金属和碳基纳米材料对反硝化微生物的联合效应及其毒性削减研究

Recently, due to the unique physical and chemical characteristics, metal and carbon-based nanomaterials have been widely used in the fields of electronics, medicine and environmental protection. However, with their increasing production and application, some nanomaterials have been found to enter into the environment, which causes wide concerns about their environmental risks. It is well-known that the global nitrogen cycle, greenhouse gas (such as N2O) emissions and water eutrophication are closely related to the metabolism of denitrifying bacteria. Nevertheless, to date, there are few studies concerning the potential effects of single or combined engineered nanomaterials on denitrifying bacteria. Meanwhile, the current studies focus on the toxicity of engineered nanomaterials to model organisms, but neglect their toxicity reduction. Therefore, this project focuses on the joint effects of metal and carbon-based nanomaterials on denitrifying bacteria, and the detailed mechanisms of these joint effects are investigated by the analyses of the changes of cell structures, respiration, transcriptional regulations of functional genes, and activities of key enzymes of denitrifying bacteria. The effective reduction of joint toxicity caused by metal and carbon-based nanomaterials is also explored in this project. It can be seen that the results of this project will enrich the understanding of joint effects of nanomaterials, and establish the theoretical basis for effectively controlling the environmental risks of nanomaterials.

近年来，金属和碳基纳米材料以其独特的物理和化学特性在电子、医药和环保等领域获得了广泛应用。但是，随着纳米材料的大量生产和广泛使用，部分纳米材料流入到自然环境中，这引起了国内外研究者对其环境风险的广泛关注。在自然环境中，反硝化微生物的代谢过程与全球氮素循环、温室气体（如一氧化二氮）排放和水体富营养化等息息相关。但是，截止目前，很少有研究关注单一或复合人工纳米材料对反硝化微生物的潜在影响。同时，目前的研究主要围绕人工纳米材料对模式生物的毒性效应展开，忽略了纳米材料生物毒性的削减研究。因此，本项目研究了金属和碳基纳米材料对反硝化微生物的联合效应，并从微生物的细胞结构、呼吸作用、功能基因转录调控和关键酶活性变化等角度，研究了金属和碳基纳米材料影响反硝化微生物的机理，并提出有效削减复合纳米材料联合毒性的措施。这些研究将有助于人们认识纳米材料的联合效应，为有效控制纳米材料的环境风险奠定理论基础。

金属和碳基纳米材料以其独特的物理和化学特性被广泛应用于工业生产和日常生活。但是，随着纳米材料的大量生产和广泛使用，其流入环境后可能对微生物带来潜在生物毒性引了起来越多的关注。本项目以典型金属、氧化物和碳基纳米材料为代表，研究了单一和混合纳米材料对反硝化微生物生长和代谢的影响，并从分子生物学等角度探讨了其作用机理，最后提出了有效削减纳米材料生物毒性的方法。研究发现，典型纳米材料的存在显著影响了反硝化微生物的生长与代谢，尤其是显著抑制了硝酸盐的还原，这将不利于环境中氮素的循环。机理研究表明，纳米材料可通过改变反硝化微生物细胞结构、生长活力、关键基因（碳源代谢相关基因与反硝化还原酶的编码基因等）的表达、关机酶的催化活性及胞内物质合成与降解等，从而降低微生物反硝化的效率。混合纳米材料生物毒性的研究进一步发现，单壁碳纳米管的存在影响了纳米氧化铜对反硝化微生物的生物毒性。且随着单壁碳纳米管浓度的增加，硝酸盐的还原率得到显著恢复。机理研究指出，由于纳米氧化铜与单壁碳纳米管之间具有比纳米氧化铜与细胞间更小的结合势能垒，导致其在体系中形成了粒径更大、表面更疏松和负电荷更多的异相聚集体。相比单独的纳米氧化铜，聚集体纳米材料更难进入细胞，对反硝化微生物的碳源代谢、还原力产生和反硝化酶活性等的抑制作用较弱。纳米材料生物毒性削减研究发现，在纳米铜存在条件下，加入适量的剩余污泥碱性发酵液可使硝酸盐的还原率恢复至接近正常水平，即剩余污泥碱性发酵液可显著削减纳米氧化铜对反硝化微生物的不利影响。进一步研究指出，剩余污泥碱性发酵液所含的短链脂肪酸和蛋白质具有缓解毒性的作用，这可能与其参与反硝化微生物胞内物质转运、电子传递和反硝化等过程有关。这些研究成果有助于人们更加全面地认识纳米材料对环境微生物的潜在风险，也为进一步有效控制纳米材料的生物毒性提供了新的思路。