石墨烯基纳米材料对海洋微生物的影响研究

论文摘要

石墨烯因其优异的性质而得到广泛应用,且具有极强的吸附能力,能够与其它纳米材料（重金属离子或金属氧化物）相结合。进入环境中的纳米材料不会被降解,最终将可能通过各种途径汇集到海洋,对未来的海洋生态环境造成影响。为评估石墨烯对海洋环境的生态毒性效应,本研究分析了功能化石墨烯对海洋微生物生长的影响及抑制机理,以及氧化石墨烯和纳米二氧化钛的混合污染对海洋细菌的影响。本研究首先对多种常见海洋微生物的生长进行了探究,包括海杆菌（Marinobacter sp.）、盐单胞菌（HHaalomonas sp.）、交替单胞菌（Alteromonas sp.）、副溶血弧菌（Vbrio parahaemolyticus）、聚球藻（Synechococcus sp.）和红酵母（Rhodotorula sp.）,同时选取枯草芽胞杆菌（·Bacillus subtilis）和大肠杆菌（Escherichia coli）分别作为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌进行参照研究。以细胞生物量和生化耗氧量作为评估功能化石墨烯对海洋微生.物影响的重要指标。研究结果显示,不同浓度（1～50 mg/L）的功能化石墨烯对海杆菌、盐单胞菌、交替单胞菌、副溶血弧菌、大肠杆菌、枯草芽胞杆菌和红酵母的生长有一定程度的抑制作用,且抑制程度与功能化石墨烯浓度呈正相关,即高浓度功能化石墨烯（50 mg/L）对上述海洋微生物的抑制作用最强;然而,低浓度（1 mg/L）功能化石墨烯对聚球藻生长有一定的促进作用,高浓度（10 mg/L和50 mg/L）的功能化石墨烯对聚球藻生长有抑制作用。为了进一步了解功能化石墨烯对海洋微生物群落的影响,通过模拟海洋生态环境条件,将功能化石墨烯分别投加到海水（50 mg/L）和海洋沉积物（50 mg/kg）中,2周后观察海洋细菌菌群动态变化。通过细菌16S rRNA基因高通量测序（High-throughput sequencing of bacterial 16S rRNA gene）来显示海洋细菌群落结构对功能化石墨烯的响应。结果显示,功能化石墨烯对海水和海洋沉积物中细菌的群落组成具有不同的影响;暴露功能化石墨烯后,海水中细菌的物种多样性和丰度降低,而沉积物中细菌的物种多样性和丰度提高。为了认识功能化石墨烯对海洋细菌的抑制机理,我们分析了其对细胞壁和细胞膜完整性的影响。结果显示,暴露于功能化石墨烯24 h后,海杆菌、盐单胞菌、交替单胞菌、副溶血弧菌、大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的细胞壁和细胞膜的完整性下降了 20%～50%;细胞形态学分析结果显示,功能化石墨烯通过穿透和包裹等方式与细菌细胞充分接触,并破坏细胞壁和细胞膜。氧化损伤检测结果显示,功能化石墨烯可以刺激海洋细菌产生过量活性氧自由基（reactive oxygen species,ROS）,导致其氧化应激;遗传损伤检测结果显示,功能化石墨烯处理组中细菌胞内的遗传损伤标志物（8-羟基脱氧鸟苷）含量较对照组最大增幅可达3.72倍。可见,功能化石墨烯可引起细菌细胞氧化性DNA损伤。最后,我们探究了氧化石墨烯和纳米二氧化钛的混合污染对海洋来源枯草芽孢杆菌的影响。结果显示,这两种纳米材料混合污染对细菌的抑制效应强于同浓度下单独污染;通过t检验建立两因素交互作用模型,证明这两种纳米材料混合污染对细菌的抑制效应具有协同增效作用;通过细胞壁完整性分析、细胞膜完整性分析和氧化损伤检测进一步证明这两种纳米材料主要是通过机械损伤和氧化损伤而对细菌细胞造成损伤。综上,本研究初步揭示了石墨烯基纳米材料对海洋微生物的影响与抑制机理。研究结果为石墨烯基纳米材料的海洋生态安全性评估提供了参考。

论文目录

摘要

Abstract

第一章文献综述

1 纳米材料的简介

1.1 纳米材料的定义

1.2 纳米材料的分类

1.3 纳米材料对生态环境的影响

2 石墨烯基纳米材料的简介

2.1 石墨烯基纳米材料的定义

2.2 石墨烯基纳米材料的结构

2.3 石墨烯基纳米材料的性能

2.3.1 石墨烯基纳米材料的热学性能

2.3.2 石墨烯基纳米材料的电学性能

2.3.3 石墨烯基纳米材料的力学性能

2.4 石墨烯的表面功能化

2.4.1 共价功能化改性

2.4.2 非共价功能化改性

2.5 功能化石墨烯的应用

2.5.1 生物医药领域

2.5.2 复合材料领域

2.5.3 光电领域

3 纳米二氧化钛的简介

3.1 纳米二氧化钛的性质

3.2 纳米二氧化钛的应用

3.2.1 日常工业应用

3.2.2 环保应用

3.2.3 储能材料应用

3.3 纳米二氧化钛的抑菌机理研究

4 石墨烯基纳米材料和纳米二氧化钛的生态环境安全性研究

4.1 石墨烯基纳米材料的环境行为和毒性效应研究

4.1.1 石墨烯基纳米材料的环境行为

4.1.2 石墨烯基纳米材料的毒性效应

4.2 纳米二氧化钛对生态环境的毒性效应研究

5 石墨烯基纳米材料联合纳米二氧化钛在光催化领域的研究

6 海洋微生物及其对污染物的响应

6.1 海洋微生物

6.2 海洋微生物对污染物的响应

6.3 海洋微生物群落常用的研究方法—16S rRNA高通量测序技术

7 技术路线

8 研究意义

第二章功能化石墨烯对海洋微生物生长的影响

1 引言

2 材料与方法

2.1 试剂与相关仪器设备

2.2 菌株来源

2.3 培养基

2.3.1 LB培养基

2.3.2 改进型2216E培养基

2.3.3 BG11培养基

2.4 实验方法

2.4.1 功能化石墨烯的制备

2.4.2 功能化石墨烯和氧化石墨烯的表征

2.4.3 菌体细胞的活化与培养

2.4.4 功能化石墨烯对海杆菌等微生物生长的影响

2.4.5 功能化石墨烯对聚球藻生长的影响

3 结果与讨论

3.1 功能化石墨烯和氧化石墨烯的表征

3.2 功能化石墨烯对细菌生长的影响

3.2.1 功能化石墨烯对海杆菌生长的影响

3.2.2 功能化石墨烯对盐单胞菌生长的影响

3.2.3 功能化石墨烯对交替单胞菌生长的影响

3.2.4 功能化石墨烯对副溶血弧菌生长的影响

3.2.5 功能化石墨烯对大肠杆菌生长的影响

3.2.6 功能化石墨烯对枯草芽孢杆菌生长的影响

3.3 功能化石墨烯对红酵母生长的影响

3.4 功能化石墨烯对聚球藻生长的影响

4 本章总结

第三章功能化石墨烯对海洋环境细菌群落结构的影响

1 引言

2 材料与方法

2.1 试剂与相关仪器

2.2 海水样品的处理及其DNA的提取

2.3 海洋沉积物样品的处理及其DNA的提取

2.4 海洋细菌的Alpha多样性分析

2.5 稀释曲线分析

2.6 功能化石墨烯对海水及沉积物中细菌浓度的影响

2.7 细菌物种组成分析

3 结果与讨论

3.1 海洋细菌的Alpha多样性分析和稀释曲线分析

3.2 功能化石墨烯对海水及沉积物中细菌浓度的影响

3.3 功能化石墨烯对海水菌群结构的影响

3.4 功能化石墨烯对沉积物菌群结构的影响

4 本章总结

第四章功能化石墨烯对海洋细菌的抑制机理研究

1 引言

2 材料与方法

2.1 试剂与仪器设备

2.2 细胞壁完整性分析（SDS分析）

2.3 细胞膜完整性分析（LDH分析）

2.4 细菌细胞的微观形态检测（SEM分析）

2.5 氧化损伤检测（ROS分析）

2.6 遗传损伤检测（8-OHdG分析）

3 结果与讨论

3.1 功能化石墨烯对细菌细胞壁和细胞膜的影响

3.2 功能化石墨烯对细菌细胞形态的影响

3.3 活性氧自由基的检测与过氧化分析

3.4 遗传损伤评估结果

4 本章小结

第五章氧化石墨烯和纳米二氧化钛混合污染对海洋枯草芽孢杆菌的影响

1 引言

2 材料与方法

2.1 材料与仪器

2.2 细菌细胞的活化与培养

2.3 材料的表征

2.4 细菌生长指标的测定

2和GO- nTiO₂抑菌活性对比'> 2.5 GO、nTiO₂和GO- nTiO₂抑菌活性对比

2.6 细胞壁完整性分析（SDS分析）

2.7 细胞膜完整性分析（LDH分析）

2.8 氧化损伤检测（ROS分析）

3 结果与讨论

3.1 材料的表征

2对细菌生长影响'> 3.2 GO- nTiO₂对细菌生长影响

2和GO- nTiO₂抑菌活性对比'> 3.3 GO、nTiO₂和GO- nTiO₂抑菌活性对比

2对细菌细胞壁和细胞膜的影响'> 3.4 GO- nTiO₂对细菌细胞壁和细胞膜的影响

2对细菌的氧化损伤'> 3.5 GO- nTiO₂对细菌的氧化损伤

4 本章小结

第六章总结与展望

1 小结

2 创新点

3 研究不足之处

4 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间完成的论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张作峰

导师: 王兆守,邵宗泽,黄辉樟

关键词: 石墨烯基纳米材料,海洋微生物,海洋生态安全,抑制机理

来源: 厦门大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 海洋学,材料科学,环境科学与资源利用

单位: 厦门大学

分类号: TB383.1;X55

总页数: 89

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