纳米材料由于其独特的物理化学性质和优异的性能,被广泛应用于能源、材料、机械、生物医学成像、环境保护和药物运输等领域。随着人工纳米材料在各领域的广泛应用,其将不可避免地释放到环境中,从而引起人们对其环境安全性的担忧。合成环境友好和生物兼容的功能纳米材料,并研究纳米材料和有机体的相互作用过程,探索人工纳米材料对生物功能影响的机制,对于指导纳米材料合成技术的改进,充分应用纳米材料和纳米技术解决复杂的环境问题具有重要的意义。本学位论文工作针对纳米材料与微生物的相互作用问题,选用环境混合微生物、秀丽隐杆线虫和噬菌体等三种生物体系分别对纳米材料的生物响应、生物合成以及利用进行探索,主要研究内容和结果如下:1.环境混合微生物对碳纳米材料的响应。环境微生物暴露在外界不利环境时,会启动一系列防御过程来降低毒性影响,并维持自己的环境功能。通过追踪环境混合微生物--厌氧颗粒污泥对单壁碳纳米管(Single wall carbon nanotubes,SWCNTs)暴露的响应过程,分析检测生化特性、污泥群落结构、形态结构、电导分析等多个指标的变化趋势,解析了 SWCNTs对厌氧消化产甲烷过程的影响机制。结果表明,SWCNTs并不会显著抑制污泥的产甲烷能力,反而提高了厌氧颗粒污泥的底物利用速率和产甲烷速率。这主要得益于两大机制:一方面在SWCNTs刺激下,厌氧颗粒污泥表层细菌分泌更多的胞外多聚物EPS将其包裹缠绕,从而阻碍碳纳米管对颗粒污泥的穿刺,并降低其对内层产甲烷菌的毒性影响;另一方面SWCNTs在污泥颗粒外层的包裹缠绕可以显著增强污泥的导电能力。微生物群落分析结果表明,产酸菌和噬酸产甲烷菌占较大比例,暗示SWCNTs可以显著增强产酸细菌和产甲烷古菌之间的直接种间电子传递,进而提高甲烷的产生速率。该研究结果发现了碳纳米管对功能微生物群落的潜在功能促进行为,为碳纳米管的环境毒理学效应提供了新的认识。2.模式动物-秀丽隐杆线虫体内量子点纳米材料的合成。微生物在重金属离子暴露环境下启动一系列解毒过程来捕获游离的重金属离子,并在体内形成无机纳米材料。在微型模式动物-秀丽隐杆线虫体内合成了具有黄绿色荧光的CdSe量子点,利用原位观测技术追踪其整个合成过程,并利用硬X射线元素分析技术获得了 Se元素分布和周围原子状态变化规律;利用拉曼光谱、透射电镜、元素分析以及同步辐射等手段对分离纯化后的量子点进行了形貌、晶型、物相、精细结构原子排布特征的分析。研究表明,量子点先在线虫的咽部和肠道前端开始合成,随后扩展到整个肠道,并在后期出现Se、Cd元素的外排;线虫合成的量子点为被CdS包裹的六方相CdSe,其中Se原子周围与4个Cd原子进行配位,配位键长约为2.62 A。由于线虫具有大量与人类基因高度同源的基因和与人类疾病相关的生物学特性,该研究可为其他高等生物甚至是人体解毒的研究提供有益的信息,并拓展了量子点的生物合成体系。3.秀丽隐杆线虫体内合成CdSe量子点的分子生物学机制。通过监测量子点合成过程中巯基类化合物的含量变化以及相关基因的表达变化(RT-PCR),探究了参与线虫量子点合成过程的分子生物学响应机制,发现硒暴露会刺激线虫体内巯基类物质的合成,并通过巯基类物质的氧化将SeO32-还原成有机硒在体内累积;Cd2+的再暴露会进一步刺激总巯基含量的显著增加且大多处于还原态,说明CdSe量子点的形成造成有机硒的消耗,将反馈刺激巯基类物质的生成,而更多的巯基类物质又会进一步促进有机硒、有机镉的形成和量子点的组装。在此过程中,谷胱甘肽(GSH)、金属硫蛋白(MT)的相关基因表达量均大幅增加,但与只有镉的暴露组相比,基因表达量变化不大或出现下降;在量子点合成后期,植物螯合肽合成酶基因(pcs-1)表达量急剧上升,此时量子点产率也开始大幅增加,预示着植物螯合肽(PCs)在CdSe量子点的生物合成过程中扮演着关键角色;利用基因表达谱进一步探索了量子点合成对线虫其他基因表达的影响,发现200 μM Na2SeO3的暴露对线虫基础代谢路径的影响较小,而250μM Cd2+的长期暴露则会显著抑制线虫的基础代谢过程,并强烈刺激细胞色素P450(一类亚铁血红素-硫醇盐蛋白超家族,用于内源和外源性物质代谢)、GSH等代谢路径的基因表达,用于外源毒物Cd2+的解毒。4.巯基类物质在量子点体内合成过程中的作用。通过体外仿生实验和密度泛函理论计算相结合的方法,深入解析了富含半胱氨酸的重金属鳌合类生物分子GSH、MT、PCs在量子点生物合成过程中所起的作用。试验结果验证了 PCs在温和条件下体外合成CdSe量子点的能力;通过这三种巯基类物质与Cd2+的结合能力以及与Sec配位形成量子点前驱体的能力的对比分析,发现PC2在热力学上比GSH更容易结合Cd2+;PC2与两个Cd2+配位形成的PC2-Cd2比MT-Cdn的稳定笼状结构更易与Sec配位形成PC2-Cd2-Sec2;理论分析结果表明,PC2在捕获Cd2+并形成CdSe量子点前驱体的过程中具有显著的优势,从而从分子水平上揭示了 PCs在线虫合成量子点过程中所起到的关键作用,预示其在高等生物解毒过程中所扮演的重要角色。5.噬菌体-磁性纳米材料的耦合和应用。微生物借助功能纳米材料将更大地发挥自身的优势,有助于解决复杂的环境污染问题。利用多价噬菌体的特异性识别功能和磁性纳米材料的靶向控制特性的耦合体系,发展了 一种去除载体表面细菌生物膜的新方法。结果表明,多价噬菌体PEL1通过共价键与磁性材料表面的结合过程受到磁性材料表面特性的影响,增加表面粗糙度和表面正电荷、氨基基团含量均可显著增强噬菌体的固定效率和侵染活性,获得了约(5.2±0.7)×106 PFU/mgCS-Fe304的噬菌体滴度。试验表明,此噬菌体-磁性微球复合材料可显著提高混合细菌生物膜的去除效率,在6个小时内可去除约88.7±2.8%的生物膜,这主要得益于噬菌体对宿主细胞的裂解、磁性材料对噬菌体的有效固定和导向、磁性材料穿透过程的机械破坏作用。该方法能够有效提高噬菌体处理生物膜的能力,可以去除广泛存在的抗性细菌,缓解抗生素滥用和细菌耐药性问题。