CN108911050A - 一种降低纳米银毒性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低纳米银毒性的方法，该方法采用二价电解质降低水环境中纳米银的毒性，其中二价电解质为含有二价阳离子的电解质。本发明方法利用二价电解质能够有效降低水环境中纳米银的毒性，具有简单、方便、成本低、实用性强、适用范围广、无二次污染等优点，所用试剂环保、易获取，能够降低纳米银对人体、有益生物和微生物的毒性，有着很好的应用价值和应用前景。本发明方法对治理纳米银水体的实际应用具有重要意义。

Description

一种降低纳米银毒性的方法
技术领域
本发明属于纳米银毒理学和微生物安全性领域，涉及一种降低纳米银毒性的方法，具体涉及一种利用二价电解质降低水环境中纳米银毒性的方法。
背景技术
纳米银(Ag Nanoparticles,AgNPs)指的是粒径为纳米级的银单质，其粒径小于100nm，一般为25nm～50nm，对大肠杆菌、淋球菌、沙眼衣原体等数十种致病微生物都有强烈的抑制和杀灭作用，且不产生耐药性。纳米银已被广泛应用于环境保护、纺织服饰、水果保鲜、食品卫生以及电子、催化等领域。随着纳米银使用的增加，纳米银释放到环境中的含量也会日益增加，从而增大环境生物的潜在环境风险，尤其是有益微生物。然而，水环境中的各个因素，如pH、温度、溶解氧、天然有机物质等，会对纳米银的物理化学性质产生一定的影响，进而影响纳米银对微生物的毒害作用。研究发现，纳米银对微生物的毒害作用与纳米银-微生物细胞直接接触/相互作用的几率密切相关，直接接触/相互作用的几率越小，其对微生物的毒害作用越弱。
以黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)为例，黄孢原毛平革菌具有能降解木质素和变性木质素的酶活系统，不仅能有效降解废水中难降解有机物，还能将漂白废水中的有机氯化物转变为无机氯和二氧化碳，并破坏发色基团和结构，降低漂白废水中的总有机氯、BOD、COD和色度。黄孢原毛平革菌对难降解有机物进行生物降解，提高堆肥效率并最终改善堆肥产品质量。此外，黄孢原毛平革菌还能有效地富集重金属。因而，黄孢原毛平革菌在重金属去除、有机物降解及堆肥技术上得到广泛的应用。然而，当黄孢原毛平革菌用于处理含纳米银的水体时，纳米银的强抑菌、杀菌作用会在一定程度上降低黄孢原毛平革菌的细胞活性，进而大大减少该微生物对污染物的处理效率。因此，鉴于水环境中暴露量与日俱增的纳米银，以及这些纳米银对人体、有益生物和微生物的危害，发展一种有效减低纳米银毒性的方法具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种简单、方便、成本低、实用性强、适用范围广、无二次污染的降低纳米银毒性的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种降低纳米银毒性的方法，采用二价电解质降低水环境中纳米银的毒性；所述二价电解质为含有二价阳离子的电解质。
上述的方法，进一步改进的，所述方法包括以下步骤：将二价电解质与纳米银溶液混合，得到混合溶液。
上述的方法，进一步改进的，所述二价电解质为钙盐或镁盐。
上述的方法，进一步改进的，所述钙盐为Ca(NO3)2或CaCl2；所述镁盐为MgCl2或MgSO4。
上述的方法，进一步改进的，所述混合溶液中Ca(NO3)2的浓度≤30mM，纳米银的浓度≤170μM。
上述的方法，进一步改进的，所述混合溶液中CaCl2的浓度≤30mM，纳米银的浓度≤170μM。
上述的方法，进一步改进的，所述混合溶液中MgCl2的浓度≤30mM，纳米银的浓度≤170μM。
上述的方法，进一步改进的，所述混合溶液中MgSO4的浓度≤30mM，纳米银的浓度≤170μM。
上述的方法，进一步改进的，所述方法还包括以下步骤：将所述混合溶液与微生物混合进行振荡反应；所述微生物的加入量为0.6g/L～1.2g/L(即微生物与混合溶液的比例为0.6g～1.2g∶1L)。
上述的方法，进一步改进的，所述微生物为黄孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)、云芝(Trametes versicolor)、平菇(Pleurotus ostreatus)中的至少一种；所述振荡反应在温度为35℃～39℃下进行；所述振荡反应过程中转速为130rpm～170rpm；所述振荡反应的时间为12h～24h。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明提供了一种降低纳米银毒性的方法，利用二价电解质降低水环境中纳米银的毒性。本发明中，二价电解质中的二价阳离子(如Ca2+和Mg2+)能够参与微生物表面脂多糖分子的编排，并在脂多糖分子和纳米银之间形成离子键桥，这将减少细胞膜上纳米银的结合位点，降低纳米银对微生物的损害作用；同时，二价电解质中的二价阳离子(如Ca2+和Mg2+)还能与分布在纳米银表面的柠檬酸分子及细胞表面的生物大分子的羧酸盐进行特异性相互作用，中和带有负电荷的纳米银和黄孢原毛平革菌的表面电荷。此外，二价电解质的加入也能促使纳米银形成絮凝/聚集或沉淀。可见，二价电解质能够降低纳米银与微生物直接接触/相互作用的几率，并减少了纳米银的摄入量，进而降低水环境中纳米银对微生物的毒害作用，改善微生物对纳米银水体中污染物的处理效率。本发明方法利用二价电解质降低水环境中纳米银的毒性具有简单、方便、成本低、实用性强、适用范围广、无二次污染等优点，所用试剂环保、易获取，能够降低纳米银对人体、有益生物和微生物的毒性，有着很好的应用价值和应用前景。本发明方法对治理纳米银水体的实际应用具有重要意义。
(2)本发明方法中，仅以二价电解质为原料，具有原料易得、原料成本低廉等优点，同时，由于纳米银本身具有强抑菌、杀菌作用，在二价电解质的作用下，能够有效抑制纳米银对微生物细胞的毒害作用，且混合溶液中二价电解质的浓度为≤30mM时二价电解质均能有效地抑制纳米银对黄孢原毛平革菌的毒害作用，即在较宽的二价电解质浓度范围内易于实现纳米银毒性的降低，且不需要其他苛刻条件，对实验条件和实验设备的要求低，为促进微生物在纳米银水环境中的生长提供了有利的条件。
(3)本发明方法中，由于纳米银本身具有强抑菌、杀菌作用，在二价电解质的作用下，能够有效控制纳米银对微生物细胞的毒害作用，且混合溶液中存在二价电解质时纳米银对微生物(如黄孢原毛平革菌、云芝和平菇)细胞活性产生积极刺激作用的浓度拓宽到170μM，即浓度≤170μM的纳米银均能够对微生物(如黄孢原毛平革菌、云芝和平菇)细胞活性产生积极刺激作用，也就是说在高浓度纳米银条件下也能够促进微生物(如黄孢原毛平革菌、云芝和平菇)在纳米银水环境中的生长，提高微生物(如黄孢原毛平革菌、云芝和平菇)的细胞活性。
附图说明
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
图1为本发明实施例1中不同二价电解质种类及浓度条件下黄孢原毛平革菌细胞活性的变化示意图。
图2为本发明实施例2中不同纳米银浓度条件下黄孢原毛平革菌细胞活性的变化示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。
实施例1
一种降低纳米银毒性的方法，包括以下步骤：
(1)纳米银的制备：将1.5mL、浓度为24mmol/L的柠檬酸三钠溶液和4.5mL、浓度为24mmol/L硼氢化钠溶液加入到53.5mL超纯水中，在冰浴条件下剧烈搅拌，同时边搅拌边加入0.5mL、浓度为24mM的硝酸银溶液，混合液转变为黄色，表明有纳米银生成。然后在室温条件下继续搅拌3h，搅拌所得纳米银溶液通过1KDa透析膜进行纯化，去除可溶性杂质，如柠檬酸三钠和银离子，得到纳米银储备液。
(2)黄孢原毛平革菌菌球的制备：将黄孢原毛平革菌孢子加入到无菌水中，形成黄孢原毛平革菌孢子悬浮液，取3.5mL孢子悬浮液于200mL Kirk培养基中，在温度为37℃、转速为150rpm的条件下培养60h，过滤，清洗，得到黄孢原毛平革菌菌球。
(3)将二价电解质与步骤(1)中得到的纳米银储备液混合，得到混合溶液。
其中，二价电解质为CaCl2时，CaCl2的浓度为1mM、2mM、5mM、10mM和30mM，对应的混合溶液分别为A1、A2、A3、A4、A5，且这些混合溶液中纳米银的浓度均为30μM。
二价电解质为Ca(NO3)2时，Ca(NO3)2的浓度为1mM、2mM、10mM和30mM，对应的混合溶液分别为A6、A7、A8、A9，且这些混合溶液中纳米银的浓度均为30μM。
二价电解质为MgCl2时，MgCl2的浓度为1mM、2mM、5mM、10mM和30mM，对应的混合溶液分别为A10、A11、A12、A13、A14，且这些混合溶液中纳米银的浓度均为30μM。
二价电解质为MgSO4时，MgSO4的浓度为1mM、5mM和30mM，对应的混合溶液分别为A15、A16、A17，且这些混合溶液中纳米银的浓度均为30μM。
(4)取17份步骤(2)中制备得到的黄孢原毛平革菌菌球，分别加入到步骤(3)中制得的混合溶液A1～A17中，其中黄孢原毛平革菌菌球的加入量为0.9g/L(即黄孢原毛平革菌菌球与混合溶液的比例为0.9g∶1L)，混合均匀后，于温度为37℃、转速为150rpm的条件下振荡反应20h。
以未添加二价电解质为纳米银组，即以纳米银溶液代替混合溶液，在相同条件下与黄孢原毛平革菌菌球混合进行振荡反应。
以未添加二价电解质和纳米银为对照组，即以超纯水代替在混合溶液，在相同条件下与黄孢原毛平革菌菌球混合进行振荡反应。
图1为本发明实施例1中不同二价电解质及浓度条件下黄孢原毛平革菌细胞活性的变化示意图。图1中，黄孢原毛平革菌细胞活性为与对照组的相对活性，用百分比表示，用于反映不同条件对纳米银毒性的影响。由图1可知，混合溶液中CaCl2的浓度为1mM～30mM时，黄孢原毛平革菌细胞的活性为84.8％～137.6％；混合溶液中Ca(NO3)2的浓度为1mM～30mM时，黄孢原毛平革菌细胞的活性为87.4％～105.2％；混合溶液中MgCl2的浓度为1mM～30mM时，黄孢原毛平革菌细胞的活性为86.0％～108.7％；混合溶液中MgSO4的浓度为1mM～30mM时，黄孢原毛平革菌细胞的活性为90.4％～115.9％。然而，二价电解质浓度过高时，如二价电解质浓度高于30mM时过多的二价电解质可能会显著增加水质的硬度，这不仅不利于水生生态环境及人类健康，而且会加重后续水处理成本，同时浓度过高时也会相应地增加二价电解质的使用量，增加原料的使用成本，不利于大规模工业化利用。另外，纳米银组中，未添加二价电解质时微生物的活性为82.2％。通过比较可知，相比纳米银组，本发明中加入的二价电解质(CaCl2、Ca(NO3)2、MgCl2和MgSO4)能够提高黄孢原毛平革菌细胞的活性，均高于82.2％，表明二价电解质的加入减少了细胞膜上纳米银的结合位点和纳米银的摄入量，中和了带有负电荷的纳米银和黄孢原毛平革菌的表面电荷，促使纳米银形成絮凝/聚集或沉淀，降低了纳米银与微生物直接接触/相互作用的几率，从而降低水环境中纳米银对微生物的毒害作用，即加入二价电解质能够降低纳米银的毒性；同时，混合溶液中二价电解质(CaCl2、Ca(NO3)2、MgCl2和MgSO4)的浓度为1mM～30mM均能够不同程度的提高黄孢原毛平革菌细胞的活性，这说明浓度为1mM～30mM的二价电解质均能够降低纳米银的毒性。
实施例2
一种降低纳米银毒性的方法，包括以下步骤：
(1)将二价电解质与实施例1步骤(1)中得到的纳米银储备液混合，得到不同纳米银浓度的混合溶液。
其中，二价电解质为Ca(NO3)2时，纳米银浓度为0μM、10μM、60μM、100μM、170μM，对应的混合溶液分别为B1、B2、B3、B4、B5，且这些混合溶液中Ca(NO3)2的浓度均为30mM。
二价电解质为CaCl2时，纳米银浓度为0μM、10μM、60μM、100μM、170μM，对应的混合溶液分别为B6、B7、B8、B9、B10，且这些混合溶液中CaCl2的浓度均为30mM。
二价电解质为MgCl2时，纳米银浓度为0μM、10μM、60μM、100μM、170μM，对应的混合溶液分别为B11、B12、B13、B14、B15，且这些混合溶液中MgCl2的浓度均为30mM。
二价电解质为MgSO4时，纳米银浓度为0μM、10μM、60μM、100μM、170μM，对应的混合溶液分别为B16、B17、B18、B19、B20，且这些混合溶液中MgSO4的浓度均为30mM。
(2)取20份实施例1中制备得到的黄孢原毛平革菌菌球，分别加入到步骤(1)中制得的混合溶液B1～B20中，其中黄孢原毛平革菌菌球的加入量为0.9g/L(即黄孢原毛平革菌菌球与混合溶液的比例为0.9g∶1L)，混合均匀后，于温度为37℃、转速为150rpm的条件下振荡反应20h。
以碳酸氢钠缓冲溶液代替二价电解质为碳酸氢钠缓冲溶液组，对应的混合溶液为D1、D2、D3、D4、D5，且这些混合溶液中碳酸氢钠的浓度为2mM，在相同条件下与黄孢原毛平革菌菌球混合进行振荡反应。
以未添加二价电解质和纳米银为对照组，即以超纯水代替混合溶液，相同条件下与黄孢原毛平革菌菌球混合进行振荡反应。
振荡反应结束后，测定黄孢原毛平革菌细胞活性，结果如图2所示。
图2为本发明实施例2中不同纳米银浓度条件下黄孢原毛平革菌细胞活性的变化示意图。图2中，黄孢原毛平革菌细胞活性为与对照组的相对活性，用百分比表示，用于反映不同条件对纳米银毒性的影响。由图2可知，在碳酸氢钠缓冲溶液存在的条件下，混合溶液中纳米银的浓度分别为0μM、10μM、60μM、100μM和170μM时，黄孢原毛平革菌细胞的活性分别为100％、125.7％、78.1％、68.2％和52.4％；在二价电解质Ca(NO3)2存在的条件下，混合溶液中纳米银的浓度分别为0μM、10μM、60μM、100μM和170μM时，黄孢原毛平革菌细胞的活性分别为133.3％、130.9％、146.2％、130.7％和187.7％；在二价电解质CaCl2存在的条件下，混合溶液中纳米银的分别为0μM、10μM、60μM、100μM和170μM时，黄孢原毛平革菌细胞的活性分别为223.0％、203.3％、203.8％、184.1％和97.3％；在二价电解质MgCl2存在的条件下，混合溶液中纳米银的浓度分别为0μM、10μM、60μM、100μM和170μM时，黄孢原毛平革菌细胞的活性分别为163.3％、133.9％、143.9％、123.8％和128.7％；在二价电解质MgSO4存在的条件下，混合溶液中纳米银的浓度分别为0μM、10μM、60μM、100μM和170μM时，黄孢原毛平革菌细胞的活性分别为135.2％、152.9％、107.6％、83.7％和68.7％。通过比较可知，在混合溶液中纳米银的浓度为0μM～170μM条件下，与碳酸氢钠缓冲溶液相比，二价电解质Ca(NO3)2、CaCl2、MgCl2和MgSO4的加入使得微生物的活性均得到不同程度的提高，尤其是在高浓度纳米银(60μM～170μM)条件下，二价电解质的加入显著提高了微生物的活性，这说明二价电解质的加入不仅能增强低浓度纳米银对微生物的刺激效应，还能降低高浓度纳米银对微生物产生的毒害作用。
对比例1
以半胱氨酸、胡敏酸、牛血清白蛋白提高含纳米银水体中微生物活性的方法，包括以下步骤：
(1)配置混合溶液
将半胱氨酸和实施例1中制备得到的纳米银储备液混合，得到混合溶液为C1，其中半胱氨酸浓度为100mg/L，且该混合溶液中纳米银的浓度为10μM(1mg/L)。
将胡敏酸和实施例1中制备得到的纳米银储备液混合，得到混合溶液为C2，其中胡敏酸浓度为100mg/L，且该混合溶液中纳米银的浓度为10μM(1mg/L)。
将牛血清白蛋白和实施例1中制备得到的纳米银储备液混合，得到混合溶液为C3，其中牛血清白蛋白浓度为100mg/L，且该混合溶液中纳米银的浓度为10μM(1mg/L)。
(2)取3份实施例1中制备得到的黄孢原毛平革菌菌球，分别加入到步骤(1)中制得的混合溶液C1～C3中，其中黄孢原毛平革菌菌球的加入量为0.9g/L(即黄孢原毛平革菌菌球与混合溶液的比例为0.9g∶1L)，混合均匀后，于温度为37℃、转速为150rpm的条件下振荡反应20h。
以超纯水为对照组，即以超纯水代替混合溶液，在相同条件下与黄孢原毛平革菌菌球混合进行振荡反应。
分别测定经处理后，各混合溶液中微生物的活性，测定结果见表1。
表1不同物质对含纳米银水体中微生物活性的影响
由表1可知，与未加入二价电解质的10μM纳米银溶液(D2)相比，本发明中通过加入二价电解质能够显著增强微生物的活性，其中加入浓度为30mM的Ca(NO3)2(B2)使纳米银水体中微生物的活性增强5.2％；加入浓度为30mM的CaCl2(B7)使纳米银水体中微生物的活性增强77.6％；加入浓度为30mM的MgCl2(B12)使纳米银水体中微生物的活性增强8.2％；加入浓度为30mM的MgSO4(B17)使纳米银水体中微生物的活性增强27.2％。另外，从表1可知，实施例2中加入二价电解质(Ca(NO3)2、MgCl2、MgSO4)对纳米银水体中微生物活性的提高效果与对比例1中加入浓度为100mg/L的半胱氨酸(C1)和100mg/L的胡敏酸(C2)的效果相当，但显著高于对比例1中加入浓度为100mg/L的牛血清白蛋白(C3)的效果。更重要的是，本发明中加入浓度为30mM的CaCl2(B7)对纳米银水体中微生物活性的增强效果显著高于对比例1中任何一种物质产生的增强效果。通过对比可知，本发明中二价电解质(CaCl2、Ca(NO3)2、MgCl2、MgSO4)的加入对纳米银水体中微生物活性的提高更为突出，明显降低了纳米银的毒害作用。
综上可知，本发明中二价电解质(CaCl2、Ca(NO3)2、MgCl2、MgSO4)的加入不仅明显提高了低浓度纳米银水体中微生物的活性，其还能更显著地增强高浓度纳米银水体中微生物的活性，这对纳米银废水中有益微生物活性的改善具有重要意义。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种降低纳米银毒性的方法，其特征在于，采用二价电解质降低水环境中纳米银的毒性；所述二价电解质为含有二价阳离子的电解质。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：将二价电解质与纳米银溶液混合，得到混合溶液。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述二价电解质为钙盐或镁盐。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述钙盐为Ca(NO3)2或CaCl2；所述镁盐为MgCl2或MgSO4。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述混合溶液中Ca(NO3)2的浓度≤30mM，纳米银的浓度≤170μM。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述混合溶液中CaCl2的浓度≤30mM，纳米银的浓度≤170μM。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述混合溶液中MgCl2的浓度≤30mM，纳米银的浓度≤170μM。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述混合溶液中MgSO4的浓度≤30mM，纳米银的浓度≤170μM。
9.根据权利要求2～8中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：将所述混合溶液与微生物混合进行振荡反应；所述微生物的加入量为0.6g/L～1.2g/L。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述微生物为黄孢原毛平革菌、云芝、平菇中的至少一种；所述振荡反应在温度为35℃～39℃下进行；所述振荡反应过程中转速为130rpm～170rpm；所述振荡反应的时间为12h～24h。
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