基于新型二维材料的食源性致病菌光动力学杀灭控制机制研究

论文摘要

由食源性致病菌引起的食物中毒事件在各类食品安全事件中占比最高,已成为我国食品安全面临的首要问题。传统的杀菌方式,多为紫外杀菌或含氯杀菌剂等物理或化学方法,前者操作简单可靠,但对于设备条件要求过高而影响实际应用,后者又易与有机物反应生成氯化物残留从而对人体产生潜在危害。因此,研发高效快捷且无毒无害的新型杀菌技术显得尤为重要。近年来,以半导体材料为核心的光动力学杀菌技术作为一种理想的能源利用和新型杀菌方式,在微生物控制领域展现出广阔的应用前景。相比传统的杀菌技术,光动力学杀菌技术具有高效、节能、环保等优点。因此,研发清洁高效、杀菌性能广谱、无二次污染的光催化剂应用于食源性致病菌的杀灭与控制,对保障食品安全具有重要意义。本文以沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和多重耐药沙门氏菌等常见的食源性致病菌为研究对象,基于石墨相氮化碳基纳米材料对太阳光的高效吸收能力,设计制备了三种纳米抗菌剂并探究其光动力学杀菌机理及应用价值。论文主要研究内容和研究结果如下:1.钒酸盐量子点/氮化碳纳米抗菌剂的制备及其对沙门氏菌光动力学杀菌性能研究采用微波超声法合成了钒酸盐量子点/氮化碳纳米抗菌剂（vanadate QDs/g-C3N4）。首先通过SEM-EDS,TEM,XRD,FT-IR和XPS等表征技术证实钒酸盐量子点/氮化碳纳米材料的成功合成。随后采用标准平板计数法探究纳米抗菌剂对沙门氏菌的杀菌效率。研究结果表明,该纳米抗菌剂在浓度0.75 mg/mL时可杀灭96.4%的沙门氏菌。SEM技术、荧光活/死菌染色和BCA蛋白测定结果表明,vanadate QDs/g-C3N4纳米抗菌剂在可见光照射下产生能够迅速攻击细菌细胞膜的活性氧,造成细菌裂解以及细菌内容物的泄露,最终通过细菌内容物的泄露来破坏细菌的新陈代谢,达到杀灭沙门氏菌的目的。Vanadate QDs/g-C3N4纳米抗菌剂的研发,证实了氮化碳基纳米材料对沙门氏菌的高效杀灭性能,为后续开发新型纳米抗菌剂和研究光动力学杀菌机制奠定了基础。2.多功能铋钴共掺杂氮化碳纳米抗菌剂的制备及其对金黄色葡萄球菌光动力学杀菌性能研究通过简单的两步法合成具有泡沫状结构的多功能铋钴共掺杂氮化碳纳米抗菌剂（Bi@Co@CN）。研究结果表明,Bi@Co@CN能将石墨相氮化碳的光谱范围从可见光扩展到近红外光。20 min光照内,该材料显示出较好的光转换效果,并产生大量活性氧和热能,可杀死7个对数级的金黄色葡萄球菌。此外,Bi@Co@CN对大肠杆菌和沙门氏菌也具有良好的抗菌活性,表现出广谱杀菌性能。体外试验结果证实,活性氧和光热转化可严重破坏细菌细胞膜,抑制细菌代谢产生的毒力因子,最终导致金黄色葡萄球菌死亡。对牛奶中金黄色葡萄球菌的杀菌试验显示,Bi@Co@CN抗菌剂能在杀灭细菌后将纳米材料从牛奶中及时分离,不会对人体造成伤害,具有良好的实际应用价值。3.垂直二硫化钼/氮化碳纳米抗菌剂的制备及其对耐药菌光动力学杀菌性能研究本研究以尿素为前驱体制备出了优良的g-C3N4以及异质元素MoS2掺杂的垂直二硫化钼/氮化碳（MoS2/CN）纳米抗菌剂。SEM、TEM和XRD等表征方法证实了MoS2/CN纳米抗菌剂的成功合成。耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和多重耐药沙门氏菌（MDR-Salmonella）的抑菌试验表明,在光动力杀菌过程中,MoS2/CN对两种耐药菌表现出优异的杀菌效果。TEM技术、胞内ATP浓度测定以及钾离子浓度测定表明,MoS2/CN经光照处理后产生大量活性氧物质,破坏细菌细胞膜渗透性,导致MRSA内容物流出。抗生物膜试验证实了该杀菌过程中细菌生物膜的形成受到抑制,表明光动力学杀菌对MRSA生物膜结构造成了严重破坏。总肠毒素测定表明MoS2/CN纳米抗菌剂能在一定程度上抑制MRSA肠毒素的表达。MoS2/CN纳米抗菌剂的研发不仅能有效杀灭耐药菌,还能在一定程度上解决抗生素的耐药问题,为保障食品安全提供新的思路和技术手段。4.光动力学杀菌用于治疗食源性致病菌引起的伤口炎症反应分子机制基于前期对氮化碳纳米抗菌剂的光动力学杀菌研究,通过构建小鼠伤口感染模型,创建了基于多功能铋钴共掺杂氮化碳纳米抗菌剂的光动力学杀菌治疗系统。该治疗系统中,Bi@Co@CN纳米抗菌剂能在可见光-近红外光照射下快速生成活性氧和热能,有效控制皮肤表层的MRSA生长,进而加速皮肤伤口愈合。小鼠伤口组织H&E染色、免疫荧光分析试验证实Bi@Co@CN纳米抗菌剂能通过参与刺激影响细胞行为来促进细菌性伤口的愈合。此外,MTT体外试验和小鼠体内毒性评估试验表明,Bi@Co@CN纳米抗菌剂不仅表现出优秀的杀菌效果,还具有良好的生物相容性。因此,Bi@Co@CN作为一种安全的纳米抗剂在光动力学杀菌治疗系统中有巨大潜力,对临床快速杀菌和伤口炎症治疗亦具有一定的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
•   1.1 食源性致病菌
•     1.1.1 食源性致病菌污染食品概况
•     1.1.2 沙门氏菌污染
•     1.1.3 金黄色葡萄球菌污染
•     1.1.4 多重耐药菌污染
•     1.1.5 致病菌引起的皮肤伤口感染
•   1.2 食源性致病菌杀菌技术
•     1.2.1 热杀菌技术
•     1.2.2 化学杀菌技术
•     1.2.3 超高压杀菌技术
•     1.2.4 高压脉冲电场杀菌技术
•     1.2.5 辐照杀菌技术
•     1.2.6 电解水杀菌技术
•   1.3 纳米技术与杀菌
•     1.3.1 纳米杀菌技术概况
•     1.3.2 纳米杀菌技术原理
•     1.3.3 纳米杀菌技术在食品中的应用
•   1.4 研究目的及意义
•   1.5 研究内容
•   1.6 技术路线
• 第二章 钒酸盐量子点/氮化碳纳米抗菌剂的制备及其对沙门氏菌光动力学杀菌性能研究
•   2.1 引言
•   2.2 材料与方法
•     2.2.1 试验材料
•     2.2.2 试验方法
•   2.3 结果与分析
• 3N₄的制备及表征'>    2.3.1 vanadate QDs/g-C₃N₄的制备及表征
• 3N₄对沙门氏菌光动力学杀菌性能评价'>    2.3.2 vanadate QDs/g-C₃N₄对沙门氏菌光动力学杀菌性能评价
• 3/g-C₃N₄在光动力学杀菌中对沙门氏菌细胞膜完整性的影响'>    2.3.3 AgVO₃/g-C₃N₄在光动力学杀菌中对沙门氏菌细胞膜完整性的影响
• 3/g-C₃N₄在光动力学杀菌中对沙门氏菌细胞形态的影响'>    2.3.4 AgVO₃/g-C₃N₄在光动力学杀菌中对沙门氏菌细胞形态的影响
• 3N₄在光动力学杀菌中对沙门氏菌内容物流出的影响.'>    2.3.5 vanadate QDs/g-C₃N₄在光动力学杀菌中对沙门氏菌内容物流出的影响.
• 3N₄提升光催化杀菌性能的机理'>    2.3.6 vanadate QDs/g-C₃N₄提升光催化杀菌性能的机理
•     2.3.7 纳米抗菌剂的可重复利用
•   2.4 讨论
•   2.5 本章小结
• 第三章 多功能铋钴共掺杂氮化碳纳米抗菌剂的制备及其对金黄色葡萄球菌光动力学杀菌性能研究
•   3.1 引言
•   3.2 材料与方法
•     3.2.1 试验材料
•     3.2.2 试验方法
•   3.3 结果与分析
•     3.3.1 Bi@CN、Co@CN和Bi@Co@CN纳米抗菌剂的制备和表征
•     3.3.2 Bi@CN、Co@CN和Bi@Co@CN纳米抗菌剂的光动力学杀菌性能评价
•     3.3.3 Bi@Co@CN在光动力学杀菌中活性氧生成分析
•     3.3.4 Bi@Co@CN在光动力学杀菌中对金黄色葡萄球菌膜电位的影响
•     3.3.5 Bi@Co@CN在光动力学杀菌中对金黄色葡萄球菌胞内ATP的影响
•     3.3.6 Bi@Co@CN在光动力学杀菌中对金黄色葡萄球菌细胞形态的影响
•     3.3.7 Bi@Co@CN在光动力学杀菌中对金黄色葡萄球菌毒力因子表达的影响
•     3.3.8 Bi@Co@CN在牛奶中杀灭金黄色葡萄球菌的应用
•   3.4 讨论
•   3.5 本章小结
• 第四章 垂直二硫化钼/氮化碳纳米抗菌剂的制备及其对耐药菌光动力学杀菌性能研究
•   4.1 引言
•   4.2 材料与方法
•     4.2.1 试验材料
•     4.2.2 试验方法
•   4.3 结果与分析
• 3N₄、MoS₂和MoS₂/CN纳米抗菌剂的制备和表征'>    4.3.1 g-C₃N₄、MoS₂和MoS₂/CN纳米抗菌剂的制备和表征
• 3N₄、MoS₂和MoS₂/CN对耐药菌光动力学杀菌性能评价'>    4.3.2 g-C₃N₄、MoS₂和MoS₂/CN对耐药菌光动力学杀菌性能评价
• 2/CN在光动力学杀菌中对耐药菌细胞形态的影响'>    4.3.3 MoS₂/CN在光动力学杀菌中对耐药菌细胞形态的影响
• 2/CN在光动力学杀菌中活性氧生成分析'>    4.3.4 MoS₂/CN在光动力学杀菌中活性氧生成分析
• 2/CN在光动力学杀菌中对MRSA胞内ATP的影响'>    4.3.5 MoS₂/CN在光动力学杀菌中对MRSA胞内ATP的影响
• 2/CN在光动力学杀菌中对MRSA钾离子流出的影响'>    4.3.6 MoS₂/CN在光动力学杀菌中对MRSA钾离子流出的影响
• 2/CN在光动力学杀菌中对MRSA生物膜形成的影响'>    4.3.7 MoS₂/CN在光动力学杀菌中对MRSA生物膜形成的影响
• 2/CN在光动力学杀菌中对MRSA总肠毒素表达量的影响'>    4.3.8 MoS₂/CN在光动力学杀菌中对MRSA总肠毒素表达量的影响
• 2/CN在牛奶中杀MRSA的应用'>    4.3.9 MoS₂/CN在牛奶中杀MRSA的应用
•   4.4 讨论
•   4.5 本章小结
• 第五章 光动力学杀菌用于治疗食源性致病菌引起的伤口炎症反应分子机制
•   5.1 引言
•   5.2 材料与方法
•     5.2.1 试验材料
•     5.2.2 试验方法
•   5.3 结果与分析
•     5.3.1 小鼠体内光动力学杀菌性能评估
•     5.3.2 小鼠伤口组织细菌数量评估
•     5.3.3 小鼠伤口组织H&E染色分析
•     5.3.4 小鼠伤口组织免疫荧光分析
•     5.3.5 MTT体外生物相容性评估
•     5.3.6 小鼠体内纳米毒性评估
•     5.3.7 光动力学杀菌治疗伤口炎症分子机制
•   5.4 讨论
•   5.5 本章小结
• 第六章 结论与创新说明
•   6.1 结论
•   6.2 创新说明
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历

文章来源

类型: 博士论文

作者: 汪蓉

导师: 王建龙

关键词: 纳米抗菌剂,食源性致病菌,杀菌技术,抑菌作用,分子机制

来源: 西北农林科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,轻工业手工业

单位: 西北农林科技大学

基金: 国家自然科学基金(编号:21675127)

分类号: TS201.3

总页数: 113

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