石墨烯纳米材料的抗菌性及其对生物膜形成的影响

摘要

纳米科学在20世纪80年代末新兴发展起来，它与生命科学、信息科学并列为在21世纪最有前途的三大新科学技术领域。纳米材料因其纳米结构和纳米尺度而具有良好的磁性、导电性、光学性质、反应活性等，它们的开发应用正在促使越来越多的工业领域产生革命性的变化。纳米材料中碳纳米材料是其较大分支，而石墨烯是碳纳米材料中近几年来发展迅猛的一大新型材料。石墨烯应用在电子、通讯、能源、医药等方方面面，因此石墨烯纳米材料和相关的纳米产品在生产、使用和处理过程中，石墨烯不可避免地会通过各种途径进入环境，其独特的物理化学属性将可能带给生态环境不可预期的影响。因此，科研人员在欣赏石墨烯纳米材料正面效应的同时，正在对其可能的负面生态效应和环境影响给予越来越多的关注。与其他环境污染物相似，进入环境的石墨烯纳米材料，也会在水圈、大气圈、土壤圈和生命系统中进行一系列复杂的迁移和转化过程。水体中的石墨烯将会发生很多复杂的水环境行为:它们可能分散并稳定悬浮在水中，也可能因团聚而沉降到底泥中。不论以何种形态存在的石墨烯，都会对水体环境及水中生物产生影响。
　　生物膜是细菌为适应生存环境，在生长过程中生长在一定界面上的与悬浮细胞相对应的存在形式。石墨烯进入水体后，微生物生长的环境发生了变化，为了应对这些变化，细菌生长状态会发生相应变化，也可能影响细菌生物膜的形成。面对种种问题，目前关于石墨烯纳米材料对生物膜作用的文献报道少之又少，因此了解石墨烯纳米材料的抗菌性及其对生物膜的影响迫在眉睫。
　　本研究采用不同浓度的氧化石墨烯和石墨烯(0，10，20，40，80，160 mg/L)对细菌的作用进行研究，细菌采用革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的代表菌:大肠杆菌和枯草杆菌进行实验。实验结果表明:
　　(1)氧化石墨烯和石墨烯均有较强的抗菌性，并且随着氧化石墨烯和石墨烯浓度的升高，其抗菌性逐渐增强;
　　(2)氧化石墨烯和石墨烯对细菌生物膜的形成也有影响:低浓度的氧化石墨烯和石墨烯促进细菌生物膜的形成，高浓度的氧化石墨烯和石墨烯抑制生物膜的形成;
　　(3)通过XTT实验和谷胱甘肽(GSH)氧化实验探讨了石墨烯纳米材料的抗菌机制:XTT实验显示没有吸收，说明该纳米材料没有产生含氧自由基来对细胞进行作用;而GSH氧化实验中:GSH在不同浓度的氧化石墨烯和石墨烯存在时得到不同程度的氧化，说明石墨烯是通过产生非活性氧自由基来对细胞产生破坏;
　　(4)通过死细胞实验来验证石墨烯纳米材料对细菌生物膜形成的影响机制，初步得到石墨烯纳米材料对细菌生物膜影响的作用机制:当溶液中氧化石墨烯和石墨烯的浓度较低时，溶液中的氧化石墨烯和石墨烯起初为均匀的分散液，两种纳米颗粒较少，只有部分浮游细胞和纳米颗粒接触，然后这些细胞聚集形成细胞链来应对，一段时间后氧化石墨烯和石墨烯会团聚，细胞链会沉积在纳米颗粒表面并且纳米颗粒会对细胞产生膜压力，进而接连产生氧化压力，从而使细胞遭到破坏产生死细胞，这些死细胞会为活细胞提供保护屏障，使得活细胞在死细胞的保护下继续生长，使得生物膜继续形成。但是当氧化石墨烯和石墨烯的浓度变高时，溶液中氧化石墨烯和石墨烯颗粒的数量超过了细胞能够承受的范围，几乎所有的活细胞会被杀死，因而几乎没有活细胞可以继续生长，导致生物膜的生长得到抑制。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 纳米材料概述

1．2 石墨烯类碳纳米材料概述

1．2．1 石墨烯类碳纳米材料的发现

1．2．2 石墨烯的性质

1．2．3 石墨烯的制备

1．2．4 石墨烯的应用

1．3 纳米材料的环境行为

1．4 生物膜概述

1．5 研究的目的、意义和内容

1．5．1 研究的目的和意义

1．5．2 研究内容

第二章 氧化石墨烯和石墨烯纳米材料的制备和表征

2．1 概述

2．2 材料与方法

2．2．1 试剂与仪器

2．2．2 氧化石墨烯和石墨烯的制备

2．2．3 氧化石墨烯和石墨烯的表征

2．3 结果与讨论

2．4 本章小结

第三章 氧化石墨烯的抗菌性及其对生物膜形成的影响

3．1 概述

3．2 试剂与仪器

3．2．1 实验试剂

3．2．2 实验装置与仪器

3．3 试验方法

3．3．1 细菌培养及处理方法

3．3．2 细菌生长曲线的测定

3．3．3 细菌存活率的测定

3．3．4 细菌生物膜的测定

3．3．5 活性氧自由基(O2·-)的测定

3．3．6 谷胱甘肽(GSH)氧化实验

3．3．7 死细胞存在时生物膜形成实验

3．4 结果与讨论

3．4．1 氧化石墨烯对细菌生长的影响

3．4．2 氧化石墨烯存在时细菌生物膜形成情况

3．4．3 氧化石墨烯的抗菌机制分析

3．4．4 死细胞对活细胞的保护作用

3．4．5 氧化石墨烯对两种细菌生物膜影响的机理分析

3．5 本章小结

第四章 石墨烯的抗菌性及其对生物膜形成的影响

4．1 概述

4．2 试剂与仪器

4．2．1 实验试剂

4．2．3 实验装置与仪器

4．3 实验方法

4．3．1 细菌培养及处理方法

4．3．2 细菌生长曲线的测定

4．3．3 细菌存活率的测定

4．3．4 细菌生物膜的测定

4．3．5 活性氧自由基(O2·-)的测定

4．3．6 谷胱甘肽(GSH)氧化实验

4．3．7 死细胞存在时生物膜形成实验

4．4 结果与讨论

4．4．1 石墨烯对细菌生长的影响

4．4．2 石墨烯对细菌生物膜形成的影晌

4．4．3 石墨烯的抗菌机制分析

4．4．4 死细胞对活细胞的保护作用

4．4．5 石墨烯对两种细菌生物膜影响的机理分析

4．5 氧化石墨烯和石墨烯毒性大小比较

4．5．1 氧化石墨烯和石墨烯粒径分析

4．5．2 氧化石墨烯和石墨烯存在时细菌形态分析

4．5．3 氧化石墨烯和石墨烯毒性大小比较及成膜机理比较

4．6 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文成果