硒对汞诱导细菌毒性的保护作用及生物源HgSe纳米/微粒形成机制研究

本研究探讨了硒(Se)对汞(Hg)诱导大肠杆菌和金黄色葡萄球菌毒性的保护效应。通过分析细菌活性、生物积累及纳米/微粒生物形成，发现Se的保护作用高度依赖暴露条件。采用ICP-MS、TEM、XRD和spICP-MS等多技术手段，证实了生物源Se/Hg微粒的形成及其解毒机制，为重金属污染修复和细菌耐药性研究提供了新见解。

　　

在环境污染与公共健康领域，汞(Hg)作为一种剧毒重金属，其毒性机制及解毒策略一直是研究热点。硒(Se)作为人体必需微量元素，近年来因其对汞毒性的拮抗作用而备受关注。尽管在鸟类、鱼类和哺乳动物中硒的护作用已被广泛研究，但关于其在细菌系统中的解毒机制却知之甚少。尤其值得注意的是，汞和硒的相互作用被认为是环境污染物中最显著的交互作用之一，但其在细菌中的具体机制仍未明确。

细菌，特别是大肠杆菌(Escherichia coli, E. coli)和金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus, S. aureus)，作为人类健康和环境中的模式生物，对重金属的响应机制具有重要研究价值。重金属通过多种机制对细菌产生毒性作用，包括DNA损伤、蛋白质和膜结构破坏、细胞内ATP耗竭、活性氧(ROS)水平升高以及严重氧化损伤。然而，细菌也能通过合成金属硫蛋白、激活外排转运系统、产生铁载体、分泌胞外聚合物以及通过还原反应将重金属沉淀为低毒形式等策略来抵抗重金属毒性。

本研究旨在评估硒对汞诱导的细菌毒性的保护作用，并探讨生物源HgSe纳米/微粒的形成作为解毒机制的可能性。研究人员通过细菌活性测定、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)分析、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和单颗粒ICP-MS(spICP-MS)等多种分析手段，系统研究了不同暴露条件下硒和汞的相互作用。

主要技术方法包括：使用ICP-MS测定细菌细胞 pellets中Hg和Se的积累量；通过TEM和XRD表征生物源纳米/微粒的形态、大小和组成；采用spICP-MS技术定量分析微粒的尺寸分布和浓度。细菌样本来源于标准菌株E. coli ATCC 25922和S. aureus ATCC 29213。

3.1. 细菌细胞活性

研究人员通过测量细菌培养物的浊度来评估不同处理条件下的细菌活性。结果显示，硒单独暴露(T2)对两种细菌的活性均无显著影响，而汞从实验开始时添加(T4和T5)则显著抑制了两种细菌的生长。有趣的是，当细菌生长8小时后再添加汞(T1)，E. coli的活性未受影响，但S. aureus的活性降低了60%。在硒预处理条件下(T3)，硒能够减轻S. aureus中汞诱导的毒性，表明硒的保护作用高度依赖于暴露策略和细菌种类。

3.2. ICP-MS分析Hg和Se的生物积累

通过ICP-MS分析细菌细胞pellets中Hg和Se的积累百分比发现，积累程度高度依赖于处理方式。当汞从研究开始时添加(T4和T5)，两种细菌对两种元素的生物积累百分比均可忽略不计。而当细菌生长8小时后再添加汞(T1)，E. coli的汞生物积累百分比(约24%)高于S. aureus(约11.5%)。在预处理条件下(T3)，S. aureus显示出硒积累增加，表明硒预处理可能赋予该菌种对汞诱导毒性的保护作用。

3.3. TEM、XRD和spICP-MS对生物源微米/纳米颗粒的表征和定量

TEM显微照片显示，在所有实验条件下，两种细菌均能产生生物源性球形颗粒，这些颗粒呈现团聚或单分散状态，尺寸各异。EDX分析证实了同时培养两种元素的细菌细胞pellets中存在Hg和Se。spICP-MS分析使得能够估计颗粒大小和数量浓度，这在由于观察到的颗粒数量少和TEM空间分辨率限制而无法通过TEM获得的信息。XRD分析结果表明，只有当汞和硒在研究开始时同时添加到培养基中时(T4)，才能在两种细菌中检测到HgSe。相反，在细菌先用硒预处理的条件下的样品中(T3)，只检测到硒。

研究结论表明，硒对细菌中汞毒性的保护作用高度依赖于暴露条件，特别是在共同处理或预处理条件下。只有当细菌先暴露于硒，随后在预处理条件下补充汞时，硒才能减轻汞诱导的毒性。TEM、spICP-MS和XRD的结合使用使得能够表征产生的生物源微米/纳米颗粒，包括它们的浓度、形态、尺寸分布和元素组成。生物源微米/纳米颗粒由E. coli和S. aureus在所有暴露条件下产生，甚至在没有细菌代谢活动的情况下也是如此。这些颗粒由Se和Hg组成，团聚或单分散，具有广泛的尺寸分布。XRD分析证明了仅当汞和硒在研究开始时同时添加到培养基中时才形成HgSe微米/纳米颗粒。相反，在预处理条件下，即先给予硒后再给予汞，只检测到含硒颗粒。

这些发现强调了多层面分析技术对于更好地理解细菌与重金属相互作用的重要性，这对于开发成本效益高的修复方法（在E. coli的情况下）或抗生素耐药机制（在S. aureus的情况下）至关重要。该研究不仅深化了对硒-汞相互作用机制的理解，也为开发基于细菌的重金属污染修复策略提供了重要科学依据。论文发表在分析化学领域权威期刊《Talanta》上，体现了该研究在分析方法学和应用研究方面的重要价值。