不同粒径纳米氧化铈对于大肠杆菌活性的影响研究

【摘要】 目的 观察1nm大小与5nm大小球形纳米氧化铈颗粒（CeNps）制成的悬液对大肠杆菌活性影响的区别。 方法 将不同粒径的CeNps加入纯水中分别制成悬液，观察组使用1nm大小的CeNps制作悬液，实验组使用5nm大小的CeNps制作悬液，将两组悬液与大肠杆菌混悬液共同培养，最后使用平板菌落计数法，通过比较平板上单个菌落形成数量多少，评价两种不同粒径颗粒悬液对大肠杆菌的活性影响。 结果 实验组和观察组的菌落数明显低于对照组中的菌落数其差异有统计学意义（P<0.05）。 结论 5nm球形CeNps悬液对于大肠杆菌的毒性大于1nm球形CeNps悬液。

【关键词】 纳米氧化铈；大肠杆菌；粒径；抗菌活性

铈作为镧系元素中的一种，其抗菌性已经得到了多年的关注，而随着物理学的发展，其在纳米级别下获得的新的理化性质已被证明可以用于延长细胞寿命以及杀灭细菌[1]，而不同晶型、粒径的CeNps对于细菌的活性影响也有所不同[2]。本研究将两种粒径的球型CeNps作为研究对象，探究他们在相同晶型下不同粒径对于大肠杆菌活性的影响。

1 材料与方法

1.1主要材料

CeNps（1nm、5nm）均购自于科特新材料科技有限公司，纯水购自哇哈哈，实验用大肠杆菌来源于本院检验科鉴定后提供。

1.2CeNps悬液的配制

采用倍比稀释法在纯水中加入CeNps，使得其最终混悬液浓度为100mg/L。使用前将其混悬液超声15min，使其内CeNps充分混悬。

1.3大肠杆菌悬液的配制

将实验室提供的大肠杆菌菌株在LB培养基上划线培养48h，后挑起单个菌落内菌株放入纯水中制成大肠杆菌混悬液，通过OD值调整其混悬液细菌密度为1*108CFU/ml，使用前放入震荡培养箱中15min使其充分混匀。

1.4CeNps悬液对于大肠杆菌活性的影响

在1ml的大肠杆菌悬液中分别加入上述配置好的CeNps悬液0.1ml，对照组中只加入0.1ml的纯水，将配制好的三组混悬液放入37℃的震荡培养箱中，在120rpm下培养24h后取出，使用比浊法测量对照组中细菌悬液浓度，并将其稀释至月2×102CFU/ml，记录其稀释比例，并使用相同稀释比例稀释其余两组共培养悬液。使用一次性无菌针管分别吸取三组共培养悬液0.1ml，滴入LB琼脂固体培养基上，使用刮板刮匀后放入37℃恒温培养箱中培养24h后取出，记录各培养基上的菌落数。本实验重复三次。

1.5统计学方法

使用SPSS26.0软件进行统计学分析。实验数据中的计数资料采用2检验进行数据差异的比较，P<0.05 表示差异有统计学意义。

2 结果

观察组中培养基中菌落个数为8±3，实验组LB培养基中菌落个数为4±2，对照组试验组LB培养基中菌落个数为23±4，其差异具有统计学意义（P<0.05）。见表1.

3 讨论

氧化铈在纳米级别下具有特殊的立方晶体萤石结构，这种结构可根据周围环境氧浓度自由获取或释放活性氧。在既往的研究中，Thill等人[3]证明了CeO2纳米粒的细胞毒性。并由此提出了氧化铈纳米颗粒抗菌的三种机制[4]：

（1） 物理损伤和吸附（2）氧化应激损伤 （3）毒性

一些表面形状不规则的CeNps在吸附于细菌细胞壁上时可直接造成物理损伤、损坏细胞壁，也会通过持续吸附进一步导致细胞内活性氧的产生.由于静电相互作用，带正电的纳米氧化铈会稳稳地吸附在细菌细胞壁上。这使得纳米氧化铈干扰细菌细胞膜并影响细菌中胚体。从而导致细胞呼吸、DNA复制和细胞分裂等功能受到干扰。

氧化应激损伤出现在纳米颗粒和细菌表面接触发生化学修饰时。这时候纳米颗粒的Ce4+电荷减少为Ce3+，多余的电子被大肠杆菌通过细胞代谢吸收导致细菌细胞膜中的脂质和/或蛋白质受到氧化应激损伤。

第三种毒性机制是由氧化应激介导的，氧化应激是由细菌膜表面Ce3+和Ce4+之间可逆转换导致的体内活性氧的产生引起的.活性氧可以攻击核酸、蛋白质、多糖、脂质和其他生物分子，导致其功能丧失，最终杀死和分解细菌。

与其他金属氧化物纳米颗粒一样，CeNps表面的形态、大小和组成影响了其抗菌性能。而在本研究中观察组即使用1nm大小的CeNps制成的悬液与大肠杆菌悬液共培养后产生的细菌菌落数，明显多于实验组中使用5nm大小的CeNps制成的悬液与大肠杆菌悬液共培养后产生的细菌菌落数量，即证实了即便是同晶型同浓度的CeNps悬液，也会因为其颗粒粒径的不同，引起抗菌能力的变化，这可能是由于两种粒径之间与细菌接触面积之间的差异，引起了其对于大肠杆菌氧化应激损伤能力的变化，最终导致其细菌毒性的差异。

综上所述，5nm大小的CeNps相较于1nm大小CeNps对于大肠杆菌的活性影响更大，5nm大小的CeNps具有更好的抗菌应用前景。

参考文献

[1]郭佳靖，高艳芳，张欣.CeO_2纳米酶活性与抗菌性能研究进展[J].化学试剂，2022，44（09）：1249-1256.DOI：10.13822/j.cnki.hxsj.2022.0355.

[2]王皓，姚青，杨阳等.纳米氧化铈在医药领域中的应用研究进展[J].中国现代应用药学，2021，38（17）：2170-2179.DOI：10.13748/j.cnki.issn1007-7693.2021.17.020.

[3]李雪. 多形貌纳米二氧化铈改性纯钛种植体表面的抗菌抗炎性能的研究[D].吉林大学，2020.DOI：10.27162/d.cnki.gjlin.2020.000377.

[4]张萌真，张超，翟欣昀等.氧化铈纳米粒子的抗菌机理及应用（英文）[J].Science China Materials，2019，62（11）：1727-1739.