光激发条件下生物源硫化镉纳米粒子对合成细胞的自毒作用

作     者：王赫 

作者单位：东北林业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵敏

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 0713[理学-生态学] 

主      题：硫化镉纳米粒子 光激发 细胞毒性 氧化压力 

摘      要：硫化镉纳米粒子（cadmium sulfide nanoparticles,CdS NPs）是一种重要的半导体,因其具有良好的光电特性和化学稳定性,在分析化学、生物医学、荧光成像等众多领域具有重要的应用价值。然而CdS NPs不仅具有重金属毒性和纳米粒子毒性,在可见光照射下半导体CdS NPs可以形成电子空穴对,光生电子可以与氧气生成超氧阴离子自由基。释放出的氧化空穴也可以造成细胞内氧化压力急剧升高,对细胞造成严重损伤。本文研究了光激发条件下生物源硫化镉对其合成细胞的毒性机理。本文选用了E.coli CD-2菌株,以氯化镉和L-半胱氨酸作为镉源和硫源合成CdS NPs。通过透射电子显微镜、选区电子衍射分析、X-射线能谱分析、X-射线衍射、电化学分析技术对生物合成的纳米粒子进行分析,结果表明CdS NPs位于细胞内部,单个纳米粒子的直径约为4 nm、生物相容性好;选区电子衍射分析所制备的CdS NPs具有多晶性质,证实了 CdS的立方结构的形成;X-射线能谱分析发现其细胞内的纳米粒子由Cd和S两种元素组成,比例约为1:1;X-射线衍射确定该CdS NPs的晶体类型为立方晶型;电化学分析结果表明生物合成的CdS NPS具有光生电流。通过酶学的方法检测光激发条件下细胞的抗氧化酶系如超氧化物歧化酶、乳酸脱氢酶的活力。通过测定细胞内的ATP含量、辅酶I NAD+/NADH含量来检测细胞的能量代谢情况。以蛋白的羰基化为指标检测细胞内部的氧化压力。结果表明,在光照条件下CdS NPs可以光激发,所产生的光激发的毒性可以抑制细胞的生长代谢和活力。光照后合成CdS NPs的细胞所面临的氧化压力急剧增加。蛋白羰基含量表明细胞在光激发条件下受到了强烈的氧化压力,LDH和SOD酶活以及平板计数实验表明细胞的破裂增多,SOD酶活有所降低,但没有全部死亡。ATP和辅酶Ⅰ NAD+/NADH含量测定表明细胞的能量代谢、细胞内的还原力受到影响。通过荧光定量PCR检测光激发条件下CdS NPs合成细菌基因表达的变化,结果表明相比于未处理的细胞,光激发条件下虽然sodA基因和katE基因表达量下降,但是细胞内的抗氧化防御系统仍然在发生作用,grxA基因和trxC基因表达量明显上升。ef-tu和mutS关于蛋白质合成和DNA修复基因表达的水平较低,证明细胞的代谢活力很低。但dnaK关于蛋白质折叠修复基因的表达量较高,代表细胞有大量的蛋白质需要折叠修复。细菌的代谢水平及活力和基因的表达结果都表明在牺牲剂存在的条件下,牺牲剂与氧化空穴复合,缓解了 CdS NPs对其合成细菌细胞的毒害作用。