生物膜中纳米TiO2高亲和胞外蛋白的解析及结合机制

Once the nanoparticles (NPs) enter the biofilm, they can migrate in the interior region. The penetration of NPs to microbial cell membrane leads to cytotoxicity. NPs can be bound or wrapped by the extracellular proteins with high affinity to them in the process of migration within the biofilm. These proteins limit the migration of NPs, and thus the extracellular proteins with high affinity to NPs play an important role in relieving NPs toxicity. However, these extracellular proteins composition and the binding mechanism to NPs are unclear. The objective of the project is to research the component of biofilm extracellular proteins with high affinity to TiO2 NPs and to research their binding mechanism. The main researches are as follows. The proteomics and function of the extracellular proteins with high affinity to TiO2 NPs produced by microbes under the long exposure of different NPs sizes will be resolved. The binding mechanism of these proteins to TiO2 NPs will be analyzed. The effect of TiO2 NPs on the adhesion properties of these proteins will be investigated. The smooth operation of the project will be conducive to reveal the binding characteristics of TiO2 NPs within the biofilm, and will be provide theoretical support to enhance the extracellular immobilization of TiO2 NPs by biofilm and reduce their cytotoxicity.

纳米颗粒（NPs）进入废水处理生物膜后在其内部迁移，并穿透微生物细胞膜引起细胞毒性。NPs在生物膜内部迁移的过程中会被对其亲和力较高的胞外蛋白紧密结合或卷裹而难以迁移，因此，对NPs高亲和的胞外蛋白具有减缓NPs毒性的重要作用。但目前关于这类胞外蛋白的成分及其与NPs的结合机制尚不清楚。本项目选取TiO2 NPs为研究对象，以研究生物膜中对TiO2 NPs高亲和胞外蛋白成分及其与TiO2 NPs的结合机制为目标。主要研究内容包括解析不同粒径TiO2 NPs长期暴露下微生物所产生的TiO2 NPs高亲和胞外蛋白组及其功能、分析其与TiO2 NPs的结合机理、并考察TiO2 NPs对其粘附特性的影响。本项目的顺利开展将有助于揭示TiO2 NPs在生物膜内部的结合特征，为增强生物膜对TiO2 NPs的胞外固定和降低其细胞毒性提供理论支撑。

纳米颗粒（NPs）进入废水处理生物膜或污泥絮体等微生物聚集体后在其内部迁移，并穿透微生物细胞膜引起细胞毒性并影响生物膜的形成与脱落。NPs在微生物聚集体内部迁移的过程中会被对其亲和力较高的蛋白紧密结合或卷裹而难以迁移，同时，NPs高亲和的胞外蛋白亦会影响NPs对毒性物质的携带作用。为揭示NPs在污水处理系统中的迁移规律和生物效应，本研究以纳米TiO2（TNPs）为对象开展了三个方面的研究：（1）TNPs高亲和蛋白的解析及其对纳米颗粒聚集沉降的影响；（2）TNPs高亲和蛋白所形成蛋白冠的特性及其对重金属吸附性能；（3）TNPs对细菌生物膜形成和成熟生物膜的脱落影响。.研究结果揭示了NPs高亲和蛋白对NPs在微生物聚集体内部迁移过程中的作用；发现了纳米颗粒表面的高亲和蛋白增强了其对重金属的积累，并增大了纳米毒性；阐明了TNPs诱导了成熟生物膜脱落和通过胁迫作用促进细菌形成生物膜的机理。这些成果表明了NPs-蛋白冠在吸附去除重金属方面、以及TNPs在促进生物膜反应器挂膜方面具有良好的应用潜力。本课题研究成果主要以论文形式呈现，已累计正式发表SCI期刊论文9篇，待刊2篇。