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基于电场流分离技术的生物基质中氧化锌纳米颗粒的稳定性及其抗菌性能和细胞毒性机制研究

批准号:
22076199
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
谭志强
学科分类:
环境分析化学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
谭志强

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
氧化锌纳米颗粒(ZnO NPs)具有优异的抗菌性能和光电催化活性,是目前研究最多、应用最广的纳米材料之一。随着ZnO NPs产品种类和数目的快速增加,其对人体健康和生态系统的潜在危害引发学术界的关注。ZnO NPs的抗菌性能和细胞毒性与其稳定性以及赋存形态分布特征密切相关。由于缺乏生物基质中ZnO NPs不同赋存形态分离分析的有效手段,其抗菌性能和细胞毒性机制尚不完全明确。本项目拟利用电场流分离技术分离度高、分离条件温和、适用范围广等特点,结合高选择性和高灵敏的检测系统,建立生物基质中离子态锌和颗粒态锌在线分离分析的方法;从ZnO NPs赋存形态分布变化角度,评估其在常用细菌培养基和细胞培养基中的稳定性;从分析细菌和细胞内外ZnO NPs赋存形态分布角度,研究模式细菌和模式细胞对其摄入过程,揭示其抗菌性能和细胞毒性机制,为科学评价ZnO NPs的抗菌性能和生物安全性提供重要依据。
英文摘要
Zinc oxide nanoparticles (ZnO NPs) are featured with excellent antibacterial activity and photoelectrocatalytic activity, making them as one of the most widely studied and applied nanomaterials. With the rapid increase in both kind and quantity of ZnO NPs-based products, the application of ZnO NPs has raised concern in scientific community over the safety of these materials to human health and the ecosystem. The antibacterial activity and toxicity of ZnO NPs have been found to be closely associated with their stability and speciation. However, the antibacterial activity and toxicity of ZnO NPs are still not fully elucidated mainly due to the lack of efficient separation and analysis methods of ZnO NPs and their products in biological matrix. In this proposal, we plan to (i) develop efficient and reliable methods to achieve separation and analysis of ionic and particulate zinc species using electrical field-flow fractionation hyphenated with highly selective and sensitive detectors; (ii) evaluate the stability of ZnO NPs in bacteria and cell culture media commonly used in view of the changes in kind and content of ZnO NPs and their products; (iii) study the model bacteria and model cells ingestion in term of distribution of ZnO NPs and their products within and outside of bacteria and cells to reveal mechanisms behind their antibacterial activity and toxicity, which will help lay the solid foundation for scientific assessment of antibacterial activity and biosecurity of ZnO NPs.
随着金属基纳米材料的大量生产和广泛使用,其环境健康风险引发关注。本项目基于电场流分离技术,围绕典型金属基纳米颗粒(如银纳米颗粒和氧化锌纳米颗粒)识别和定量新方法、在代表性水环境介质中的物理化学变化以及被不同植物病原真菌摄入机制等若干关键科学问题,开展了较为系统的研究,主要取得了以下代表性成果:(1)开发了金属基纳米颗粒识别和定量新系统。将电场流分离系统与电感耦合等离子体质谱仪在线联用,建立了不同修饰剂、相同尺寸银纳米颗粒识别和定量新方法,揭示了不同修饰剂银纳米颗粒表面环境冠形成新机制;(2)阐明了氧化锌纳米颗粒在不同基质水溶液中的稳定性规律。基于上述金属基纳米颗粒识别和定量新系统,深入研究了两种代表性水环境介质(即酵母燕麦培养基和灌溉水)中氧化锌纳米颗粒的物理化学变化,从上清液和沉淀中不同形态锌分布角度阐明了溶液基质对氧化锌纳米颗粒稳定性的影响机制;(3)发现不同植物病原真菌对氧化锌纳米颗粒摄取的新机制。基于上述溶液基质对氧化锌纳米颗粒影响机制,对比研究了两种植物病原真菌(即水稻稻瘟病菌和小麦冠腐病菌)对不同尺寸、不同浓度氧化锌纳米颗粒的摄入机制,从胞外和胞内不同形态锌分布角度揭示了氧化锌纳米颗粒暴露对病原真菌的生物效应机制。四年以来,已发表标注本项目资助的SCI论文10篇,在国内和国际学术会议作了10余次学术报告。项目培养博士研究生1人,硕士研究生2人。项目成果为科学评估金属基纳米颗粒的环境安全性和应用前景提供了关键技术和基础数据。
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