納米TiO2光淬滅群體感應(yīng)信號分子AI-2調(diào)控Escherichia coli K12生物膜發(fā)育的研究.pdf

1、隨著納米技術(shù)的疾速發(fā)展，人工納米材料及其產(chǎn)品已得到廣泛應(yīng)用，并通過多種方式被釋放到環(huán)境中。近年來，納米材料所引發(fā)的潛在環(huán)境與健康風(fēng)險已日益受到關(guān)注，其生物安全性及生態(tài)毒理效應(yīng)也逐漸成為環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。TiO2納米材料因其固有的穩(wěn)定性和優(yōu)越的光催化性能而被應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。大量的研究表明，納米TiO2光催化所產(chǎn)生的活性氧自由基（ROS）可損傷細胞膜，并抑制細菌生長。但是目前關(guān)于納米TiO2環(huán)境效應(yīng)的研究多集中于光激發(fā)對細胞個體的急性

2、毒性，而其對微生物群體行為的非毒性脅迫效應(yīng)的研究尚未見報道。因此，本論文以納米TiO2作為研究對象，探究其在低光強激發(fā)條件下對Escherichia coli K12細菌群體行為的影響，并從細菌群體感應(yīng)調(diào)控的角度出發(fā)，闡釋其對生物膜形成過程的非毒性脅迫機理。本研究初步獲得了以下幾個結(jié)論：
　?。?）實驗中TiO2（濃度分別為50mg/L、100mg/L、200mg/L）和UV（光強分別為150μW/cm2、300μW/cm2、45

3、0μW/cm2）單獨處理對E. coli K12個體細胞增殖均無明顯的抑制作用。但TiO2和UV的聯(lián)用會顯著降低培養(yǎng)前期E. coli K12生物膜的形成量。當(dāng)達到穩(wěn)定期后，生物膜逐漸恢復(fù)到正常生長水平。結(jié)果顯示出納米TiO2光催化并不會完全阻礙E.coli K12生物膜的生長，而是延遲了形成過程的起始。
　?。?）根據(jù)實驗結(jié)果確定了最適光催化條件：TiO2濃度為100mg/L和UV強度為150μW/cm2。在此條件下，利用綠色熒

4、光蛋白GFP對E.coli K12細胞進行標記，并三維重構(gòu)生物膜的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，納米TiO2光催化處理會嚴重阻礙E.coli K12生物膜的正常發(fā)育，不僅使E.coli K12生物膜的生物量顯著降低，而且也導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)更為松散。
　?。?）E.coli K12生物膜形成過程中細菌群體感應(yīng)信號分子AI-2活性與生物膜的形成相關(guān)。培養(yǎng)前10h中，伴隨著生物膜發(fā)育受到抑制，AI-2活性的增加也受到TiO2光激發(fā)處理的影響。由于AI-

5、2信號分子的產(chǎn)率會隨著菌體密度的提高而逐漸升高，因此在TiO2光催化處理條件下，AI-2信號分子仍能積累并最終觸發(fā)E.coli K12群體感應(yīng)系統(tǒng)。
　?。?）納米TiO2光激發(fā)可產(chǎn)生O2·-和·OH兩類ROS。低水平光生ROS雖不能導(dǎo)致細胞毒性，卻能降解AI-2信號分子。向培養(yǎng)體系中外源添加AI-2前體物質(zhì)DPD，能顯著減弱TiO2光激發(fā)對E.coli K12生物膜發(fā)育的脅迫作用。此外，受到AI-2信號正調(diào)控的生物膜形成相關(guān)基因