水环境中ZnO纳米颗粒对大肠杆菌的毒性及影响因素

摘要

人工纳米颗粒已广泛应用在工业和生活各个领域,它们在生产、运输、使用及处理过程中不可避免地进入环境,从而对生态环境产生一定风险。本文研究了水中ZnO、TiO2、Al2O3和SiO2等典型氧化物纳米颗粒对大肠杆菌的毒性效应,探讨了水化学性质、共存纳米颗粒和表面活性剂对ZnO纳米颗粒(nano-ZnO)毒性的影响及机理。论文取得了以下主要结果:
　　 (1)初步探明了ZnO、TiO2、Al2O3和SiO2纳米颗粒对水中大肠杆菌的毒性效应和机理。超纯水中纳米颗粒对大肠杆菌的毒性大小为ZnO＞TiO2(锐钛矿相)、Al2O3＞SiO2、TiO2(金红石相)(无毒性)。Nano-ZnO的毒性主要来自其释放的锌离子;而锐钛矿相nano-TiO2和nano-Al2O3的毒性主要与颗粒自身和细菌间的化学或物理作用有关。
　　 (2)揭示了水化学性质对nano-ZnO大肠杆菌毒性的影响及其机理。不同培养基中nano-ZnO毒性主要取决于游离Zn2+浓度和细菌对毒性的抵抗力,培养基成分和溶液渗透压分别影响游离Zn2+浓度和细菌的耐毒能力;磷酸根和有机物可显著降低游离Zn2+浓度,而等渗(0.85％NaCl、PBS)和富营养(MD、LB)条件可增强细菌耐毒能力,导致不同培养基中nano-ZnO毒性的差异。模拟天然水中nano-ZnO对大肠杆菌的毒性除由游离Zn2+浓度控制外,还受Ca2+、Mg2+的影响;pH、离子强度、阴离子和天然有机质(如胡敏酸和富里酸)均可影响nano-ZnO的溶解度以及游离Zn2+浓度,而Ca2+、Mg2+可与Zn2+竞争细胞的毒性位点,降低游离Zn2+毒性。
　　 (3)阐明了水中共存纳米颗粒和表面活性剂对nano-ZnO大肠杆菌毒性的影响及机理。未观察到nano-TiO2或nano-Al2O3对nano-ZnO毒性的影响。阴离子表面活性剂SDBS不仅可降低水中游离Zn2+浓度,还可降低水中Ca2+和Mg2+浓度,导致不同SDBS浓度时nano-ZnO毒性的差异。非离子表面活性剂Tween80对nano-ZnO溶解和毒性影响不大。生物表面活性剂Saponins(皂角苷)可以与锌离子络合,从而降低nano-ZnO对大肠杆菌的毒性。