胞外聚合物对纳米ZnO小球藻毒性效应的缓解作用及机制

发布时间：2020-05-13 05:13

【摘要】：随着纳米材料的广泛应用,越来越多的纳米颗粒在生产、使用和处理过程中进入水体环境,给水生生物带来潜在危害,威胁水生生态平衡。纳米颗粒的环境行为与生物效应成为国内外研究者的关注热点。胞外聚合物(简称EPS)是在特定环境下,藻类等生物体分泌的一种高分子聚合物,在细胞外形成保护层,具有抵御纳米颗粒等外源物质对细胞毒害的作用,但目前关于EPS对纳米颗粒的环境行为及其生物效应的影响和机制尚不明晰。本论文以纳米ZnO为纳米颗粒代表,以水环境中广泛分布的单细胞绿藻小球藻(Chlorella vulgaris)为受试生物,在探明EPS对纳米ZnO小球藻毒性效应缓解的基础上,考察了EPS对纳米ZnO溶出Zn~(2+)与沉降行为的影响,并对EPS缓解纳米ZnO小球藻毒性效应的潜在机制进行了分析。论文主要有以下结论:(1)纳米ZnO明显抑制了小球藻的生长和叶绿素合成,而EPS能缓解纳米ZnO对小球藻生长的抑制作用。当纳米ZnO浓度为0.04 mM时,去除EPS(EPS-F)小球藻的24 h生长抑制率相比未去除EPS(EPS-C)小球藻增加了7%;实验处理96 h后,EPS-F小球藻的叶绿素a、b和总叶绿素的含量与对照组相比(无纳米ZnO),分别降低了80%、76%和78%,与EPS-C小球藻相比,分别降低了17%、12%和14%。EPS能够富集纳米ZnO溶出的Zn~(2+),且纳米ZnO促进了小球藻EPS的分泌。当纳米ZnO浓度为0.04 mM,实验处理96 h时小球藻的溶解态EPS和结合态EPS中Zn~(2+)的含量相比24 h分别增加了37%和43%。0.01 mM纳米ZnO处理24 h后小球藻EPS中多糖和蛋白质含量与对照组相比分别增加了33%和38%;类色氨酸和类酪氨酸的荧光强度相比对照组分别增加了8%和11%。(2)EPS及其组分色氨酸(蛋白质)与葡萄糖醛酸(糖类)均能促进纳米ZnO溶出Zn~(2+)。当纳米ZnO浓度较低时(0.01 mM),与超纯水相比,色氨酸和葡萄糖醛酸都促进了Zn~(2+)溶出且葡萄糖醛酸的促进作用更大。当纳米ZnO浓度升高到0.15 mM时,葡萄糖醛酸中Zn~(2+)溶出率反而比超纯水降低了32%。葡萄糖醛酸中游离态Zn~(2+)与总溶出Zn的比值低于色氨酸。EPS能够增加纳米ZnO的沉降性能,葡萄糖醛酸体系中纳米ZnO的沉降性能高于色氨酸体系。当纳米ZnO为0.15 mM时,沉降5 h后EPS、色氨酸和葡萄糖醛酸中纳米ZnO的A/A_0比值分别0.38、0.63和0.25,分别比超纯水体系降低了7%、增加了54%和降低了39%。(3)EPS存在使纳米ZnO的Zeta电位升高,随纳米ZnO浓度增加其Zeta电位逐渐接近于EPS的Zeta电位。当纳米ZnO浓度为0.15 mM时,EPS、色氨酸和葡萄糖醛酸体系中Zeta电位分别为-3.77、-4.48和-1.80 mV,与超纯水体系相比,分别增加了34%、21%和68%。随着色氨酸和糖醛酸浓度增加,纳米ZnO(0.01 mM)的Zeta电位也随之增加。通过红外光谱分析,EPS中的-OH或-NH、蛋白质酰胺I中C=O和多糖中的C-O-C、C-O和C-C可以与Zn~(2+)结合,酰胺Ⅱ中的N-H/C-N和羧酸中的C-O是主要的结合位点。因此,EPS对纳米ZnO小球藻毒性效应的缓解机制可推断为:纳米ZnO促进了小球藻EPS的分泌,EPS及其主要组分蛋白质与多糖与纳米ZnO溶出的Zn~(2+)结合。
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纳米颗粒,光电转化

可以穿过势垒。人们已经发现，诸如磁化强度、磁通量和电荷的宏有隧道效应。米颗粒因其纳米尺度和纳米结构而具有优越的磁性、导电性、反应质等诸多优越的性质，在食品加工、服装制作、医药生产和污染治都广泛使用[9-12]，如在污水治理中，由于纳米颗粒具有较高催化性氧化低价态、还原高价态污染物以及裂解有机污染物，甚至能完全随着纳米科技的快速发展，纳米产品的生产量也不断增加。在 20含有纳米颗粒的产品已高达 1317 种，相比 2006 年将近增长 52%[2因具备良好的催化性、光电转化性、热稳定性等性质在纺织、防造纸及航天工业等领域得到广泛应用，全球每年 TiO2的生产量约生产水平呈指数增长，到 2025 年，，预计年产量将超过 250 万吨[14 因抗菌性、催化性能优越长期在餐具、生物医药、家具、服装中生纳米 ZnO 是一种常见的人造纳米颗粒，因具有高效的光电转化性菌性长期应用于军事、冶金、服装、陶瓷、航天环保等领域[17]，全年产量约为 3.15-3.4 万吨，预计其中 8%-20%被排入水体环境[18]。

结构示意图,多糖,糖类组成,多价阳离子

图 1.2 胞外聚合物的结构示意图Fig. 1.2 Structure diagram of extracellular polymeric substances2 EPS 的组成EPS 主要由蛋白质和糖类组成，两者的总有机碳含量（TOC）约占 -80%[42, 43]。多糖主要是呈直链或支链长链分子，大部分多糖由中性或基组成。蛋白质中含有较多带负电荷的氨基酸，与多糖相比，更容易作用下与多价阳离子连接，从而促进微生物团聚体结构的稳定[44]。EP少量碳水化合物、核酸和腐殖酸等物质。此外，EPS 中还有无机金属合物。D'Abzac 等[45]研究发现 EPS 中含有 K、Ca、Na、Mg、Al、Fe、Cu 等多种金属元素，以及含有 CaCO(3)、Ca(5)OH(PO(4))(3)等金属颗粒。3 EPS 的生理功能
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X171.5

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