咔唑是一种含氮芳香族杂环化合物,是化石燃料中的主要成分,也是环境污染过程中的模式化合物。对咔唑的降解,微生物细胞固定化是一种高效、稳定、简便且环境友好的方法。由于磁性Fe3O4纳米颗粒良好的生物相容性、大的比表面积、超顺磁性等优势,可以作为微生物细胞固定化的新型载体。但微生物细胞/Fe3O4纳米颗粒复合体在降解过程中对环境的适应性和稳定性需要进一步的探究。在固定化过程中,纳米材料对微生物细胞的毒性效应以及产生这种毒性效应的机制,是当今研究者们关注的焦点。本文以实验室筛选的一株咔唑高效降解菌Sphingomonas sp.XLDN2-5为研究对象。以化学共沉淀的方法制备了具有超顺磁性的Fe3O4纳米颗粒,以吸附法成功构建了Sphingomonas sp.XLDN2-5/Fe3O4纳米颗粒复合体。并用透射电镜(TEM)对纳米颗粒进行了初步表征。考察了在不同环境条件下复合体细胞的咔唑降解性能,发现在37℃和pH7.0的反应条件下,复合体细胞在7 h内将3500μg咔唑完全降解,表现出了最优的咔唑降解活性;相对游离细胞,复合体细胞表现出了更宽的温度和pH适用范围。当加入LogP等于6.6的十二烷溶剂时,不会降低复合体的咔唑降解速率,而LogP小于4的有机溶剂会严重影响游离和固定细胞的咔唑降解活性。Sphingomonas sp.XLDN2-5/Fe3O4纳米颗粒复合体可被外加磁场高效回收,此特性可用于固定化细胞的重复利用实验。实验表明在10个批次的重复利用过程中,随着重复次数的增加固定化细胞降解咔唑的速率明显提高,当重复利用第十个批次时,复合体细胞可在2 h降解完定量咔唑。当在4℃下长时间储存时,复合体可在短时间内恢复咔唑降解性能,表现出了优异的稳定性,这为复合体细胞的长期多次利用奠定了基础。在纳米材料抑菌效应的探究中,选择了 Fe3O4纳米颗粒、Fe2O3纳米颗粒、Al2O3纳米颗粒以及多壁碳纳米管(MWCNT)作为固定化载体。固定2 h后,四种纳米材料对Sphingomonassp.XLDN2-5细胞表现出了浓度依赖性的抑菌作用,且在低浓度下均不会对细胞的咔唑降解性能产生明显影响。针对纳米颗粒抑菌效应的可能机制,TEM观察发现,固定化后大部分纳米材料明显吸附于微生物细胞表面,这种直接接触可能会引发纳米材料对微生物细胞表面的损伤;Zeta电位检测发现,微生物细胞和纳米材料的表面电位值相似,这种现象可有效解释低浓度下纳米材料对细胞的低毒性。接下来研究了 Fe3O4纳米颗粒的抑菌机制,检测了Fe3O4纳米颗粒可能引发的胞内活性氧分子(ROS)和细胞壁表面损伤。结果表明,随着Fe3O4纳米颗粒浓度的增加,胞内ROS和胞壁损伤均可被明显检测到,说明胞内ROS的生成和细胞壁的损伤为高浓度Fe3O4纳米颗粒抑菌的可能机制。