高藝凡,毛步云,王藝,程遠(yuǎn),袁青彬,*
1. 南京工業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,南京 211816 2. 南京水務(wù)集團(tuán)有限公司,南京 210000
納米材料的大量生產(chǎn)、使用和排放使其在環(huán)境中大量存在,已經(jīng)成為不可忽視的一類環(huán)境污染物[1]。各種環(huán)境中已經(jīng)檢出了各類納米材料殘留[2-3],其中城市污水廠是重要的儲(chǔ)存庫之一,據(jù)報(bào)道污水中納米材料的檢出濃度可達(dá)μg·L-1至mg·L-1[4-7]。如Tan等[8]報(bào)道污水中ZnO濃度的可達(dá)mg·L-1水平。環(huán)境中納米材料具有顯著的生態(tài)環(huán)境效應(yīng),如使機(jī)體產(chǎn)生氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng),從而造成機(jī)體損傷甚至死亡[9-11]。對(duì)于細(xì)菌,納米材料如納米氧化物等可以觸發(fā)氧化應(yīng)激反應(yīng)使細(xì)菌破裂而引發(fā)凋亡[12-13]。納米材料對(duì)細(xì)菌的毒性一般既有本身納米級(jí)尺寸具有的毒性效應(yīng),也有納米材料溶解成為離子引發(fā)的毒性[14-17]。由于城市污水同樣是一類近年來普遍關(guān)注的新污染物耐藥細(xì)菌的重要儲(chǔ)存庫[18-21],納米材料和耐藥細(xì)菌有廣泛共存,存在大量相互接觸和作用的機(jī)會(huì),因此納米材料勢必也會(huì)對(duì)耐藥細(xì)菌造成影響,從而導(dǎo)致細(xì)菌耐藥性風(fēng)險(xiǎn)的變化,但目前對(duì)于納米材料對(duì)耐藥細(xì)菌影響的相關(guān)研究仍非常有限。
筆者課題組在前期研究中以耐藥性大腸桿菌為例初步考察了納米氧化物對(duì)耐藥革蘭氏陰性細(xì)菌的影響,發(fā)現(xiàn)納米氧化物造成了耐藥細(xì)菌的部分死亡以及耐藥水平等方面的變化[22],為納米材料影響耐藥細(xì)菌的研究提供了參考。本研究從污水中分離出耐四環(huán)素性屎腸球菌,以此為例考察了3種污水中廣泛存在的納米氧化物納米氧化鈦(nTiO2)、納米氧化鋅(nZnO)和納米氧化銅(nCuO)[18]對(duì)革蘭氏陽性細(xì)菌的毒性。屎腸球菌是一種重要的人畜共患條件性致病菌,美國已將其列為引起臨床感染的第二大病原菌[23-24],屎腸球菌在城市污水、醫(yī)院廢水等環(huán)境中也被廣泛檢出[25]。本文研究了不同種類、粒徑、濃度和在水中的賦存時(shí)間的3種納米氧化物對(duì)耐四環(huán)素性屎腸球菌的存活率的影響。在此基礎(chǔ)上初步考察了納米氧化物對(duì)耐藥性屎腸球菌的細(xì)胞膜影響,探索了影響機(jī)制。本研究將為闡明納米材料對(duì)各類耐藥細(xì)菌的影響及機(jī)制提供支撐。
本實(shí)驗(yàn)使用的納米氧化物為由上海盈承新材料有限公司購得的nZnO (30、50、90和200 nm)、nCuO (40 nm)和nTiO2(5~10、25、40和100 nm),3種純度達(dá)99.9%的商品納米氧化物材料。為避免可能存在的添加劑對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響,納米氧化物在使用前于水中超聲分散10 min后于去離子水中浸泡12 h過夜,離心回收后備用。使用前,將納米氧化物加入到經(jīng)0.45 μm和0.22 μm 2種尺寸濾膜過濾的二沉池出水,配制成濃度不同的納米顆粒懸浮液,并將其超聲混勻后靜置備用。另外,分別測定納米氧化物的水合粒徑和溶解的金屬離子濃度。將不同濃度和粒徑的納米氧化物配制成為懸浮液,使用納米粒度電位儀(Zetasizer Nano ZS, Malvern Instruments, UK)對(duì)nZnO的水合粒徑進(jìn)行檢測。將樣品離心,棄去上清液后用稀硝酸消解后,使用ICP-OES(Avio 550, Perkinelmer, USA)測定溶解的離子濃度。
耐四環(huán)素屎腸球菌分離自于南京市某城鎮(zhèn)污水廠活性污泥,將采集的新鮮活性污泥梯度稀釋后涂板至含有四環(huán)素(36 mg·L-1)的糞腸球菌瓊脂選擇性培養(yǎng)基(HB0268-2,海博生物,中國),根據(jù)菌落特征初步篩選若干糞腸球菌菌落,純化培養(yǎng)后送至南京金思瑞生物科技公司測序鑒定細(xì)菌種類為屎腸球菌Enterococcusfaecium7039809-1(MH385356.1)。而后通過使用PCR檢測確認(rèn)此菌種帶有四環(huán)素類抗性基因tetM和tetL。
在避光條件下,將活化后的耐四環(huán)素屎腸球菌離心后重懸至經(jīng)0.45 μm和0.22 μm 2種尺寸濾膜過濾的二沉池出水(經(jīng)平板計(jì)數(shù)確認(rèn)細(xì)菌被完全去除),加入一定量的納米氧化物懸浮液后在恒溫振蕩培養(yǎng)箱中振蕩反應(yīng)30 min。取1 mL反應(yīng)后的細(xì)菌懸濁液梯度加入含有四環(huán)素(36 mg·L-1)的LB培養(yǎng)基中培養(yǎng),每個(gè)培養(yǎng)皿加入細(xì)菌量為10 mL左右,待冷卻凝固后放入恒溫培養(yǎng)箱中37 ℃培養(yǎng)96 h,記錄各培養(yǎng)基中菌落數(shù)(N1),同時(shí)將沒有加入納米氧化物的細(xì)菌溶液同樣參照上述步驟培養(yǎng),記錄培養(yǎng)基中菌落數(shù)(N0),計(jì)算耐四環(huán)素屎腸球菌的存活率(式(1))。
存活率=N1/N0×100%
(1)
為考察納米氧化物種類以及粒徑對(duì)毒性的影響,分別考察nZnO、nCuO和nTiO23種納米氧化物在10 mg·L-1和100 mg·L-1和不同粒徑下的耐四環(huán)素屎腸球菌的存活率;為考察納米氧化物濃度對(duì)毒性的影響,以nZnO和nTiO2為例考察0、10、20、50和100 mg·L-1的2種納米氧化物反應(yīng)后耐四環(huán)素屎腸球菌的存活率;為考察納米氧化物賦存形態(tài)對(duì)毒性的影響,將納米氧化物懸浮液靜置0、3和6 h后進(jìn)行毒性測定,考察耐四環(huán)素屎腸球菌存活率。
使用乳酸脫氫酶釋放法考察納米氧化物對(duì)耐四環(huán)素屎腸球菌細(xì)胞膜的影響。其原理是細(xì)胞凋亡或壞死而造成的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的破壞會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞漿內(nèi)的酶釋放到培養(yǎng)液里,其中包括酶活性較為穩(wěn)定的乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase, LDH)。通過檢測從質(zhì)膜破裂的細(xì)胞中釋放到培養(yǎng)液中的LDH的活性,就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞毒性的定量分析[26]。采用試劑盒(Cytotoxicity LDH Assay Kit-WST,東仁化學(xué)科技(上海)有限公司,中國)進(jìn)行測定,將接觸納米氧化物的耐四環(huán)素屎腸球菌離心后置于96孔板中作為實(shí)驗(yàn)組,按照說明書提示的溶液量加入對(duì)應(yīng)的樣品制成對(duì)照組和背景組,依次加入反應(yīng)試劑充分反應(yīng)后立即用酶標(biāo)儀測定各孔在490 nm的吸光度。而后通過計(jì)算得出本實(shí)驗(yàn)中的LDH活性計(jì)算式(式(2)),并采用計(jì)算出的LDH活性單位為標(biāo)準(zhǔn),表示細(xì)胞的氧化應(yīng)激作用。
LDH活性單位計(jì)算式:
LDH(U·mL-1)=ΔA÷0.725÷T×103=92×ΔA
(2)
式中:ΔA為測定吸光度與對(duì)照吸光度之差,T為每微摩爾標(biāo)準(zhǔn)品稀釋所用溶液的體積(L)。
采用P=0.05水平考察不同處理之間的顯著性差異,當(dāng)P<0.05時(shí)認(rèn)為數(shù)據(jù)之間存在顯著不同。采用Pearson相關(guān)性分析考察2組數(shù)據(jù)間的相關(guān)性。上述數(shù)據(jù)處理過程均在Origin 9.0軟件中進(jìn)行。
首先考察了3種常見的納米氧化物對(duì)耐四環(huán)素屎腸球菌存活率的影響(圖1)??梢园l(fā)現(xiàn),在暴露濃度為10 mg·L-1和100 mg·L-1時(shí)3種納米氧化物的毒性順序一致,即nCuO>nZnO>nTiO2(P<0.05)。在3種納米氧化物中nCuO的毒性最強(qiáng),10 mg·L-1即造成37.03%的細(xì)菌死亡。相比之下,nTiO2毒性相對(duì)較低,在100 mg·L-1時(shí)的致死率僅為nZnO的63.72%。
以nTiO2和nZnO為例考察了濃度和粒徑對(duì)納米氧化物對(duì)于耐四環(huán)素屎腸球菌毒性的影響(圖2)。
圖1 不同種類納米氧化物對(duì)耐四環(huán)素屎腸球菌存活率的影響注:(a) 納米氧化物的濃度為10 mg·L-1;(b) 納米氧化物的濃度為100 mg·L-1。Fig. 1 The effect of different kinds of nano metal oxides on the survival rate of tetracycline resistant Enterococcus faeciumNote: (a) Nano-oxides at the concentration of 10 mg·L-1; (b) Nano-oxides at the concentration of 100 mg·L-1.
圖2 不同納米氧化物濃度和粒徑對(duì)耐四環(huán)素屎腸球菌存活率的影響注:(a)不同濃度的nTiO2;(b)不同濃度的nZnO;(c)不同粒徑的nTiO2;(d)不同粒徑的nZnO。Fig. 2 The influence of different nano metal oxide concentration and size on the survival rate of tetracycline resistant Enterococcus faeciumNote: (a) Different concentrations of nTiO2; (b) Different concentrations of nZnO; (c) Different size of nTiO2; (d) Different size of nZnO.
由(圖2(a))可知,10 mg·L-1相同粒徑和形態(tài)的nTiO2脅迫下,細(xì)菌存活率約為73.38%;當(dāng)濃度從10 mg·L-1提高時(shí),存活率呈降低趨勢,至50 mg·L-1時(shí)存活率僅為58.67%,表明毒性隨濃度提高而增強(qiáng),但當(dāng)濃度由50 mg·L-1提升至100 mg·L-1時(shí),存活率并未出現(xiàn)繼續(xù)下降,反而有所升高,此時(shí)存活率為70.60%。nZnO的毒性隨濃度變化的趨勢與nTiO2類似,即存活率先降低到50 mg·L-1時(shí)的最低值(36.00%),繼而升高至48.85%。
從粒徑對(duì)納米氧化物的毒性影響來看,粒徑變大時(shí),存活率呈降低趨勢,表明毒性不斷加大,如粒徑90 nm的ZnO較粒徑30 nm使耐四環(huán)素屎腸球菌的存活率降低了32%,粒徑40 nm的nTiO2的較粒徑5~10 nm的nTiO2作用下,耐藥細(xì)菌的存活率降低了16%。然而納米氧化物的毒性并不隨粒徑的增大持續(xù)增大,當(dāng)nZnO的粒徑由90 nm提高到200 nm時(shí)毒性發(fā)生明顯降低,細(xì)菌存活率提高了19%;nTiO2在100 nm時(shí)的毒性比40 nm上升了9%。
實(shí)驗(yàn)設(shè)置的3個(gè)賦存時(shí)間0、3和6 h,可認(rèn)為反映了納米材料排放至水中的不同狀態(tài),如賦存0 h為納米氧化物剛進(jìn)入污水中,賦存3 h為含納米氧化物的污水經(jīng)排水管網(wǎng)進(jìn)入污水廠的途中,賦存6 h為在污水處理廠處理的階段。以nTiO2和nZnO為例,考察上述3種賦存時(shí)間對(duì)納米氧化物毒性的影響(圖3)。nZnO懸浮液賦存時(shí)間為0 h時(shí)細(xì)菌細(xì)胞存活率為48.85%,歷經(jīng)6 h后細(xì)菌存活率下降了22.15%。同樣地,100 mg·L-1nTiO2懸浮液賦存時(shí)間為0 h時(shí)細(xì)菌細(xì)胞存活率為70.60%,歷經(jīng)6 h后細(xì)菌細(xì)胞存活率下降了8.34%,即隨著賦存時(shí)間的延長,細(xì)菌的存活率呈降低趨勢(P<0.05),表明納米氧化物的毒性不斷增大。
通過測定LDH活性值來反映細(xì)胞通透性,從而考察不同種類、粒徑、濃度和賦存時(shí)間對(duì)納米氧化物毒性的影響機(jī)制(圖4)。從種類的影響來看,對(duì)細(xì)胞通透性影響的大小順序?yàn)閚ZnO、nCuO和nTiO2,該順序與前述納米氧化物的毒性順序存在差異,主要是nZnO取代nCuO成為使通透性提高最多的種類。從濃度的影響看,通透性隨著濃度的提高不斷提高,如nCuO濃度從10 mg·L-1依次增加到100 mg·L-1時(shí),LDH的值提高了1.809 U·mL-1,當(dāng)nAl2O3濃度從10 mg·L-1依次增加到100 mg·L-1時(shí),LDH的值提高了0.708 U·mL-1。從粒徑的影響看,通透性隨著納米氧化物粒徑的提高而不斷提高。如nTiO2粒徑從5 nm依次增加到100 nm,LDH提高了0.269 U·mL-1。當(dāng)nZnO粒徑從30 nm增加到200 nm時(shí),LDH提高了0.892 U·mL-1。從賦存時(shí)間的影響看,賦存時(shí)間的延長使通透性不斷提高。如nCuO(10 mg·L-1)懸浮液賦存時(shí)間從0 h到6 h,LDH提高了0.613 U·mL-1,而在100 mg·L-1的條件下提高了0.474 U·mL-1。進(jìn)一步分析了細(xì)胞的存活率和通透性之間相關(guān)性(表1),發(fā)現(xiàn)在濃度和賦存時(shí)間影響因素的實(shí)驗(yàn)中兩者顯著相關(guān)(P<0.05),且相關(guān)性較強(qiáng);而粒徑和種類的影響因素試驗(yàn)下兩者雖然同樣顯著相關(guān)(P<0.05),但相關(guān)性較弱。
圖3 不同賦存時(shí)間對(duì)耐四環(huán)素屎腸球菌存活率的影響注:(a) 100 mg·L-1 nTiO2,(b) 100 mg·L-1 nZnO。Fig. 3 Effects of different persistent period on the survival rate of tetracycline resistant Enterococcus faeciumNote: (a) 100 mg·L-1 nTiO2, (b) 100 mg·L-1 nZnO.
表1 細(xì)胞的存活率和LDH的產(chǎn)量之間相關(guān)性分析Table 1 Correlation analysis between cell survival rate and LDH production
圖4 不同種類、濃度、粒徑的納米氧化物及不同賦存時(shí)間下與耐四環(huán)素屎腸球菌反應(yīng)后的LDH值 注:(a)不同種類,(b)不同濃度,(c)不同粒徑,(d)不同賦存時(shí)間;LDH為測定出的乳糖脫氫酶活性值,虛線表示未經(jīng)納米氧化物處理的耐四環(huán)素屎腸球菌的LDH值。Fig. 4 The LDH value of tetracycline resistant Enterococcus faecium after reacting with nano metal oxides of different types, concentrations, sizes and different storage timesNote: (a) Different kinds, (b) Different concentrations, (c) Different size, (d) Different storage time; LDH indicates the measured lactate dehydrogenase activity value, and the dotted line represents the LDH value of tetracycline-resistant Enterococcus faecium without nano metal oxide treatment.
在nZnO、nCuO和nTiO23種納米材料中,nCuO的毒性最強(qiáng),可能是因?yàn)閚CuO溶解出的Cu2+具有較強(qiáng)的毒性,能夠進(jìn)入細(xì)胞導(dǎo)致細(xì)胞死亡[27]。在一項(xiàng)針對(duì)nZnO、nCuO和nTiO2對(duì)酵母菌的毒性研究中,同樣發(fā)現(xiàn)nCuO毒性最強(qiáng)[28]。相近地,nZnO對(duì)耐四環(huán)素屎腸球菌也表現(xiàn)出較強(qiáng)毒性,在10 mg·L-1暴露時(shí)致死率達(dá)30.56%,可能是由于nZnO溶解產(chǎn)生的Zn2+具有細(xì)胞毒性導(dǎo)致,在本研究中nZnO在加入濃度為10 mg·L-1時(shí)溶解的Zn2+濃度達(dá)1.03 mg·L-1。Zn2+被報(bào)道可以破壞細(xì)胞膜使細(xì)胞內(nèi)容物流出,同時(shí)抑制細(xì)胞壁的合成,抑制細(xì)胞的繁殖和生長,進(jìn)而使細(xì)胞死亡[29]。相比之下,nTiO2的毒性相對(duì)較低可能是因?yàn)閚TiO2溶解性較低,溶出的離子濃度較低。而且相應(yīng)的離子的毒性低于Cu2+和Zn2+,所以表現(xiàn)出較低的毒性。如徐爭啟等[30]在研究中報(bào)道Ti的毒性系數(shù)遠(yuǎn)小于Cu。此外,nTiO2較弱的毒性可能與其帶電性有關(guān)。據(jù)報(bào)道nTiO2表面的電荷值接近中性,不易與表面帶負(fù)電的耐藥細(xì)菌結(jié)合,因此毒性較低[31]。
在探究濃度對(duì)納米氧化物對(duì)耐四環(huán)素屎腸球菌毒性的研究中發(fā)現(xiàn),納米氧化物濃度較低時(shí),毒性隨納米氧化物濃度的升高而加強(qiáng)(P<0.05),這可能除離子溶解外,納米氧化物本身的毒性也是導(dǎo)致細(xì)菌死亡的因素。加入的納米氧化物濃度升高后與細(xì)菌的接觸概率提高,以及析出的離子濃度提高。然而,濃度進(jìn)一步提高后盡管析出的離子濃度可能有進(jìn)一步提高(如nZnO在濃度為10 mg·L-1時(shí)Zn2+析出濃度為1.03 mg·L-1,在濃度為100 mg·L-1時(shí)Zn2+析出濃度為12.16 mg·L-1),但是過高濃度的納米氧化物容易發(fā)生團(tuán)聚,形成的實(shí)際粒徑遠(yuǎn)大于低濃度時(shí)(如ZnO在濃度為10 mg·L-1時(shí)水合粒徑為401.80 nm,在濃度為100 mg·L-1時(shí)水合粒徑為917.38 nm),因此導(dǎo)致納米氧化物的接觸毒性變?nèi)?,使納米氧化物的總體毒性下降。這表明納米氧化物的粒徑對(duì)毒性的影響可能是粒子的接觸和溶出為金屬離子共同作用的結(jié)果。
關(guān)于粒徑對(duì)納米顆粒毒性的影響研究盡管已開展較多,但是沒有定論。很多研究認(rèn)為粒徑越小,納米顆粒的毒性越大[32],主要是由于粒徑越小分散性越好,容易與微生物接觸。此外,粒徑越小可能有利于金屬離子的溶解,因而毒性增大[33-34]。然而,也有研究發(fā)現(xiàn)納米顆粒粒徑越大,毒性越大,主要是由于粒徑越小在水中越容易團(tuán)聚,導(dǎo)致毒性降低[35]。本研究發(fā)現(xiàn)納米氧化物毒性隨粒徑增大先增大后減小的趨勢,可能再次驗(yàn)證了納米顆粒的接觸和溶解金屬離子同時(shí)起作用,即在較小粒徑范圍時(shí),容易溶解產(chǎn)生離子,但是納米顆粒易團(tuán)聚(如粒徑為30 nm的nZnO水合粒徑為401.80 nm,團(tuán)聚倍數(shù)為13.39),綜合表現(xiàn)為粒徑越小毒性越小,當(dāng)粒徑范圍提高后,納米顆粒團(tuán)聚趨勢減弱(如粒徑為200 nm的nZnO水合粒徑為857.49 nm,團(tuán)聚倍數(shù)為4.29),因此毒性增加[36-37]。而粒徑進(jìn)一步增加后,離子溶解減少,納米顆粒的接觸毒性也降低,因此毒性降低。
對(duì)于賦存時(shí)間對(duì)毒性的影響研究發(fā)現(xiàn)隨著賦存時(shí)間的延長,細(xì)菌的存活率降低,這可能是因?yàn)橘x存時(shí)間的延長使納米氧化物溶出的金屬離子濃度提高(如濃度為10 mg·L-1的nZnO在0 h的溶解金屬離子總濃度為1.03 mg·L-1,在6 h的總濃度為1.62 mg·L-1),因此毒性增強(qiáng)。相近的結(jié)果在前人的研究中也被報(bào)道,如Ma等[38]研究了納米氧化鋅對(duì)大腸桿菌的暴露時(shí)間和抗菌率的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)暴露時(shí)間越長,納米氧化鋅的抗菌效率越高,因?yàn)楸┞稌r(shí)間越長溶出的金屬離子的濃度在不斷提高。
細(xì)胞通透性的提高與納米氧化物的毒性之間的變化趨勢盡管存在相似之處,但也有不少情況下偏差較大。這可能是因?yàn)橥环N納米氧化物經(jīng)不同的處理后,其毒性與細(xì)胞通透性間存在較好的相關(guān)性,說明納米氧化物作用于細(xì)胞先破壞細(xì)胞膜使其通透性增大,然后金屬離子或納米氧化物顆粒進(jìn)入細(xì)胞體內(nèi)使其死亡;而不同種類或粒徑的納米氧化物之間差距較大,造成的通透性變化差異較大。
本研究表明,納米氧化物在污水處理過程中對(duì)耐四環(huán)素屎腸球菌表現(xiàn)出較明顯的毒性,且毒性受納米氧化物種類、粒徑、濃度和在水中的賦存時(shí)間等影響。3種納米氧化物的毒性大小為nCuO>nZnO>nTiO2;納米氧化物毒性隨濃度和粒徑的提高均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢;賦存時(shí)間越長,納米氧化物對(duì)耐四環(huán)素屎腸球菌的毒性越強(qiáng)。從影響機(jī)理看,納米氧化物及其溶解產(chǎn)生的金屬離子共同作用,破壞細(xì)胞膜,提升了細(xì)胞膜的通透性,納米氧化物和金屬離子進(jìn)入細(xì)胞進(jìn)一步破壞胞內(nèi)物質(zhì),導(dǎo)致細(xì)胞死亡。然而,納米氧化物對(duì)耐四環(huán)素屎腸球菌的毒性并不必然意味著抗生素抗性風(fēng)險(xiǎn)的降低,抗性基因可能在胞外仍保留活性。盡管納米氧化物與耐藥細(xì)菌存在廣泛的接觸和相互作用的機(jī)會(huì),納米氧化物對(duì)耐藥細(xì)菌的影響在以往的研究中尚未被充分揭示,在未來的研究中需要繼續(xù)關(guān)注。本研究可為闡明納米材料對(duì)耐藥細(xì)菌的影響作用和機(jī)制提供理論和實(shí)驗(yàn)支撐。