纳米ZnO对典型亚硝酸菌的毒性效应与机制研究

发布时间：2017-08-19 20:14

  本文关键词：纳米ZnO对典型亚硝酸菌的毒性效应与机制研究

  更多相关文章： 纳米氧化锌 欧洲亚硝化单胞菌 毒性胁迫 细胞活性恢复

【摘要】：纳米ZnO (n-ZnO)的广泛应用导致其在生产、运输、使用及处理处置过程中不可避免地进入市政污水管网系统,并对污水生物处理系统产生潜在威胁。因此,本文重点研究了n-ZnO在不同作用条件下对污水生物脱氮工艺中指示性亚硝酸菌(欧洲亚硝化单胞菌：Nitrosomonas europaea')的短期与长期毒性影响,以及受胁迫细菌的生化活性恢复性能。对恒流生物反应器中稳定生长的N. europaea在不同浓度n-ZnO(0.1 mg/L、1mg/L、 10mg/L和50mg/L)短期(6h)胁迫影响条件下研究发现,随着n-ZnO投加浓度增大,N.europaea细胞膜损伤程度提高,细菌浓度、氨氧化活性、氨单加氧酶(ammonia monooxygenase,AMO酶)活性均下降。当n-ZnO浓度为10mg/L或50mg/L时,对细菌活性表现为显著抑制效应。另外,50mg/L n-ZnO对细胞膜损伤及氨氧化作用抑制程度明显高于其对应溶解度下的相同Zn2+浓度对细胞的毒性影响,故推测n-ZnO本身的尺寸效应仍是n-ZnO的重要作用机制来源。相同摩尔浓度的n-ZnO与Zn2+的毒性发现,Zn2+对N. europaea的毒性高于n-ZnO。不同浓度n-ZnO (1mg/L、10mg/L和50mg/L)对恒流生物反应器中稳定生长的N.europaea长期(45d)胁迫影响发现,1 mg/L和10 mg/L n-ZnO对N.europaea均未产生显著影响；随着胁迫时间延长,受50mg/L n-ZnO影响的N.europaea的氨氧化活性、细菌浓度、AMO酶活性、细胞膜未受损率和氨氧化功能基因表达水平显著下降,7d后细菌氨氧化活性完全丧失。不同n-ZnO负荷形式条件下50mg/L n-ZnO对N.europaea的长期毒性影响发现,冲击负荷方式(进水与反应器内同时加入50 mg/Ln-ZnO)和进水负荷方式(只进水加入50 mg/L n-ZnO)均对N.europaea产生显著性毒胁迫作用,氨氧化速率、细菌浓度、细胞膜未受损率、氨氧化功能基因表达水平和AMO酶活性显著下降,n-ZnO胁迫作用7d均使得细菌完全丧失活性。n-ZnO冲击负荷方式对N.europaea的毒性胁迫作用强于进水负荷方式下的毒性胁迫作用。冲击负荷方式在3h开始即对系统造成显著毒性影响,进水负荷方式下随着反应器内n-ZnO浓度的不断升高在30h以后才开始对系统造成显著毒性影响。细菌活性恢复试验发现,不同n-ZnO负荷导入方式10%恢复试验组(氨氮去除率受抑制程度为10%时的受损细菌在不含n-ZnO培养液中的活性恢复试验；25%、50%、75%恢复试验组同理)氨氧化速率、细菌浓度、细胞膜未受损率、AMO酶活性均得到一定程度恢复,但进水负荷试验组中各指标恢复程度明显高于冲击负荷试验组。不同n-ZnO负荷导入方式25%恢复试验组各指标变化规律也表现为冲击负荷对细菌的胁迫作用强于进水负荷,虽然进水负荷试验组中细菌活性随恢复时间未有明显提高,但仍能保持现有氨氧化能力,而冲击负荷试验组细菌活性在胁迫受损后不仅活性不能恢复,还无法保持现有氨氧化能力。进水负荷试验组和冲击负荷试验组50%恢复试验组受损细菌均表现为不可恢复。因此恢复试验结果说明n-ZnO冲击负荷胁迫方式对N.europaea的毒性胁迫作用显著高于n-ZnO进水负荷胁迫方式,可使得细菌更早受到不可逆转的受损。在高溶解氧(DO,2.0mg/L)和低DO (0.5mg/L)浓度条件下50mg/L n-ZnO对N. europaea的长期胁迫试验发现,连续胁迫7d后,N.europaea完全丧失氨氧化活性，但DO浓度不对50mg/L n-ZnO的生物毒性胁迫能力产生明显影响。不同DO条件下氨氮去除率受抑制达10%时的细胞恢复发现,其氨氧化速率、细胞膜未受损率、细菌浓度、AMO酶活性随恢复时间延长均可得到一定程度的恢复,但高DO条件下所获受损细胞的细胞氨氧化速率、细菌浓度、细胞膜未受损率、AMO酶活性恢复程度明显高于低DO条件下所获细胞。不同DO条件下25%恢复试验组的细胞经恢复培养后其生理生化活性均未有明显改善,但仍能保持现有氨氧化能力；而50%和75%恢复试验组细胞的生化活性不仅不能恢复,还无法保持其现有氨氧化能力。因此高DO环境有利于细胞抗n-ZnO胁迫影响以及细胞活性的恢复,但随n-ZnO胁迫作用时间延长,细菌生理生化活性受损最终仍表现为不可恢复,直至完全丧失。综上所述,本文系统的开展了不同n-ZnO作用浓度在不同作用时间、不同DO条件和不同负荷导入方式条件下对N.europaea的胁迫影响研究,同时探讨了受n-ZnO不同胁迫条件影响的N.europaea受损菌群生理特性和生化活性修复性能,研究成果为进一步阐释NPs对污水脱氮处理工艺的影响规律与作用机制提供必要的理论基础,并为受NPs毒性影响的生物除氮工艺性能的恢复提供应急调控理论支撑。
【关键词】：纳米氧化锌 欧洲亚硝化单胞菌 毒性胁迫 细胞活性恢复
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X172;X703
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-20
• 1.1 研究背景11-14
• 1.1.1 n-ZnO的性质与应用11
• 1.1.2 n-ZnO的环境归趋11-12
• 1.1.3 氨氧化模式菌Nitrosomonas europaea12-14
• 1.2 n-ZnO毒性研究14-15
• 1.2.1 n-ZnO的生物毒性研究14-15
• 1.2.2 n-ZnO对污水处理系统影响研究15
• 1.3 n-ZnO毒性作用机制研究15-17
• 1.3.1 氧化胁迫16
• 1.3.2 细胞膜损伤16
• 1.3.3 酶活性抑制16-17
• 1.3.4 n-ZnO的物化特性影响17
• 1.4 研究内容及意义17-20
• 1.4.1 研究内容17-18
• 1.4.2 技术路线18
• 1.4.3 目的及意义18-20
• 第二章 实验材料及分析测试方法20-29
• 2.1 实验装置20-21
• 2.2 实验材料、试剂及仪器21-23
• 2.2.1 实验材料21
• 2.2.2 实验试剂21-22
• 2.2.3 实验仪器22-23
• 2.3 测定指标及方法23-29
• 2.3.1 纳米材料表征23
• 2.3.2 N.europaea细胞形态23
• 2.3.3 混合液粒径、电荷23
• 2.3.4 细菌浓度23-24
• 2.3.5 细胞膜受损状况24
• 2.3.6 氨氧化速率24
• 2.3.7 AMO酶活性24
• 2.3.8 功能基因表达水平24-28
• 2.3.9 其它指标28
• 2.3.10 统计学分析28-29
• 第三章 不同浓度n-ZnO对N.europaea的胁迫影响29-41
• 3.1 n-ZnO对N.europaea的短期胁迫影响29-34
• 3.1.1 试验设计29-30
• 3.1.2 试验结果30-34
• 3.2 n-ZnO对N.europaea的长期胁迫影响34-40
• 3.2.1 试验设计34
• 3.2.2 试验结果34-40
• 3.3 本章小结40-41
• 第四章 不同n-ZnO负荷导入方式对N.europaea的长期胁迫影响及受抑制细菌的自我恢复性能研究41-54
• 4.1 试验设计41-42
• 4.1.1 不同负荷导入方式长期影响研究试验41
• 4.1.2 受抑制细菌功能修复性能研究41-42
• 4.2 试验结果42-52
• 4.2.1 恒流生物试验过程模型模拟研究42-43
• 4.2.2 反应器内n-ZnO和Zn~(2+)浓度分析43-44
• 4.2.3 不同n-ZnO导入方式对混合液粒径和Zeta电位的影响44-45
• 4.2.4 不同n-ZnO导入方式对细菌氨氧化性能的影响45-46
• 4.2.5 不同n-ZnO导入方式对细菌浓度的影响46-47
• 4.2.6 不同n-ZnO导入方式对N.europaea细胞膜完整性的影响47-48
• 4.2.7 不同n-ZnO导入方式对细菌AMO酶活性的影响48
• 4.2.8 不同n-ZnO导入方式对细菌基因表达水平的影响48-50
• 4.2.9 细菌功能修复性研究50-52
• 4.3 本章小结52-54
• 第五章 不同DO条件下n-ZnO进水负荷方式对N.europaea长期胁迫影响54-63
• 5.1 试验设计54
• 5.1.1 不同DO条件长期影响试验54
• 5.1.2 不同影响程度细菌恢复性试验54
• 5.2 试验结果54-62
• 5.2.1 反应器内总锌和Zn~(2+)影响分析54-55
• 5.2.2 不同DO浓度条件n-ZnO进水负荷方式对混合液粒径和Zeta电位的影响55-56
• 5.2.3 不同DO浓度条件n-ZnO进水负荷方式对细菌氨氧化性能的影响56-57
• 5.2.4 不同DO浓度条件n-ZnO进水负荷方式对细菌浓度的影响57
• 5.2.5 不同DO浓度条件n-ZnO进水负荷方式对N.europaea细胞膜完整性的影响57-58
• 5.2.6 不同DO浓度条件n-ZnO进水负荷方式对细菌AMO酶活性的影响58-59
• 5.2.7 不同DO浓度条件n-ZnO进水负荷方式对细菌基因表达水平的影响59-60
• 5.2.8 细菌功能修复性研究60-62
• 5.3 本章小结62-63
• 第六章 结论与展望63-65
• 6.1 结论63
• 6.2 展望63-65
• 参考文献65-70
• 致谢70-71
• 在校期间发表论文情况71
• 已(待)发表文章71
• 专利71

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 陈元芬;李大平;张杰;胡杰;郭维强;何晓红;王晓梅;陶勇;高平;;自养混合菌群氨氧化特征及结构分析[J];四川大学学报(自然科学版);2009年04期

2 邱昭政;罗专溪;赵艳玲;颜昌宙;;溶氧对富集培养的河口湿地表层沉积物氨氧化菌多样性及氨氧化速率的影响[J];环境科学;2013年02期

3 郝永俊;吴松维;吴伟祥;陈英旭;;好氧氨氧化菌的种群生态学研究进展[J];生态学报;2007年04期

4 李焕;汪群慧;孙晓红;王旭明;仇天雷;;高效氨氧化菌群富集、驯化及其动态变化规律分析[J];环境工程学报;2012年05期

5 辛亮;武传东;曲东;;长期施肥对旱地土壤中氨氧化微生物丰度和分布的影响[J];西北农业学报;2012年06期

6 陈铮;罗专溪;邱昭政;颜昌宙;;纳米金、银对氨氧化细菌及其氨氧化作用的影响[J];中国环境科学;2014年03期

7 洪晨;邢奕;司艳晓;李洋;;铁矿区内重金属对土壤氨氧化微生物群落组成的影响[J];中国环境科学;2014年05期

8 张健;赵方圆;章文军;张德民;;一株氨氧化菌的分离鉴定及其活性影响因子分析[J];宁波大学学报(理工版);2011年03期

9 罗琼芳;徐恒;张学俊;佘红英;张辉;邓宇;;一株氨氧化菌的分离及其生物学特性研究[J];四川大学学报(自然科学版);2006年03期

10 徐硕;郑茂盛;周海霞;许楠;;好氧污泥氨氧化活性对雌激素降解效率的影响研究[J];北京大学学报(自然科学版);2014年03期

中国重要会议论文全文数据库 前5条

1 沈珈琦;吴晟e，

本文编号：702734