奇球菌属细菌转化金和银离子形成纳米颗粒的作用研究

摘要

纳米材料(Nanomaterial)是指在三维空间中至少有一个维度处于0.1～100nm范围内的新型材料，其合成一般通过物理、化学和生物合成法。物理、化学方法通常能耗高，易造成环境污染。生物合成法则是以生物为基体的绿色合成方法。由于微生物易于培养、生长快、廉价易得，已成为纳米颗粒生物合成的重要生物类群。许多细菌具有还原金属离子的能力，因而适用于金属纳米颗粒的合成。奇球菌属(Deinococcus)细菌是一类极端环境微生物，对电离辐射、紫外线、强氧化剂以及化学诱变剂等具有极强的耐受能力，并且具有较强的重金属离子还原能力，一直受到生物学、医学以及环境工程等领域的关注。但目前对奇球菌属细菌合成金属纳米颗粒的作用和机制尚缺乏研究。本文以奇球菌属的三种细菌为对象，开展了奇球菌合成金、银纳米颗粒作用的研究，主要研究内容和结果如下:
　　1.研究了奇球菌属(Deinococcus)中D.radiodurans、D.geothermalis和D.radiopugnans三种细菌分别利用溶液中金、银离子合成金纳米颗粒(AuNPs)、银纳米颗粒(AgNPs)的作用，发现三者均能合成金和银纳米颗粒;在相同实验条件下，中度嗜热奇球菌（D.geothermalis）和耐辐射奇球菌（D.radiodurans）的培养物合成纳米颗粒达到反应平衡所需时间相对较少，合成AuNPs约需10h达到反应平衡状态，合成AgNPs约需要25 h达到反应平衡状态。我们选取了合成纳米颗粒速度快并且菌体适应温度范围较宽(25～60℃)的中度嗜热奇球菌开展进一步研究。
　　2.利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱(EDX)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、动态光散射(DLS)等一系列技术手段对中度嗜热奇球菌生物合成的AuNPs和AgNPs进行了表征，发现纳米颗粒主要分布在细胞表面，也有部分在细胞外空间和胞内。纳米颗粒形态以球形或椭球形为主，少数形状不规则。金纳米颗粒在X射线能谱2.2 keV处呈现出较强的特征峰，其平均颗粒粒径为99.12 nm;银纳米颗粒在3 keV处有特征峰，平均颗粒粒径为40.37nm。并且合成的金、银纳米颗粒都会形成纳米晶体结构，晶格类型为面心立方结构。对菌体生物合成AuNPs、AgNPs的影响因素，包括金属离子浓度、反应体系温度和pH值等进行了分析。
　　3.采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术、细胞表面层蛋白缺失突变体构建和分析等方法对菌体生物合成金、银纳米颗粒的机制作了初步研究。FTIR分析结果发现C-O基团、多肽或蛋白质中的酰胺基团和羧基基团等可能参与了金属离子的还原转化和AuNPs、AgNPs的生物形成过程。蛋白质等生物分子可能在纳米粒子表面形成了包被层(capping)，以防止其团聚，起稳定纳米颗粒的作用。此外，菌体细胞外被表面层(Surface layer, S-layer)的SlpA蛋白缺失会降低菌体金、银纳米颗粒的合成能力，表明S-layer蛋白可能参与了纳米颗粒合成过程。
　　本文研究了奇球菌属细菌合成AuNPs、AgNPs的作用，开展了所合成的纳米颗粒表征以及合成影响条件的研究，初步探讨了奇球菌属细菌合成金、银纳米颗粒的机制，研究结果为利用极端微生物合成纳米材料及其生物合成机制的深入研究提供了一定的基础。

目录

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致谢

摘要

主要缩略词

第一章 文献综述

1．2 贵金属纳米材料在各领域的应用价值和前景

1．2．1 贵金属纳米材料在催化行业中的应用

1．2．2 贵金属纳米材料在医学行业中的应用

1．2．3 贵金属纳米材料在生物分析领域中的应用

1．3 微生物法合成金、银纳米颗粒的研究进展

1．3．1 金纳米颗粒(Gold nanoparticles，AuNPs)的微生物合成

1．3．2 银纳米颗粒(Silver nanoparticles，AgNPs)的微生物合成

1．4 奇球菌属(Deinococcus)细菌的相关研究进展

1．4．1 奇球菌属细菌的生物学分类

1．4．2 耐辐射奇球菌(Deinococcus radiodurans)的基本概况

1．4．3 中度嗜热奇球菌(Deinococcus geothermalis)的基本概况

1．4．4 Deinococcus radiopugnans菌的基本概况

1．5 奇球菌属细菌在合成金属纳米颗粒方面的潜力和价值

参考文献

第二章 奇球菌属细菌合成金、银纳米颗粒的作用分析

2．1 引言

2．2 实验材料与方法

2．2．1 实验菌株

2．2．2 主要试剂和实验仪器

2．2．4 纳米颗粒的紫外-可见光(UV-Vis)吸收光谱分析

2．3 结果与分析

2．3．1 金纳米颗粒(AuNPs)生物合成作用分析

2．3．2 银纳米颗粒(AgNPs)生物合成作用分析

2．4 讨论与小结

参考文献

第三章 中度嗜热奇球菌合成的纳米颗粒表征及合成反应的影响因素

3．1 引言

3．2 实验材料与方法

3．2．1 实验菌株和主要试剂

3．2．3 紫外-可见光(UV-Vis)光谱分析及pH调节

3．2．5 纳米颗粒的透射电子显微镜(TEM)分析

3．2．6 动态光散射DLS(dynamic light scattering)和zeta电位分析

3．2．7 金属纳米颗粒的X射线衍射(XRD)分析

3．3 结果与分析

3．3．1 菌体细胞合成金纳米颗粒的扫描电镜和能谱分析

3．3．2 合成金纳米颗粒的透射电镜分析

3．3．3 金纳米颗粒的粒径分布和zeta电位分析

3．3．4 金纳米颗粒的X射线衍射(XRD)分析

3．3．5 菌体细胞合成银纳米颗粒的扫描电镜和能谱分析

3．3．6 合成银纳米颗粒的透射电镜分析

3．3．7 银纳米颗粒的粒径分布和Zeta电位分析

3．3．8 银纳米颗粒的X射线衍射(XRD)分析

3．3．9 中度嗜热奇球菌合成金纳米颗粒反应的影响因素分析

3．3．10 中度嗜热奇球菌合成银纳米颗粒反应的影响因素分析

3．4 讨论与小结

参考文献

第四章 奇球菌属细菌合成金、银纳米颗粒机制的初步研究

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 实验菌株

4．2．2 主要实验仪器和试剂

4．2．3 傅里叶变换红外光谱(FTIR)样品制备与分析

4．2．4 纳米颗粒的紫外-可见光(UV-Vis)吸收光谱分析

4．2．5 基因组DNA的提取

4．2．6 构建细胞表面层蛋白的基因缺失突变株

4．3 结果与分析

4．3．1 菌体合成金纳米颗粒的傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析

4．3．2 菌体合成银纳米颗粒的傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析

4．3．3 细胞外被蛋白SlpA基因突变对金、银纳米颗粒合成的影响

4．4 讨论与小结

参考文献

第五章 总结与展望

硕士期间发表的论文