纳米银对Pseudomonas stutzeri毒性及土壤反硝化作用的影响

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纳米银具有广谱抗菌性,已成为含纳米材料的消费品中最常用的材料之一。纳米银的大量生产、使用及运输过程使其不可避免地暴露到土壤环境中,对土壤微生物造成潜在危害。由反硝化微生物驱动完成的生物反硝化脱氮作用是自然生态系统中氮循环的重要组成部分,但关于反硝化微生物如何响应纳米银的暴露目前研究较少。因此了解纳米银对反硝化过程的影响及反硝化微生物的毒性机制迫在眉睫,也为纳米银的生态毒性评价提供理论依据。(1)以纳米银暴露下反硝化过程中的离子转化为研究对象,探究纳米银及释放的银离子对反硝化过程中NO3--N、NO2--N、N2O含量变化的影响。结果显示,在无银的空白组中脱氮率高达94.91%,不同剂量纳米银(3.125、6.25、12.5 mg/L)暴露组脱氮率分别减少为87.66%、60.51%和36.10%。纳米银暴露下NO3--N去除过程变缓,NO2--N的峰值出现时间上的延缓,且最终有积累现象出现,N2O产生量减少,纳米银抑制和延缓了反硝化过程;银离子释放试验结果显示纳米银暴露到反硝化培养基中释放量较少,最高释放量大约为2%左右;按最高释放量将银离子加到培养基中培养24 h后发现NO3--N、NO2--N无明显积累,释放的银离子对反硝化过程影响不大。(2)以土壤反硝化模式菌株Pseudomonas stutzeri为研究对象,探究纳米银对P.stutzeri细胞活性、凋亡、细胞形态、与细胞膜的相互作用、活性氧的产生和细胞Ag内化作用、关键反硝化酶活性和基因表达的影响。流式细胞仪分析显示,经3.125、6.25、12.5 mg/L Ag NPs处理后,P.stutzeri的早期凋亡率分别为8.72%、30.60%和48.60%。扫描电子显微镜(SEM)成像、Zeta电位分析、乳酸脱氢酶(LDH)释放和丙二醛(MDA)产生结果显示,纳米银能吸附在细胞表面,改变细胞膜电位和介导细胞膜脂质过氧化作用,最终导致了细胞形态的畸变。透射电镜(TEM)图像和ICP-MS对Ag含量分布的测量表明,纳米银很容易被P.stutzeri内化,从而增加活性氧(ROS)的积累。此外,纳米银的存在也大大抑制了基因nap A、nir S、cnor B和nos Z的表达,降低了硝酸盐还原酶(NAR)和亚硝酸盐还原酶(NIR)的活性。这些发现将有助于进一步了解纳米银的细胞毒性机制,为评估纳米颗粒在环境中的负效应提供参考。(3)以有机质富里酸(FA)和腐殖酸(HA)存在下纳米银对P.stutzeri的毒性为研究内容,探究有机质存在下纳米银对土壤反硝化微生物的影响。结果显示,FA和HA存在下能减弱纳米银对P.stutzeri的毒性,且HA的减缓作用强于FA。添加FA或HA后,傅里叶红外图谱显示,纳米银可与有机质的羧基发生结合;添加FA或HA后能减轻纳米银对P.stutzeri活性抑制,但培养24 h后,同时添加50 mg/LFA/HA和纳米银,细菌抑制率反而上升;两种有机质存在下能减弱纳米银对P.stutzeri的细胞膜损伤;50 mg/LFA/HA和纳米银暴露24 h后,银内化结果显示银在细胞内含量比单独添加纳米银时高,高浓度有机质促进细胞对银的内化作用。
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