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纳米颗粒及其联合效应对亚硝酸菌的毒性研究

刘美婷  
【摘要】:随着纳米科技的迅速发展,纳米材料(manoparticles:NPs)已广泛应用在工业和生活等众多领域,它们在生产、运输、使用及处理处置过程中不可避免地进入环境中。通过各种途径排放到污水管道系统中的纳米颗粒最终将进入市政污水处理系统中,并因此对污水生物处理系统产成潜在影响。本文主要研究探讨了三种典型纳米金属氧化物颗粒(纳米TiO2(n-TiO2)、纳米CeO2(n-CeO2)和纳米ZnO(n-ZnO))及其联合效应在不同作用浓度模式下,对生物脱氮工艺中指示性亚硝酸菌(欧洲亚硝化单胞菌:Nitrosomonas eumpaea)短期(6h)作用影响,为进一步研究NPs对污水脱氮处理工艺的作用影响与机制提供必要的理论基础。对单一NPs毒性研究发现,n-TiO2、n-CeO2和n-ZnO三种NPs 6h短期作用即可对N.europeae的形态、菌液粒径、Zeta电位、细胞膜完整性、细菌浓度、氨氧化速率及氨单加氧酶(AMO)酶活性产生明显的生物胁迫影响,且该胁迫影响与NPs的投加浓度呈正相关。三种NPs在相同作用浓度条件下,n-ZnO对N.europaea的毒性影响最大,n-TiO2影响最小,n-CeO2居中。鉴于在相同作用条件下,50mg/L n-ZnO对细胞膜损伤及氨氧化抑制程度明显高于其对应溶解度的Zn2+对细胞的毒性影响,故推测,n-ZnO及其产生的尺寸效应是n-ZnO的重要作用因素之一。比较相同摩尔浓度的n-ZnO与Zn2+的作用影响发现,Zn2+对N.europeae的毒性高于n-ZnO。对n-TiO2、n-Ce02和n-ZnO三种NPs两两共存毒性分析研究发现,n-TiO2与n-CeO2或n-ZnO共存,可减缓n-CeO2和ln-ZnO对N.europaea的毒性效应,且毒性降低的程度与n-TiO2的投加量呈正相关。而n-CeO2与n-ZnO共存,则增强了n-ZnO对N.europaea的毒性效应,且毒性提高的程度与n-CeO2的投加量呈正相关。另外,N.europaea的各指标对NPs毒性的敏感程度不同,其中细胞膜对于NPs最为敏感,推测细胞膜损伤是NPs重要的致毒机制。应用实时反转录荧光定量PCR技术(Real-time RT-qPCR技术)和实时全基因组表达水平谱图检测技术(微阵列基因芯片技术)对N.europaea关键作用基因的表达水平进行分析研究发现,n-TiO2与n-CeO2或n-ZnO共存,可提高n-CeO2或n-ZnO对N.europaea作用的amoA基因表达水平,且提高的程度与n-TiO2的投加量呈正相关。而n-CeO2与n-ZnO共存,可降低n-ZnO对N.europaea作用的amoA基因表达水平,且降低的程度与n-CeO2的投加量呈正相关。amoA基因表达水平与酶活性变化规律不一致,说明AMO酶活性可能还受到mRNA的翻译抑制、NPs与酶活性部位或活性中心以外的位点结合或细胞膜结构破坏等影响。n-TiO2、n-CeO2和:n-ZnO三种NPs中,n-TiO2对hao基因表达的抑制作用最强,n-ZnO最弱,n-CeO2居中。NPs的生物胁迫作用导致应激蛋白、反应调节蛋白及趋化性蛋白等应激反应蛋白基因表达水平上调,同时tRNA假尿苷合酶、腺苷转移酶等与翻译相关的基因表达水平降低。全基因组表达谱图检测技术也进一步证实了纳米Ti02的投加,可对纳米Ce02或纳米ZnO的毒性效应起到拮抗作用,但纳米Ce02与纳米ZnO的共存则导致了对亚硝酸菌的毒性协同效应。因此纳米颗粒的亚硝化菌生物毒性影响与其投加浓度、在水中的溶解度及其带电性密切相关,并同时影响细胞宏观形态与生理代谢功能以及微观分子层面的功能基因表达与关键酶活性。


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