银纳米颗粒对细菌生物膜的毒性机理研究

To understand the interactions between silver nanoparticles (AgNPs) and environmental solid matrices, this project will use flow-cell to study the interactions between AgNPs and bacterial biofilm that frequently attach to the surfaces of solids. The flow-cell system will be combined with confocal laser scanning microscopy, hyperspectral darkfield microscopy and hyperspectral stimulated Raman scattering microscopy to develop the method of characterizing AgNPs-biofilm interactions in real time. The influences of environmental factors such as pH, ionic strength and dissolved organic matters and AgNP's surface chemistry on the attachment of AgNPs to biofilm will be carried out to investigate the mechanisms involved in the interactions between AgNPs and biofilm surfaces. The heterogeneous structure of bacterial biofilm will be explored to examine the transport and transformation of AgNPs in biofilm. The metabolism, transcription and mutation of the cells in aerobic and anaerobic zones will be analysed to elucidate the toxicity of AgNPs and bacterial resistance in biofilm. The results will be meaningful to understand the environmental behaviours and risk assessment of nanomaterials in real environments.

针对自然环境中银纳米颗粒（AgNPs）与周围固体介质相互作用研究的不足，本项目拟利用Flow-cell生物膜实验平台，耦联激光扫描共聚焦显微镜、纳米荧光超光谱显微镜和受激超光谱拉曼显微镜等分析技术，建立并发展在线检测AgNPs与细菌生物膜相互作用的方法学。以此为基础，明确在pH、离子强度和溶解性有机质等环境因素影响下不同表面特性的AgNPs与生物膜表面之间的相互作用机制，揭示AgNPs在生物膜内的动态迁移过程与溶解和还原反应规律。与此同时，深入剖析细菌生物膜的有氧和无氧分层结构，探索AgNPs暴露条件下生物膜不同微环境中细胞的代谢和基因表达，从微观层面揭示AgNPs对细菌生物膜的毒性机理以及细菌细胞的应激反应策略。研究成果将为真实环境中纳米材料污染物的迁移转化和生态毒理研究提供理论支持。

明确银纳米颗粒（AgNPs）与细菌生物膜的相互作用过程以及AgNPs对生物膜内细菌细胞的杀菌机理，是研究AgNP的微生物毒性和生态风险评价的重要理论问题。本项目构建激光扫描共聚焦显微镜（CLSM）flow-cell生物膜偶联实验平台，实现细菌细胞和生物膜的三维可视化，在三维尺度定量解析水力作用下Shewanella oneidensis细菌生物膜微观脱附现象，建立生物膜脱附模型。研究结果表明，生物膜厚度越大，表面结构越粗糙，水力剪切强度越大，生物膜脱附速率越大。数学模拟生物膜表面流场显示生物膜表面结构（包括生物膜厚度和粗糙度）影响其界面水力剪切力分布，高厚度或大粗糙度的结构通常在局部强化生物膜微观水力剪切强度。由于生物膜内微观环境表现出溶解氧梯度分布特性，本项目解析了有氧和无氧环境中AgNP的物理化学变化机理，重点分析具有氧化还原活性的环境有机物介导下溶解态银离子（Ag+）被还原形成AgNP的过程机理，以烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）、蒽醌-2,6-二磺酸盐（AQDS）和腐殖酸（HA）为有机物代表。结果显示，还原态有机物能快速还原Ag+形成AgNPs，而对应氧化态不具有Ag+还原能力。在有氧环境中，部分还原态有机物可能被逐渐氧化而丧失Ag+还原能。在紫外光照射下，无论在有氧或是无氧环境中，这些有机物可能与紫外光相互作用，产生具有还原能力的自由基或中间产物，促进AgNP生成。除此之外，本项目分析了长时间低浓度AgNP暴露下环境细菌Pseudomonas putida在基因水平的应激反应，通过全基因测序，筛选与Ag+或AgNP处理相关的基因突变，预测了Ag+影响细菌细胞质内部，而AgNP的主要毒性途径可能与细胞膜表面代谢相关。本项目研究归纳总结环境中微生物生物膜形成规律，揭示AgNP在生物膜微环境内的氧化还原变化机理，预测了AgNP的离子态和颗粒态细菌毒性通路，为AgNP的环境行为和微生物生态毒理研究提供科学依据和理论支撑。