培養(yǎng)體系中外源添加AI-2前體物質(zhì)DPD，能顯著減弱TiO2光激發(fā)對(duì)E.coli K12生物膜發(fā)育的脅迫作用。此外，受到AI-2信號(hào)正調(diào)控的生物膜形成相關(guān)基因