4.85 nm球形硫化鎘納米顆粒的生物法制備及沼澤紅假單胞菌

作者:冉盛網 時間:2020-05-29 10:49:46

鎘(Cd)是一種有毒重金屬,通常以二價陽離子或與其他元素結合的化合物形式存在。環境中自然存在微量的鎘;但是,通過采礦、工業固體廢物廢水排放以及磷肥的徑流等人類活動大大增加了鎘流動,造成了鎘污染。鎘污染對中國和泰國等亞洲國家的稻田造成嚴重影響,以致于許多人食用了在鎘污染土壤中種植的水稻。研究表明原位生物修復是一種很有效的解決方法,因為微生物可以利用許多機制,如細胞內的生物積累、細胞表面或細胞外聚合物物質(EPS)的生物吸附和生物轉化將鎘轉為低毒形式,土壤不僅可以保持原有性質,還可以進行正常水稻生產。

泰國宋卡王子大學Jakkapan Sakpirom等人研究了一種紫色非硫細菌(PNSB),即沼澤紅假單胞菌TN110,通過利用胞內半胱氨酸脫硫酶合成CdS納米顆粒(作為光收獲劑/光敏劑)來生物調節鎘和固定氮。在微光條件下,沼澤紅假單胞菌TN110利用生物沉淀合成了平均尺寸為4.85 nm的CdS納米粒子。CdS的傅里葉變換紅外光譜揭示了蛋白質的羰基、酰胺I和II帶的彎曲振動以及芳香和脂肪族胺的C-N拉伸振動。這些條帶和基團表明蛋白質在納米顆粒的表面具有封蓋/結合作用。在最佳條件下(pH 7.5、30℃和3000 lux),沼澤紅假單胞菌TN110將25.61%的0.2 mM CdCl2轉化為CdS納米顆粒。產生的CdS納米顆粒的半數最大抑制濃度(IC50)為1.76 mM, IC50處產生的CdS納米顆粒調了與固氮相關的兩個基因:Mo-Fe固氮酶基因(nifH)和V-Fe固氮酶基因(vnfG),分別上調了2.83倍和2.27倍。相反,所制備的CdS納米顆粒對Fe-Fe固氮酶基因(anfG)有輕微的下調作用。菌株釋放的NH4+支持了基因表達結果。證明了沼澤紅假單胞菌TN110具有同時作為鎘生物修復劑和固氮劑的巨大潛力。

   該文獻研究表明,CdS納米顆粒是在細胞內產生的,然后從細胞中釋放出來,其中少量殘留在細胞內。實驗產生的細胞內外CdS納米顆粒濃度分別為1 mg/L和200 mg/L。只有細胞外的CdS納米顆粒用于實驗。在室溫下(23±2℃)微光條件下,對沼澤紅假單胞菌TN110在(A)細胞外和(B)細胞內生物合成的CdS納米粒子的紫外-可見光譜進行了研究。結果表明在細胞內和細胞外的CdS納米顆粒的性質并無不同。

  此外,該文章也利用高分辨透射電子顯微鏡(HR-TEM)、能量色散x射線光譜學(EDS)、選擇性區域電子衍射(SAED)和傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)對生物合成的CdS納米粒子進行了表征。結果顯示生物共沉淀法制備的CdS納米粒子基本呈球形,粒徑分布均勻,平均粒徑為4.85 nm。SAED顯示納米晶為立方晶,a-d間距為3.61 A。EDS顯示含Cd和S元素。細胞外CdS納米顆粒的FTIR光譜結果表明CdS納米顆粒的形成與細胞化合物的分子結合有關。氨基酸殘基和多肽中的羰基具有很強的結合金屬的能力。它們可以形成覆蓋金屬納米顆粒的涂層。涂層促進了納米顆粒在介質中的團聚。

  最后,該文章為了探究CdS的合成對N2固定以及NH4+釋放的影響。分別在添加Mo-Fe固氮酶和V-Fe固氮酶條件下測量NH4+的釋放量。在Mo-Fe條件下,暴露于CdS納米粒子和Cd(II)離子的NH4+釋放量分別增加了2.83倍和1.11倍。在V-Fe條件下,僅暴露于CdS納米粒子的NH4+釋放量增加了2.27倍。菌株NH4+的釋放量支持了固氮酶的基因表達。暴露于CdS納米顆粒上由nifH和vnfG編碼的Mo-Fe和V-Fe固氮酶(與未暴露相比)分別增加了2.57倍和1.60倍,而由anfG編碼的Fe-Fe固氮酶則減少了(圖A)。對于Cd(II)離子暴露,則只有nifH輕微上調(1.31倍變化),其他無變化(圖B)。綜上研究結果表明CdS的合成促使NH4+釋放,NH4+釋放使固氮酶基因表達進而促進N2固定。

總結語:

該文獻研究了沼澤紅假單胞菌TN110的雙功能作用:固氮和生物修復重金屬離子。在生物修復方面,將生物沉淀的Cd(II)離子制備成均勻的CdS納米顆粒4.85nm。作者觀察到該菌株產生的蛋白質包衣官能團作為CdS納米粒子的穩定劑。半胱氨酸脫硫酶被認為是納米顆粒形成的負責酶,在不同的N2固定金屬輔助因子下具有相似的活性水平。此外,CdS納米顆粒在IC50上調了Mo-Fe和V-Fe固氮酶基因的表達。本研究證實了TN110通過生物共沉淀法降低Cd(II)離子毒性的潛力。同時,CdS納米顆粒作為光敏劑增加生物固氮作用導致更多的NH4+釋放。因此,沼澤紅假單胞菌TN110作為生物肥料和Cd污染稻田的生物修復劑具有重要的研究價值。本文中對CdS納米粒子的表征手段,比如SAED和FTIR等值得我們借鑒學習。精讀該篇文獻有助于相關領域的背景強化,對今后實驗過程中材料的選擇也有一定的幫助。

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