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近些年来,纳米材料因其在很多领域,如医学、生物工程、电子工业、环境产业、能源环保等均具有广泛的用途而受到关注。纳米氧化铜(nano-CuO)是应用范围最广的纳米材料之一,然而nano-CuO也因为其粒径小,具有表面效应,能溶出金属离子等特点对生物产生毒性作用。当生产、应用中的nano-CuO进入到水和土壤环境中时,就会对赖以生存的生物造成影响,进而对生态环境系统构成潜在的威胁。土壤可溶性有机质(DOM)能够为土壤中的微生物提供能量和养分,它影响着土壤中各元素及成分含量的变化,也能够改变土壤环境质量。同时,DOM被认为是土壤中微生物的第一道保护屏障,这是由于DOM中含有的主要组分如腐殖酸、蛋白质等能够与污染物发生结合,可以直接影响污染物的迁移转化等环境行为。本研究以模式生物大肠杆菌(Escherichia coli)为研究对象,通过对Escherichia coli的形貌影响和抑菌率的测定来探究nano-CuO对Escherichia coli的毒性作用。选择DOM缓解nano-CuO对Escherichia coli的毒性,并通过三维荧光光谱、同步荧光光谱、二维荧光光谱、二维红外光谱等手段,得出不同浓度nano-CuO条件下,DOM中荧光组分含量及荧光强度的变化。在此基础上,通过对同步荧光光谱数据的拟合计算出结合位点,对猝灭方式进行判断等手段来揭示DOM与nano-CuO的结合机制,从而降低nano-CuO对Escherichia coli的毒性,本研究的主要内容和结论分为以下三个方面。(1)为了研究nano-CuO对Escherichia coli的毒性效应,首先对nano-CuO通过透射电镜(TEM)、粒径分布、紫外可见吸收光谱(UV-Vis)、不同条件下nano-CuO的沉降性能及溶解度对材料进行表征。结果表明,nano-CuO的粒径主要分布在60-70 nm之间,氧化铜跃迁的吸收峰显现在270 nm处,浓度越高的nano-CuO沉降性能和溶解度就越高。在此基础上,nano-CuO对模式生物Escherichia coli的毒性影响用扫描电镜(SEM)和TEM对微观形貌进行观察,发现nano-CuO导致Escherichia coli失去了规则的形状,Escherichia coli表面存在破裂的情况,同时nano-CuO能够进入Escherichia coli内部,造成细胞膜的破损和裂解,且nano-CuO浓度越高,裂解程度也随之增加。通过抑菌率测试发现nano-CuO对Escherichia coli的抑菌率随着浓度的增加和时间的增长而变大,在6h时10 mg/L、20 mg/L、50 mg/L的nano-CuO 对 coli 的抑菌率分别为 92%、94%和 96%,表明了 nano-CuO 对Escherichia coli的生长抑制作用明显。(2)DOM缓解nano-CuO对Escherichia coli毒性效应研究实验中,测定了 DOM存在下,nano-CuO对Escherichia coli的毒性影响情况,通过SEM和TEM表征对DOM与Escherichia coli两者存在时和DOM、nano-CuO与Escherichia coli三者同时存在下的微观形貌进行了对比。同时对DOM存在下nano-CuO对Escherichia coli的抑菌率情况进行测试,结果显示,DOM本身对Escherichia coli的表面和内部结构没有造成影响;DOM存在下,nano-CuO对Escherichia coli的表面及内部结构有破坏,且nano-CuO进入到细胞内部造成细胞裂解,但是较相同浓度的nano-CuO相比,表面破坏和裂解程度下降。生长抑制方面,在同一时间,同一浓度nano-CuO条件下,添加DOM的Escherichia coli生长受到抑制情况均低于未添加DOM的Escherichia coli生长受到的抑制。添加了 DOM的Escherichia coli膜损伤比率低于未添加DOM的Escherichia coli膜损伤比率。(3)为了探究DOM与nano-CuO结合特性,应用三维荧光光谱、同步荧光光谱、二维荧光光谱、二维红外光谱等手段表征分析DOM与不同浓度nano-CuO作用机理。三维荧光光谱结果显示DOM中主要组分有蛋白质、富里酸、腐殖酸类物质,三个组分与nano-CuO有较强的结合能力。同步荧光光谱表明,腐殖酸是土壤DOM中主要的组成物质,当nano-CuO的浓度逐渐增加时,DOM的荧光强度降低。在此基础上,对同步荧光的数据进行Stern-Volmer线性拟合,蛋白质和腐殖酸物质的猝灭常数Kq分别为1.8×1011 L/mol/S和3.5 × 1011 L/mol/S,表明猝灭过程为静态猝灭。通过对结合位点的拟合,发现腐殖酸和蛋白质类物质均有一类结合位点。二维荧光光谱实验结果显示,腐殖酸类物质优先于蛋白质类物质与nano-CuO结合。二维红外光谱表明nano-CuO与DOM结合的结构变化顺序为:OH和C-O类蛋白结构中的羧基>无机物相关官能团)。