周岳陵,岳正波,胡馥鵬,王 進(jìn)

摻氮碳量子點(diǎn)對光合細(xì)菌生長過程的影響

周岳陵,岳正波,胡馥鵬,王 進(jìn)*

(合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

以檸檬酸為碳源?乙二胺為修飾劑,一步水熱合成了摻氮碳量子點(diǎn)(N-CQDs).通過分析光合色素?蛋白質(zhì)和丙二醛等生理指標(biāo),研究了N-CQDs對光合細(xì)菌生長的影響.結(jié)果表明N-CQDs抑制了的生長并呈現(xiàn)濃度-效應(yīng)關(guān)系;光合色素分析表明N-CQDs促使菌體的類胡蘿卜素含量提高,菌綠素含量降低;光譜分析表明N-CQDs導(dǎo)致了胞內(nèi)物質(zhì)(如光合色素?蛋白質(zhì)等)的泄漏.N-CQDs較強(qiáng)的光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移能力導(dǎo)致培養(yǎng)體系中產(chǎn)生過量自由基,自由基引發(fā)一系列脂質(zhì)過氧化反應(yīng),進(jìn)而導(dǎo)致生物膜的破裂?物質(zhì)外泄和細(xì)菌衰亡.光照下N-CQDs對表現(xiàn)出較高的毒性.研究結(jié)果對于認(rèn)識(shí)N-CQDs的光致毒性及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)具有一定的參考價(jià)值.

摻氮碳量子點(diǎn)；光合細(xì)菌；光合色素；細(xì)胞毒性

近年來,隨著碳納米材料的大量開發(fā)與使用,其不可避免地被釋放到環(huán)境中,增加了生物與其接觸的機(jī)會(huì).碳納米材料的毒性效應(yīng)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)受到研究者的廣泛關(guān)注[1-3].研究證實(shí)多壁碳納米管[4]?單壁碳納米管[5]和富勒烯[6]等碳納米材料對微生物和高等生物具有一定的生態(tài)毒性風(fēng)險(xiǎn).

碳量子點(diǎn)(CQDs)泛指一類粒徑小于10nm,在光激發(fā)下能發(fā)熒光的新型碳納米材料.由于其光吸收和光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移能力以及粒徑小?水分散性良好等特性,CQDs已被證實(shí)在眾多領(lǐng)域具有非常好的應(yīng)用前景.但是,CQDs具有豐富的表面官能團(tuán)和活躍的物化特性,其進(jìn)入環(huán)境后可能會(huì)對環(huán)境微生物造成負(fù)面影響,對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康造成危害.因此,有必要對CQDs潛在的生物毒性和生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行評(píng)估.

關(guān)于CQDs的生物毒性研究涉及的實(shí)驗(yàn)對象有細(xì)胞[7-8]、細(xì)菌[9-11]、藻類[12]、斑馬魚[13]、老鼠[14]等,研究的生物種類較為有限,得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也不盡相同.CQDs的細(xì)胞毒性通常存在濃度依賴性,濃度越高,細(xì)胞毒性越明顯,但同種CQDs對不同類型的細(xì)胞可能表現(xiàn)出不同的毒性[7].Biswas等[8]也發(fā)現(xiàn)CQDs對不同的細(xì)菌具有不同的毒性表現(xiàn).除細(xì)胞和細(xì)菌外,研究發(fā)現(xiàn),CQDs對環(huán)境中的生產(chǎn)者藻類也具有顯著的生物毒性,當(dāng)CQDs濃度達(dá)到一定數(shù)值時(shí),通常會(huì)抑制藻類的生長及其光合作用[12].盡管有研究表明CQDs對魚類和鼠類等動(dòng)物未表現(xiàn)出明顯的致毒效應(yīng)[13-14],但對于環(huán)境中日漸增多的CQDs,其潛在的生態(tài)毒性和環(huán)境影響應(yīng)當(dāng)引起我們足夠的重視.

近些年來,雖然有關(guān)CQDs的生物毒性研究已廣泛開展,但對于CQDs光感特性與生物毒性之間的認(rèn)識(shí)有限.考慮到CQDs的光電活性,其在光照環(huán)境下對環(huán)境微生物的影響可能更大.本文以光敏感性的常見環(huán)境微生物光合細(xì)菌()作為研究對象,探討CQDs對生長過程的影響及其潛在環(huán)境效應(yīng),從而豐富CQDs對環(huán)境微生物影響的認(rèn)識(shí),為進(jìn)一步理解CQDs的生態(tài)效應(yīng)以及評(píng)估其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)提供參考.

1 材料與方法

1.1 菌株及培養(yǎng)基

光合細(xì)菌()由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)盛國平教授饋贈(zèng).培養(yǎng)基為HCH培養(yǎng)基[15].

1.2 N-CQDs的制備

在50mL聚四氟乙烯內(nèi)襯的不銹鋼反應(yīng)釜中加入1.0g檸檬酸?10mL超純水以及0.3mL乙二胺,混合均勻后于200℃反應(yīng)5h.自然冷卻后將反應(yīng)液離心10min(8000r/min).上清液用3500Da的透析袋透析2d,得到N-CQDs儲(chǔ)備液,濃度為14.4mg/L(以碳計(jì)).

1.3 R. acidophila培養(yǎng)方案

以50mL透明玻璃瓶為反應(yīng)器,培養(yǎng)體積為40mL.每瓶接種4mL的母液(OD660= 1.5).按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)加入N-CQDs,鼓氬氣5min后用丁基橡膠塞與鋁蓋封瓶,放置于光照培養(yǎng)箱(光強(qiáng)4500lux,32℃)靜置培養(yǎng).N-CQDs添加量分別為0,1.8,3.6和7.2mg/L(以碳計(jì)).每組設(shè)定3個(gè)平行.每隔一定時(shí)間抽取菌液用于測定OD660?光合色素?蛋白質(zhì)和丙二醛等生理指標(biāo).

1.4 測試方法

光合色素的提取:取5mL菌液,離心收集菌體(12000r/min,30min),5mL蒸餾水洗滌3次.菌體懸浮于5mL丙酮-甲醇(7:2,v/v)溶液中超聲浸提10min (300W,60%),離心收集上清液(12000r/min,10min).重復(fù)上述浸提過程2次,合并提取液用于光譜分析.類胡蘿卜素(Car)和菌綠素(Bchl)含量按Jessen和Beer-Lambert-Bouguer定律進(jìn)行計(jì)算[16].

利用場發(fā)射透射電鏡(JEM-2100F,日本)對N-CQDs形貌觀測表征.利用紫外-可見分光光度計(jì)(UV1750,日本島津)?熒光分光光度計(jì)(F4600,日本日立)對N-CQDs和培養(yǎng)液進(jìn)行光譜表征.培養(yǎng)液中蛋白質(zhì)與丙二醛含量分別采用南京建成生物工程研究所的總蛋白測試盒(A045-2-2)和丙二醛測試盒(A003-1-2)測試.數(shù)據(jù)處理及分析采用Microsoft Excel 2007和Origin 8.0軟件.

蛋白質(zhì)(Protein)的含量按公式(1)計(jì)算.

式中:P為樣品的Protein濃度,g/L;ODT、ODC和ODS分別為樣品?對照和標(biāo)準(zhǔn)品的OD值;S為標(biāo)準(zhǔn)品的濃度,g/L.

丙二醛(MDA)的含量按公式(2)計(jì)算.

式中:M為樣品的MDA含量,nmol/mL;ODT、ODC、ODS和ODB分別為樣品、對照、標(biāo)準(zhǔn)品和空白的OD值;S為標(biāo)準(zhǔn)品的濃度,nmol/mL;?為樣品的稀釋倍數(shù).

2 結(jié)果與討論

2.1 N-CQDs表征

圖1a表明N-CQDs在340nm處有特征吸收峰,當(dāng)激發(fā)波長為340nm時(shí),熒光發(fā)射峰為460nm.圖1b表明N-CQDs的熒光發(fā)射與激發(fā)波長有關(guān),表現(xiàn)出激發(fā)光依賴性.熒光發(fā)射峰半峰寬較小,說明粒徑分布較為均勻.TEM結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)N-CQDs粒徑小于10nm,尺寸分布均勻,顆粒分散性良好,無團(tuán)聚(圖1c).

2.2 N-CQDs對R. acidophila的生長抑制

如圖2所示培養(yǎng)初期,N-CQD對其生長繁殖過程無顯著影響.但培養(yǎng)至第7d,N- CQD處理組的OD660值均低于對照組,且N-CQDs的濃度越大,OD660值越小.當(dāng)培養(yǎng)至衰亡期(第9d)時(shí),N-CQDs處理組的OD660值下降更快.黃淮青等[9]發(fā)現(xiàn)葡萄糖基熒光碳點(diǎn)(CDs)與調(diào)整期(2h)的酵母菌共培養(yǎng)時(shí),對數(shù)期(10h)時(shí)酵母數(shù)量隨著CDs的濃度增大而減少,這與本研究的現(xiàn)象一致.歐陽少虎在研究氧化石墨烯(GO)和氧化石墨烯量子點(diǎn)(GOQD)對小球藻的毒性時(shí)發(fā)現(xiàn),兩者均表現(xiàn)為先促后抑.在培養(yǎng)的前48h,這2種碳材料均促進(jìn)了藻類的生長分裂,而72h后兩者表現(xiàn)出抑制作用[17].N-CQDs對的生長存在抑制,同時(shí)會(huì)加速細(xì)菌衰亡過程.這主要是由于納米材料在被內(nèi)化的過程中,會(huì)促進(jìn)親代與子代細(xì)胞壁的分裂,但經(jīng)細(xì)菌內(nèi)化后,可能會(huì)使菌體細(xì)胞逐漸出現(xiàn)結(jié)構(gòu)受損?氧化應(yīng)激增加?細(xì)胞代謝被干擾等不良反應(yīng),從而導(dǎo)致菌體的衰亡[17].

如圖2和表1所示,光照培養(yǎng)7d后對照組的生物量最高,各反應(yīng)組生物量隨N-CQDs添加量的增大而降低,當(dāng)N-CQDs濃度為7.2mg/L時(shí),生物量下降9.2%.因此,N-CQDs對的生長過程存在抑制效果,主要體現(xiàn)為降低適應(yīng)期的細(xì)菌基數(shù),加速細(xì)菌衰亡,繼而使生物量降低,且這一效應(yīng)存在濃度依賴現(xiàn)象.

圖2 N-CQDs對R. acidophila培養(yǎng)過程的影響

表1 培養(yǎng)7d時(shí)R. acidophila的干重

2.3 N-CQDs對光合色素的影響

圖3a表明各實(shí)驗(yàn)組均有類胡蘿卜素(Car)和菌綠素(Bchl)吸收峰,說明N-CQDs并未影響中光合色素的種類.圖3b表明Car含量隨N-CQDs濃度的增大而增加,而Bchl含量則隨N-CQDs濃度的增大而降低.Car作為一類輔助色素,能夠捕獲和傳遞光能,還可以保護(hù)光化學(xué)反應(yīng)中心,防止光損傷與自由基氧化.研究表明,鹽藻和雨生紅球藻在響應(yīng)環(huán)境脅迫時(shí),會(huì)合成和積累大量類胡蘿卜素[18-20].本研究中Car含量增加是自身對N-CQDs脅迫的響應(yīng).Bchl作為光化學(xué)反應(yīng)的主要色素,其含量與活性影響到細(xì)菌的生長代謝過程.環(huán)境脅迫將破壞光合作用系統(tǒng),致使葉綠素含量不斷下降[21].細(xì)胞內(nèi)的高氧化應(yīng)激壓力也會(huì)影響生物體內(nèi)葉綠素a的合成[22].環(huán)境逆境下,細(xì)胞體內(nèi)產(chǎn)生的多種活性氧(H2O2,O2-,-OH*,1O2*等)會(huì)導(dǎo)致機(jī)體的氧化損傷[23],并且葉綠體是主要的靶器官[24].歐陽少虎[17]發(fā)現(xiàn)GOQD會(huì)引起小球藻葉綠素a含量降低,他認(rèn)為可能是GOQDs抑制了葉綠素的合成.而本研究中,Bchl含量的降低,可能是N-CQDs破壞了光化學(xué)反應(yīng)中心的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致Bchl的流失和分解.光合色素分析結(jié)果表明N-CQDs對表現(xiàn)出脅迫作用,而細(xì)菌通過合成Car來削弱此作用.

2.4 培養(yǎng)液光譜分析

2.4.1 紫外-可見吸收光譜 對照組的初始培養(yǎng)液無特征吸收峰,而N-CQDs處理組則在340nm處出現(xiàn)特征峰.培養(yǎng)12d,各實(shí)驗(yàn)組于390nm處出現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)吸收峰,且在500nm~600nm間有4個(gè)吸收峰,這些吸收峰與活細(xì)胞光譜的主要吸收峰相對應(yīng)(圖4a),可能是色素泄漏造成的.程茜茹等[25]發(fā)現(xiàn)沼澤紅假單胞菌的Bchl在光照下容易降解為一種相對穩(wěn)定的中間物質(zhì),該物質(zhì)在390nm處具有強(qiáng)吸收峰.N-CQDs處理組上清液中390nm處的吸收強(qiáng)度隨N-CQDs濃度的增大而增大,說明Bchl的降解加劇.而Bchl的降解通常涉及到羥基自由基以及脂質(zhì)過氧化物[21].N-CQDs可能引起了過度的脂質(zhì)過氧化反應(yīng),導(dǎo)致細(xì)胞膜的損傷,致使更多的胞內(nèi)物質(zhì)(如Bchl a)泄漏到培養(yǎng)基中.而Bchl降解產(chǎn)物的增多,可能是處理組Bchl含量偏低的原因之一.

2.4.2 三維熒光光譜 圖5為對照組和添加7.2mg/ L的N-CQDs處理組不同時(shí)期培養(yǎng)液的三維熒光光譜分析結(jié)果.培養(yǎng)第3d,對照組培養(yǎng)液出現(xiàn)新的熒光峰(ex/em=400/465nm)(圖5b),此峰為聚羧酸類腐殖酸物質(zhì),說明此時(shí)對照組代謝旺盛.而處理組中N-CQDs峰(ex/em=350/450nm)迅速消失,說明N-CQDs能夠被細(xì)菌吸附或內(nèi)化.這可能是由于N-CQDs粒徑小于10nm,極易被內(nèi)化進(jìn)入菌體內(nèi).但此體系中并未出現(xiàn)ex/em=400/ 465nm熒光峰(圖5f),說明N-CQDs處理組細(xì)菌的代謝可能受到限制.N-CQDs處理組第3d檢測到色素的熒光峰(ex/em=390/615nm和ex/em=390/675nm) (圖5f).這說明胞內(nèi)色素發(fā)生外泄,光反應(yīng)中心可能遭到破壞[26].培養(yǎng)至第7d,對照組未檢測到的色素?zé)晒夥?表明其生長狀態(tài)良好,物質(zhì)外流較少;而N-CQDs處理組中的色素?zé)晒夥暹M(jìn)一步增強(qiáng),說明胞內(nèi)物質(zhì)在持續(xù)泄漏.

至第12d,細(xì)菌進(jìn)入衰亡期,各實(shí)驗(yàn)組中均檢測到色素?zé)晒夥?圖5d和h).表2顯示隨著N-CQDs的濃度增加,細(xì)胞色素的熒光峰強(qiáng)度相應(yīng)增大,進(jìn)一步證明N-CQDs處理組的細(xì)菌衰亡程度更嚴(yán)重.熒光光譜分析結(jié)果表明光照培養(yǎng)下N-CQDs對存在脅迫作用,并且整個(gè)生長過程一直存在細(xì)菌胞內(nèi)物質(zhì)的持續(xù)泄漏.因此,N-CQDs對的損傷是一個(gè)持續(xù)的過程.

表2 色素?zé)晒馓卣鞣宓膹?qiáng)度

圖5 不同時(shí)刻培養(yǎng)液的三維熒光光譜圖

2.5 N-CQDs對培養(yǎng)液中蛋白質(zhì)和丙二醛的影響

圖6 培養(yǎng)液中的蛋白質(zhì)和丙二醛含量

丙二醛(MDA)是細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化反應(yīng)的產(chǎn)物,其含量變化能夠反映細(xì)胞膜脂質(zhì)的過氧化程度.脂質(zhì)過氧化反應(yīng)會(huì)持續(xù)引發(fā)細(xì)胞膜的損傷,進(jìn)而產(chǎn)生不可逆的破壞,導(dǎo)致細(xì)胞死亡,胞內(nèi)物質(zhì)外泄[27].培養(yǎng)液中蛋白質(zhì)和丙二醛的含量均隨N-CQDs濃度的增大而增高(圖6).蛋白質(zhì)的大量外泄表明N- CQDs導(dǎo)致了菌體細(xì)胞膜的受損[28-29].Travlou等[30]研究氮摻雜CQDs的抗菌活性時(shí)發(fā)現(xiàn),氨基和酰胺基在水溶液中的質(zhì)子化會(huì)使N-CQDs與細(xì)菌脂質(zhì)膜發(fā)生靜電相互作用,從而破壞細(xì)胞膜.N-CQDs的氮元素?fù)诫s可能加劇了CQDs的毒性.當(dāng)添加7.2mg/L的N-CQDs時(shí),實(shí)驗(yàn)組的MDA含量為對照組的2.3倍.張倩[31]在研究碳納米材料的毒性作用時(shí),檢測到氧化石墨烯(GO)暴露下的微藻的丙二醛含量的顯著升高,發(fā)現(xiàn)GO能夠誘導(dǎo)氧化脅迫,造成微藻細(xì)胞的膜脂質(zhì)過氧化.MDA含量的變化也能夠間接反應(yīng)機(jī)體細(xì)胞受自由基攻擊的嚴(yán)重程度.由于氨基和酰胺基的強(qiáng)給電子能力,N-CQDs能夠誘發(fā)大量活性氧(O2-、OH-、HO2-)的產(chǎn)生[30].這些活性氧會(huì)導(dǎo)致的氧化損傷,從而對脂質(zhì)?蛋白質(zhì)?核酸等造成損害,最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡.

2.6 N-CQDs對R. acidophila的毒性分析

本研究發(fā)現(xiàn)N-CQDs對光合細(xì)菌的毒性存在濃度依賴性.培養(yǎng)7d時(shí)1.8,3.6,7.2mg/L的N-CQDs使得生物量分別下降了1.1%,5.2%和9.2%(表1).其中生物量抑制率(%)與N-CQDs濃度(mg/L)存在線性相關(guān)關(guān)系(2=0.97).董微等[32]研究也發(fā)現(xiàn)碳量子點(diǎn)對酵母菌的毒性表現(xiàn)出濃度依賴性.雖然碳量子點(diǎn)已被證實(shí)具有細(xì)胞毒性,但大部分研究表明碳量子點(diǎn)的毒性較小.當(dāng)細(xì)胞抑制率(活力或數(shù)量)為10%時(shí),碳量子點(diǎn)的濃度通常大于38mg/L(表3).而本研究中,當(dāng)N-CQDs的濃度為7.2mg/L時(shí),其對的抑制率已達(dá)到9.2%.因此,在光照下,N-CQDs可能表現(xiàn)出較高的毒性.

表3 碳量子點(diǎn)的細(xì)胞毒性

CQDs具有優(yōu)良的光電性質(zhì),既能作為電子供體也能成為電子受體.在持續(xù)光照下,CQDs通常會(huì)產(chǎn)生光生電子-空穴對,形成的空穴和電子被分離且分別遷移到CQDs表面,能夠?qū)⑽皆谄浔砻娴牧u基和水分子氧化成羥基自由基(·OH),這些小分子具有很強(qiáng)的氧化能力,可以破壞或者降解有機(jī)物.研究表明CQDs能夠促進(jìn)羥基自由基和超氧自由基的生成[40-43].這些自由基容易攻擊細(xì)胞膜上的多不飽和脂肪酸,造成脂質(zhì)過氧化,導(dǎo)致細(xì)胞膜失去功能.同時(shí)能夠直接和蛋白質(zhì)?核酸等作用,導(dǎo)致細(xì)胞的病變或死亡.Biswas等[8]發(fā)現(xiàn)石墨烯量子點(diǎn)(GQDs)暴露下細(xì)菌出現(xiàn)物理損傷以及明顯的氧化應(yīng)激行為.本研究中當(dāng)N-CQDs被添加到培養(yǎng)基中,在光照下,體系內(nèi)會(huì)持續(xù)產(chǎn)生大量的自由基,從而引發(fā)一系列脂質(zhì)過氧化反應(yīng),丙二醛含量隨N-CQDs的濃度增大而增高.而膜結(jié)構(gòu)中豐富的多不飽和脂肪酸分子,有利于脂質(zhì)過氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)生,這些連鎖反應(yīng)對細(xì)胞膜造成大量的損傷,最終破壞膜的完整性,導(dǎo)致大量膜蛋白和胞內(nèi)色素的泄漏.N-CQDs對環(huán)境微生物的脅迫作用和光致毒性等,值得進(jìn)一步關(guān)注.

3 結(jié)論

以檸檬酸和乙二胺為原料水熱合成制得粒徑小于10nm發(fā)藍(lán)色熒光的N-CQDs.N-CQDs對光合細(xì)菌的生長具有氧化脅迫作用,因此抑制了其生長過程并導(dǎo)致胞內(nèi)蛋白及光合色素等泄漏.添加7.2mg/L的N-CQDs對的生物量抑制率達(dá)9.2%,反映細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化反應(yīng)的MDA濃度則是無添加對照組的2.3倍.

[1] 閭曉萍,黃 絢,楊 坤.碳納米材料的生物毒性效應(yīng)研究及展望 [J]. 環(huán)境污染與防治, 2011,33(5):87-94. Lv X P, Huang X, Yang K. Advance and perspectives of the bio- toxicity of carbon nanomaterial [J]. Environmental Pollution Control, 2011,33(5):87-94.

[2] 呂小慧,陳白楊,朱小山.氧化石墨烯的水環(huán)境行為及其生物毒性 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2016,36(11):3348-3359. Lv X H, Chen B Y, Zhu X H. Fate and toxicity of graphene oxide in aquatic environment [J]. China Environmental Science, 2016,36(11): 3348-3359.

[3] 李佳昕,張 嫻,張愛清,等.碳納米材料的水環(huán)境行為及對水生生物毒理學(xué)研究進(jìn)展 [J]. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào), 2017,12(5):12-25.Li J X, Zhang X, Zhang A Q, et al. A review of aquatic environmental behavior of carbon nanomaterials and its toxicological effects on aquatic organisms [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2017,12(5): 12-25.

[4] 王玉琳,聞 韻,王曉慧,等.多壁碳納米管長期作用對活性污泥系統(tǒng)的影響 [J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2014,27(12):1486-1492. Wang Y L, Wen Y, Wang X H,et al.Long-term effects of multi- walled carbon nanotubes on activated sludge system [J]. Research of Environmental Science, 2014,27(12):1486-1492.

[5] 朱小山,朱 琳,田勝艷,等.三種碳納米材料對水生生物的毒性效應(yīng) [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2008,28(3):269-273. Zhu X S, Zhu L, Tian S Y, et al. Toxicity effect of three kinds of carbon nanomaterials on aquatic organisms [J]. China Environmental Science. 2008,28(3):269-273.

[6] 朱小山,朱 琳,郎宇鵬,等.富勒烯及其衍生物對斑馬魚胚胎發(fā)育毒性的比較 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2008,28(2):173-177. Zhu X S, Zhu L, Lang Y P,et al. Developmental toxicity in zebrafish embryos after exposure to three fullerene aggregates (nC60) and fullerol [J]. China Environmental Science, 2008,28(2):173-177.

[7] Arul V, Edison T N J I, Lee Y R,et al. Biological and catalytic applications of green synthesized fluorescent N-doped carbon dots using[J]. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, 2017,168:142-148.

[8] Biswas A, Khandelwal P, Das R,et al. Oxidant mediated one-step complete conversion of multi-walled carbon nanotubes to graphene quantum dots and their bioactivity against mammalian and bacterial cells[J]. Journal of Materials Chemistry B, 2017,5(4):785-796.

[9] 黃淮青,曾 萍,韓寶福,等.熒光碳點(diǎn)的合成及對釀酒酵母的毒性研究 [J]. 無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào), 2012,28(1):13-19. Huang H Q, Zeng P, Han B F,et al. Preparation of fluorescent carbon dots and its cytotoxicity for[J]. Chinese Journal of Inorganic Chemistry, 2012,28(1):13-19.

[10] Bagheri Z, Ehtesabi H, Hallaji Z,et al. Investigation the cytotoxicity and photo-induced toxicity of carbon dot on yeast cell [J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2018,161:245-250.

[11] 劉文娟,靳競男,馬家恒,等.熒光碳點(diǎn)納米材料對大腸桿菌的毒性研究 [J]. 化學(xué)與生物工程, 2015,32(9):26-30. Liu W J, Jin J N, Ma J H,et al. Toxic effect of photoluminescent carbon dots nanomaterial on[J]. Chemistry & Bioengineering, 2015,32(9):26-30.

[12] Xiao A, Wang C, Chen J,et al. Carbon and metal quantum dots toxicity on the microalgae[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2016,133:211-217.

[13] Kang Y, Li Y, Fang Y,et al. Carbon quantum dots for Zebrafish fluorescence imaging [J]. Scientific Reports, 2015,5(11835):1-12.

[14] Wang K, Gao Z, Gao G,et al. Systematic safety evaluation on photoluminescent carbon dots [J]. Nanoscale Research Letters, 2013,8(122):1-9.

[15] 何春華.光合細(xì)菌的分離鑒定和生長條件優(yōu)化及應(yīng)用初探 [D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2009. He C H. Research on separation, identification, growth conditions of photosynthetic bacteria and application pre-test [D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2009.

[16] 卓民權(quán),趙春貴,程茜茹,等.紫細(xì)菌光合色素指紋圖譜的建立與色素分析 [J]. 微生物學(xué)報(bào), 2012,52(6):760-768. Zhuo M Q, Zhao C G, Cheng X R,et al. Fingerprinting analysis of photopigments in purple bacteria [J]. Acta Microbiologica Sinica, 2012,52(6):760-768.

[17] 歐陽少虎.三種碳納米材料對小球藻的毒性效應(yīng)及其機(jī)理研究 [D]. 天津:南開大學(xué), 2016. OuYang S H. The toxic effects and mechanisms of three carbonaceous nanomaterials on[D]. Tianjin: Tianjin University, 2016.

[18] Lamers P P, van de Laak C C W, Kaasenbrood P S,et al. Carotenoid and fatty acid metabolism in light-stressed[J]. Biotechnology & Bioengineering, 2010,106(4):638-648.

[19] Lemoine Y, Schoefs B. Secondary ketocarotenoid astaxanthin biosynthesis in algae: a multifunctional response to stress [J]. Photosynthesis Research, 2010,106(1/2):155-177.

[20] 李 瑩.強(qiáng)光脅迫下雨生紅球藻積累次生類胡蘿卜素過程中的光合作用變化和光保護(hù)機(jī)制 [D]. 武漢:華中師范大學(xué), 2005. Li Y. Photosynthetic acclimation and photoprotective mechanism of(Chlorophyceae) during the accumulation of secondary carotenoids at elevated irradiation [D]. Wuhan: Central China Normal University, 2005.

[21] Gomes M P, Le Manac'H S G, Maccario S,et al. Differential effects of glyphosate and aminomethylphosphonic acid (AMPA) on photosynthesis and chlorophyll metabolism in willow plants [J]. Pesticide Biochemistry and Physiology, 2016,130:65-70.

[22] Perreault F, Popovic R, Dewez D. Different toxicity mechanisms between bare and polymer-coated copper oxide nanoparticles in[J]. Environmental Pollution, 2014,185:219-227.

[23] Li Z, Wakao S, Fischer B B,et al. Sensing and responding to excess light [J]. Annual Review of Plant Biology, 2009,60(1):239-260.

[24] Han D, Wang J, Sommerfeld M,et al. Susceptibility and protective mechanisms of motile and non motile cells of(chlorophyceae) to photooxidative stress [J]. Journal of Phycology, 2012,48(3):693-705.

[25] 程茜茹,趙春貴,卓民權(quán),等.沼澤紅假單胞菌光合色素的分離、組成分析與光穩(wěn)定性 [J]. 微生物學(xué)通報(bào), 2014,41(1):26-34. Cheng Q R, Zhao C G, Zhuo M Q,et al. Separation, characterization and light stability of photosynthetic pigments from[J]. Microbiology China, 2014,41(1):26-34.

[26] 殷高方,趙南京,胡 麗,等.基于色素特征熒光光譜的浮游植物分類測量方法 [J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2014,34(9):312-317. Yin G F, Zhao N J, Hu L,et al. Classified measurement of phytoplankton based on characteristic fluorescence of photosynthetic pigments [J]. Acta Opitica Sinica, 2014,34(9):312-317.

[27] Ledford H K, Niyogi K K. Singlet oxygen and photo-oxidative stress management in plants and algae [J]. Plant Cell and Environment, 2005,28(8):1037-1045.

[28] 姜國飛,李旭飛,呂 艷,等.Cu/ZnO-RGO的抗菌性能及應(yīng)用 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2018,38(8):3121-3128. Jiang G F, Li X F, Lv Y,et al. Antibacterial properties and application of Cu/ZnO-RGO nanocomposites [J]. China Environmental Science, 2018,38(8):3121-3128.

[29] 陳緒松,李 棟,劉志杰,等.等離子體射流滅活液體中銅綠假單胞菌的研究 [J]. 微生物學(xué)通報(bào), 2017,44(4):865-871. Chen X S, Li D, Liu Z J,et al. Inactivation ofin suspension using atmospheric pressure plasma jet [J]. Microbiology China, 2017,44(4):865-871.

[30] Travlou N A, Giannakoudakis D A, Algarra M,et al. S- and N-doped carbon quantum dots: surface chemistry dependent antibacterial activity [J]. Carbon, 2018,135:104-111.

[31] 張 倩.氧化石墨烯對4種微藻的致毒效應(yīng)研究 [D]. 青島:中國海洋大學(xué), 2015. Zhang Q. Toxicity of water dispersible graphene oxide (GO) to four species of algae [D]. Qingdao: Ocean University of China, 2015.

[32] 董 微,王 瑩,宋有濤,等.熒光碳點(diǎn)與CdTe量子點(diǎn)對畢赤酵母的毒性比較 [J]. 分析試驗(yàn)室, 2012,31(11):1-4. Dong W, Wang Y, Song Y T,et al. Comparison of cytotoxicity of fluorescent carbon dots and CdTe quantum dots for pichia pastoris [J]. Chinese Journal of Analysis Laboratory, 2012,31(11):1-4.

[33] Jiang K, Sun S, Zhang L,et al. Red, green, and blue luminescence by carbon dots: full-color emission tuning and multicolor cellular imaging [J]. Angewandte Chemie-international Edition, 2015,54(18): 5360-5363.

[34] Gong X, Lu W, Paau M C,et al. Facile synthesis of nitrogen-doped carbon dots for Fe3+sensing and cellular imaging [J]. Analytica Chimica Acta, 2015,861:74-84.

[35] Wei J, Zhang X, Sheng Y,et al. Simple one-step synthesis of water-soluble fluorescent carbon dots from waste paper [J]. New Journal of Chemistry, 2014,38(3):906-909.

[36] Deng J, Lu Q, Mi N,et al. Electrochemical synthesis of carbon nanodots directly from alcohols [J]. Chemistry-A European Journal, 2014,20(17):4993-4999.

[37] Sahu S, Behera B, Maiti T K,et al. Simple one-step synthesis of highly luminescent carbon dots from orange juice: application as excellent bio-imaging agents [J]. Chemical Communications, 2012, 48(70):8835-8837.

[38] Jaiswal A, Ghosh S S, Chattopadhyay A. One step synthesis of C-dots by microwave mediated caramelization of poly(ethylene glycol) [J]. Chemical Communications, 2012,48(3):407-409.

[39] Zhai X, Zhang P, Liu C,et al. Highly luminescent carbon nanodots by microwave-assisted pyrolysis [J]. Chemical Communications, 2012, 48(64):7955-7957.

[40] Di J, Xia J, Huang Y,et al. Constructing carbon quantum dots/Bi2SiO5ultrathin nanosheets with enhanced photocatalytic activity and mechanism investigation [J]. Chemical Engineering Journal, 2016,302: 334-343.

[41] Di J, Xia J, Chen X,et al. Tunable oxygen activation induced by oxygen defects in nitrogen doped carbon quantum dots for sustainable boosting photocatalysis [J]. Carbon, 2017,114:601-607.

[42] Sharma S, Umar A, Mehta S K,et al. Solar light driven photocatalytic degradation of levofloxacin using TiO2/Carbon-dot nanocomposites [J]. Chemical Engineering Journal, 2018,42(9):7445-7456.

[43] Zhang J, Yan M, Yuan X,et al. Nitrogen doped carbon quantum dots mediated silver phosphate/bismuth vanadate Z-scheme photocatalyst for enhanced antibiotic degradation [J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2018,529:11-22.

致謝：光合細(xì)菌由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)盛國平教授饋贈(zèng),在此表示感謝.

Effect of nitrogen-doped carbonquantum dots on the growth of photosynthetic bacteria.

ZHOU Yue-ling, YUE Zheng-bo, HU Fu-peng, WANG Jin*

(School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)., 2019,39(8)：3396~3403

Nitrogen-doped carbon quantum dots (N-CQDs) were formed by one-step hydrothermal synthesis, using citric acid as carbon source and ethylene diamine as modifierin this study. The effects of N-CQDs on the growth of photosynthetic bacteriawere investigated by analyzing the physiological indexes of photosynthetic pigment, protein and malondialdehyde. The results showed that N-CQDs inhibited the growth ofand showed a concentration-effect relationship. Additionally, N-CQDs increased the content of carotenoid inwhile it decreased the content of bacteriochlorophyll. Furthermore, spectra analysis results showed that N-CQDs led to the leakage of intracellular sbustances such as photosynthetic pigment and protein. The strong light-induced electron transfer ability of N-CQDs resulted in excessive free radicals in the culture system of, which led to a series of lipid peroxidation reactions, which in turn led to the rupture of biofilms, material leakage and bacterial death. N-CQDs had a high toxicity onunder light. The results of this study are valuable for understanding the phototoxicity and ecological effects of N-CQDs.

N-CQDs；photosynthetic bacteria；photosynthetic pigment；cytotoxicity

X171.5

A

1000-6923(2019)08-3396-08

周岳陵(1994-),男,湖南衡陽人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榄h(huán)境生態(tài)修復(fù).發(fā)表論文1篇.

2019-02-20

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41772361);中央高?；究蒲许?xiàng)目(JZ2017YYPY0246)

* 責(zé)任作者, 教授, sophiawj@hfut.edu.cn