纳米零价铁(nanoscale zero.valent iron，nZVI)是粒径1.100nm的Feo颗粒，具有比表面积大、还原性强等特点，近年来，成为研究去除土壤和地下水中重金属、含氯有机物等污染物的热门。由于nZVI的尺寸效应和强还原性，可能对土壤中的生物具有潜在的危害性。土壤中的微生物作为生态系统的分解者，对生态系统的物质循环具有重要作用，目前，关于nZVI对微生物的致毒机制尚未有统一定论，以往的研究多与nZVI的尺寸、表面修饰、剂量等有关，对nZVI与微生物细胞之间详细的作用过程缺乏深入探究。本文选取典型模式微生物大肠杆菌的母系菌株及其单基因敲除的突变菌株作为研究对象，从nZVI与细菌细胞的胞外和胞内作用途径两个方向出发，全面研究nZVI的毒性机制。
　　首先，nZVI的胞外作用途径主要是通过物理吸附以破坏细胞膜、产生ROSs(Reactive oxygen species，ROSs)以氧化损伤细胞的方式。胞外聚合物(Extracellular polymeric substances，EPS)是一类包裹在细菌外周的重要大分子聚合物，作为nZVI与细胞之间的屏障，对nZVI胞外毒性的影响不可忽视。选用母系菌株BW25113和EPS分泌相关基因敲除的突变菌株JW2034(EPS含量较低)以及JW59l7(EPS含量较高)进行对比实验，发现EPS含罱离的菌株在nZVI暴露下失活率低，失活率依次是：JW5917＜BW25113＜JW2034，说明EPS有助于提高E coli对nZVI的毒性的抗性。于是，探究了EPS对nZVI主要的致毒途径ROSs氧化损伤和吸附性膜损伤的影响。一方面，EPS对ROSs具有淬灭作用，表现为EPS含量高的菌株JW5917对ROSs的淬灭作用明显强于EPS含量低的菌株JW2034，从而降低细胞的氧化损伤水平。同时，EPS含量高的JW5917菌株能够显著加速nZVI的氧化腐蚀生成低毒产物，从而降低nZVI对细胞的毒性。但另一方面，EPS加速了细胞膜损伤，菌株JW5917表现出与nZVI更强的吸附性，由吸附nZVI导致的细胞膜损伤较其它菌株更严重，不过膜损伤对EPS含量高的菌株并不是致命的，细胞可以在适当条件下自行修复。因此，EPS对nZVI毒性的影响并不是单一机理的，但综合看其对ROSs的淬灭作用要大于其对nZVI的吸附作用。
　　其次，nZVI胞内毒性作用应该和细菌铁摄入介导的胞内ROSs衍生过程有关，但目前的研究都缺乏直接的证据。采用铁摄入相关基因缺陷的突变菌株和母菌株进行对照研究，证明铁摄入过量或胞内铁螯合蛋白缺陷的突变菌株更容易被nZVI灭活，而DNA氧化损伤修复缺陷的菌株对nZVI也更加敏感，说明铁摄入诱导的胞内ROSs衍生反应是重要的nZVI胞内毒性作用途径。并且，通过Calcein-AM法首次找到了细胞过量摄入亚铁离子的证据，而且在有氧条件和无氧条件下，胞内ROSs的产生与亚铁离子的摄入量有直接关系。还发现，细胞的铁摄入不仅与nZVI的铁溶出水平有关，更重要的是，颗粒态nZVI对细胞膜的损伤导致细胞膜的通透性增加，从而加速了亚铁离子的摄入，这也解释了为什么无氧条件下nZVI杀菌活性要强于有氧条件，这是因为无氧条件下细胞膜损伤更严重，导致胞内铁摄入量更大,这一点在以往的研究中往往被忽视掉。进而通过使用2，2’-联吡啶(2，2’Bipyridine，BIP)清除胞内亚铁离子的方法来去除胞内ROSs，再检测nZVI对大肠杆菌的灭活率改变，以此量化铁摄入介导的胞内ROSs途径对E.coli灭活的贡献，发现在有氧条件和无氧条件下，胞内ROSs氧化损伤对细菌灭活的贡献比例分别为30～70％和40～70％，说明该损伤途径在nZVI灭活大肠杆菌作用中占有重要地位。这些发现将有助于深入了解nZVI对微生物的毒性作用，对评估nZVI的生态安全性具有重要的参考价值。