納米材料的生物響應(yīng)、生物合成及利用.pdf

1、納米材料由于其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)和優(yōu)異的性能，被廣泛應(yīng)用于能源、材料、機(jī)械、生物醫(yī)學(xué)成像、環(huán)境保護(hù)和藥物運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。隨著人工納米材料在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其將不可避免地釋放到環(huán)境中，從而引起人們對(duì)其環(huán)境安全性的擔(dān)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(jī)體的相互作用過程，探索人工納米材料對(duì)生物功能影響的機(jī)制，對(duì)于指導(dǎo)納米材料合成技術(shù)的改進(jìn)，充分應(yīng)用納米材料和納米技術(shù)解決復(fù)雜的環(huán)境問題具有重要的意義。本學(xué)位論文工作針對(duì)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(duì)納米材料的生物響應(yīng)、生物合成以及利用進(jìn)行探索，主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:1.環(huán)境混合微生物對(duì)碳納米材料的響應(yīng)。環(huán)境微生物暴露在外界不利環(huán)境時(shí)，會(huì)啟動(dòng)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(duì)單壁碳納米管(SWCNTs)暴露的響應(yīng)過程，分析檢測(cè)生化特性、污泥群落結(jié)構(gòu)、形態(tài)結(jié)構(gòu)、電導(dǎo)分析等多個(gè)指標(biāo)的變化趨

3、勢(shì)，解析了SWCNTs對(duì)厭氧消化產(chǎn)甲烷過程的影響機(jī)制。結(jié)果表明，SWCNTs并不會(huì)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(jī)制:一方面在SWCNTs刺激下，厭氧顆粒污泥表層細(xì)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(duì)顆粒污泥的穿刺，并降低其對(duì)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(qiáng)污泥的導(dǎo)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(qiáng)產(chǎn)酸細(xì)菌和產(chǎn)甲烷古菌之間的直接種間電子傳遞，進(jìn)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(duì)功能微生物群落的潛在功能促進(jìn)行為，為碳納米管的環(huán)境毒理學(xué)效應(yīng)提供了新的認(rèn)識(shí)。
　　2.模式動(dòng)物-秀麗隱桿線蟲體內(nèi)量子點(diǎn)納米材料的合成。微生物在重金屬離子暴露環(huán)境下啟動(dòng)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(jī)納米材料。在微型模式動(dòng)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(diǎn)，利用原位觀測(cè)技術(shù)追蹤其整個(gè)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(duì)分離純化后的量子點(diǎn)進(jìn)行了形貌、晶型、物相、精細(xì)結(jié)構(gòu)原子排布特征的分析。研究表明，量子點(diǎn)先在線蟲的咽部和腸道前端開始合成，隨后擴(kuò)展到整個(gè)腸道，并在后期出現(xiàn)Se、Cd元素的外排;線蟲合成的量子點(diǎn)為被CdS包裹的六方相CdSe，其中Se原子周圍與4個(gè)Cd原子進(jìn)行配位，配位鍵長(zhǎng)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(xué)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(diǎn)的生物合成體系。
　　3.秀麗隱桿線蟲體內(nèi)合成CdSe量子點(diǎn)的分子生物學(xué)機(jī)制。通過監(jiān)測(cè)量子點(diǎn)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(dá)變化(RT-PCR)，探究了參與線蟲量子點(diǎn)合成過程的分子生物學(xué)響應(yīng)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)硒暴露會(huì)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(jī)硒在體內(nèi)累積;Cd2+的再暴露會(huì)進(jìn)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(diǎn)的形成造成有機(jī)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(huì)進(jìn)一步促進(jìn)有機(jī)硒、有機(jī)鎘的形成和量子點(diǎn)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(dá)量均大幅增加，但與只有鎘的暴露組相比，基因表達(dá)量變化不大或出現(xiàn)下降;在量子點(diǎn)合成后期，植物螯合肽合成酶基因（pcs-1）表達(dá)量急劇

8、上升，此時(shí)量子點(diǎn)產(chǎn)率也開始大幅增加，預(yù)示著植物螯合肽(PCs)在CdSe量子點(diǎn)的生物合成過程中扮演著關(guān)鍵角色;利用基因表達(dá)譜進(jìn)一步探索了量子點(diǎn)合成對(duì)線蟲其他基因表達(dá)的影響，發(fā)現(xiàn)200μMNa2SeO3的暴露對(duì)線蟲基礎(chǔ)代謝路徑的影響較小，而250μMCd2+的長(zhǎng)期暴露則會(huì)顯著抑制線蟲的基礎(chǔ)代謝過程，并強(qiáng)烈刺激細(xì)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(dá)，用于外源毒物Cd2+的解

9、毒。
　　4.巰基類物質(zhì)在量子點(diǎn)體內(nèi)合成過程中的作用。通過體外仿生實(shí)驗(yàn)和密度泛函理論計(jì)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(diǎn)生物合成過程中所起的作用。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了PCs在溫和條件下體外合成CdSe量子點(diǎn)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(diǎn)前驅(qū)體的能力的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)PC2在熱力學(xué)上比GSH更容易結(jié)合Cd2+;PC2與兩個(gè)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(diǎn)前驅(qū)體的過程中具有顯著的優(yōu)勢(shì)，從而從分子水平上揭示了PCs在線蟲合成量子點(diǎn)過程中所起到的關(guān)鍵作用，預(yù)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(yīng)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(shì)，有助于解決復(fù)雜的環(huán)境污染問題。利用多價(jià)噬菌體的特異性識(shí)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(xì)菌生物膜的新方法。結(jié)果表明，多價(jià)噬菌體PEL1通過共價(jià)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(tuán)含量均可顯著增強(qiáng)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(yàn)表明，此噬菌體-磁性微球復(fù)合材料可顯著提高混合細(xì)菌生物膜的去除效率，在6個(gè)小時(shí)內(nèi)可去除約88.7±2.8％的