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對付微生物腐蝕，來看中國科學家研發的“納米快刀”！

2022-10-31 17:06:33 作者：王瑾來源：科普中國分享至：

不知道大家有沒有注意過，常與海水接觸的金屬制品，大多難逃銹跡斑斑的厄運。這其實是厭氧微生物在作祟！

海洋環境中的微生物污損和微生物引起的腐蝕是嚴重的經濟和安全問題。我國腐蝕造成的經濟損失約占當年GDP的3.34%。而海洋腐蝕損失約占總腐蝕損失的1/3，超過7000億元。隨著海洋環境惡化，經濟損失可能會增加。在腐蝕微生物中，廣泛分布于缺氧環境中的硫酸鹽還原菌（SRB）長期以來一直被普遍認為是導致金屬材料腐蝕失效的罪魁禍首。

針對這類厭氧微生物的防治，相關學者進行了一系列研究，今年8月，中國科學院海洋研究所張盾研究員課題組為我們帶來一把高效殺菌的“納米快刀”！

NO.1

“納米快刀”有多快？

二硫化鉬（MoS2）是一種典型的二維材料，具有突出的活性。如圖1所示，其富S頭部很容易與磷脂雙分子層結合，從而使MoS2可以像一把“刀”一樣切入細胞膜，提取細胞膜中的磷脂雙分子層，最終導致細菌死亡。

圖1：(A) 殺菌過程示意圖；(B) 表面吸附過程示意圖

通過第一性原理計算，MoS2中的硫空位（SVs）對過硫酸鹽（PMS）具有很強的吸附作用，可將其分解為具有強氧化活性的小分子物質，這些物質可以氧化分解前期提取出來的磷脂雙分子層，不僅可以凈化MoS2表面，還可以進一步加強殺菌作用。因此，物理切割與化學氧化相結合，使得MoS2在殺菌防污方面具有巨大的應用前景。

基于上述描述，針對SRB和銅綠假單胞菌（PA），進行了殺菌測試。如圖2所示，針對SRB和PA，在PMS的輔助下，逐漸添MoS2的用量，殺菌率也隨之升高。

圖2：(A) 不同條件下針對SRB的殺菌性能柱狀圖；(B) 不同條件下針對PA的殺菌性能柱狀圖

此外，針對大腸桿菌（E .coli）和金黃色葡萄球菌（S. aureus），MoS2還顯示出優異的殺菌效果。如圖3和圖4所示，只需要添加少量（5 μg/mL）的MoS2時，空白的平板說明無細菌生長，證明達到了100%的殺菌率，可謂“刀”過之處無菌可逃了！

圖3 針對E. coli的平板照片

圖4 針對S. aureus的平板照片

NO.2

立竿見影！絕佳的抗腐蝕性能

由于海洋裝備工程材料長期以來以金屬為主，95%以上的材料使用鋼材等金屬材料，因此金屬材料在海洋環境中的腐蝕問題一直是研究人員關注的焦點。EH40鋼是典型的船用鋼之一，SRB是缺氧環境下造成金屬腐蝕失效的罪魁禍首。

因此，選擇EH40鋼，進行MoS2的防污性能測試。如圖5所示，當SRB與EH40混合時，觀察到了生物膜厚度為12 μm的熒光信號，表明SRB已經在EH40上積累，這無疑會造成微生物腐蝕。當向EH40+SRB體系中添加MoS2時，幾乎觀察不到熒光信號。這說明，在MoS2的添加下，有效的抑制了SRB在EH40表面的聚集和附著，也就可以避免微生物腐蝕。與SRB類似，添加了MoS2后，幾乎沒有PA附著在EH40的表面（圖8.9E-H）。MoS2優越的抑制微生物附著、進而抑制生物膜生長的行為，為抵抗海洋微生物腐蝕提供了開創性的指導。

圖5：14天后，EH40鋼暴露于（A-D）厭氧和（E-F）好氧環境的CLSM圖像

NO.3

被“刀”的細胞膜

通過掃描電鏡，記錄下了磷脂雙分子層被“刀”的過程。如圖6A所示，針對SRB和PA，無論是單純添加MoS2或是MoS2+PMS，細胞都失去原有的飽滿形態，呈現出扁平和皺褶的形態，表明這些外界材料的添加對細胞造成了損傷，喪失了活力。

圖6 不同處理方式下的SRB和PA的掃描電鏡照片（A：MoS2/SRB；B：MoS2/SRB/PMS；C：MoS2/PA；D：MoS2/PA/PMS）

NO.4

“納米快刀”如何實現殺菌？

通過第一性原理計算，從根本上分析了殺菌機理。如圖7所示，PMS和H2O均可以在MoS2表面進行自主吸附，經過一定的能壘以后，催化二者產生相應的終產物。終產物分別為SO4·－和·OH，這些物質具有強氧化性，可實現針對厭氧菌的殺菌應用，這樣一來，“納米快刀”就更鋒利了。從圖中可以看出，吸附PMS比吸附H2O，具有更低的能壘和更低的產物能量。因此，PMS更易吸附在MoS2表面。

圖7：(A) 催化過程中涉及的關鍵中間體和過渡態的相對能量值；(B)（001）SVs-MoS2/PMS中關鍵中間體和過渡態的結構；(C)（001）SVs-MoS2/H2O中關鍵中間體和過渡態的結構

綜上所述，通過物理損傷和化學氧化的協同作用，構建了一種基于MoS2的快速高效的厭氧殺菌系統。首先，通過物理損傷，MoS2的“刀片狀”邊緣插入/切割細胞膜并提取脂質。然后，通過MoS2與PMS和H2O之間的強吸附作用，產生強氧化性自由基。隨后，這些積累的強氧化性自由基會攻擊提取出的脂質并重新釋放MoS2表面，從而恢復其抗菌能力。

通過物理損傷和化學消除的協同作用，富SVs的MoS2具有高度暴露的活性位點，構建了促進強氧化性自由基生成的平臺。這些自由基的產生與細菌的密切接觸，使該平臺能夠在各種環境中進行快速穩定的滅菌。這項工作無疑將為厭氧殺菌防污機制帶來新的研究視野。

相信在這項技術得到廣泛應用之后，大家在乘船出行時會更加安心，畢竟，有這樣的高科技“納米快刀”為我們掃除細菌，保駕護航呢！

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