微生物燃料電池（Microbial FuelCell，簡稱 MFC）可以在處理廢水的同時直接產生電能，是一種全新的兼具能源回收的生物廢水處理工藝，近年來成為環境科學與工程和電化學領域新的研究熱點。

    電極是決定 MFC 產電性能與造價的關鍵因素，長期以來，研究者通過物理或化學方法對廉價的電極材料進行修飾或改性以提高電極性能，如陽極表面修飾電子介體、重金屬、導電聚合物或納米材料，陰極表面修飾 Pt 等貴金屬催化劑或利用微生物作催化劑等。盡管修飾后的電極材料有效提升了 MFC 的產電性能，但修飾材料也大大提高了 MFC 的成本。下面關鍵談談石墨烯材料的抗菌性研究進展。

    石墨烯材料的抗菌性研究進展

    自2004年石墨烯被成功制備以來，石墨烯材料在晶體管、太陽能、超級電容器、傳感器等領域的研究取得了長足的發展，為使石墨烯材料能有效的應用到實際當中，有必要對其在環境和健康領域的影響做系統的評價。

    石墨烯分散液的抗菌性

    2010 年，中國科學院上海應用物理研究所的樊春海等研究GO分散液對E.coli的影響。結果表明，20μg . mL -1 的 GO 分散液與 E.coli 接觸 2h 后細菌代謝活性下降至 70%，85μg . mL － 1 的 GO 分散液則下降至13%，且透射電鏡可觀察到細胞嚴重變形，伴隨細胞質的流出，說明高濃度的GO分散液有很強的抗菌活性。2011年，南洋理工大學陳元等比較了石墨、氧化石墨、氧化石墨烯、還原氧化石墨烯四種材料的分散液的抗菌性，抑菌百分比分別是GO : 69.3%±6.1%，rGO : 45.9%±4.8%，Gt : 26.1%±4.8%，GtO : 15%±3.7%.抗菌作用明顯的 GO 和 rGO 分散液在與E.coli 接觸 2h 后都改變了細胞的形態，并且表現出較強的氧化應激，谷胱甘肽的氧化率分別是 22.2%±0.7%（GO），94.2%±1.1%（rGO）。GSH 的 硫 醇 鍵 （—SH） 能被氧化成為二硫鍵 （—S—S），能表征細胞內物質由氧化應激引起的破壞，被作為細胞氧化應激指標。研究表明，石墨烯納米材料對細胞的直接物理性傷害與氧化應激的協同作用，導致了細胞死亡。同樣，韓國建國大學 Gurunathan 和美國中佛羅里達大學 Somen Das 的研究，也都證實了 GO、rGO 分散液對細菌的抗菌作用。

    固定化石墨烯的抗菌性

    2010 年，伊朗德黑蘭沙里夫理工大學 Akhavan 等采用電泳沉積法將 GO負載在不銹鋼網上，并用肼蒸汽還原成rGO 負載形態。將這兩種材料置于培養皿中與細菌懸浮液共同培養1h后發現，其中 E.coli 活性分別下降至 41%±8%和 16%±3%，S.aureus 活 性 下 降 至26%±5% 和 5%±1%。Akhavan 認 為GO 和 rGO 的尖銳的邊緣對細菌均會造成細胞膜的損傷，并且由于 rGO 的電子傳遞速率更大且邊緣更鋒利，其對細菌的損害更大。而革蘭氏陽性菌（S.aureus）缺少外膜，抗菌性比革蘭氏陰性菌（E.coli） 稍弱。同年，樊春海等研究了GO和rGO制備的抗菌紙對E.coli的影響，掃描電鏡觀察到兩種材料均表現出顯著的抗菌性，與 E.coli 接觸 12h 后絕大部分細菌都變形死亡。

    目前石墨烯材料的抗菌性研究，主要針對分散液，負載型石墨烯的抗菌性研究很少。但鑒于石墨烯族材料在導電膜、電極材料、殺菌材料等多方面潛在的高應用前景，探究其負載形態的抗菌作用也尤為重要。

    石墨烯抗菌影響因素

    由于石墨烯制備方法的多樣性，雖然各不同方法制備的石墨烯材料的抗菌性難以同比，但影響石墨烯材料抗菌性的因素卻是一樣的。

    （1）材料粒徑

    正如 CNT 的粒徑是其抗菌性的關鍵影響因素一樣，石墨烯的粒徑也幾乎決定了它對細胞的抗菌性。陳元等對 4種不同粒徑的代表性石墨烯材料（Gt、GtO、GO、rGO）的抗菌能力進行了比較，結果如表 1 所示。

    GO 和 GtO 的 化 學 功 能 團 幾乎 一 樣， 氧 化 能 力 相 差 無 幾， 但是 由 于 GO（（0.31±0.20）μm） 與GtO（6.87±3.12）μm） 平 均 粒 徑 不 同導致抗菌能力［GO（69.3%±6.6%）/GtO（15.0%±3.7%）］ 有 著 顯 著 的 差別。GtO（（6.28±2.50）μm） 和 Gt（（6.87±3.12）μm） 的粒徑相差不是很大，但是 Gt（26.1%±4.8%） 的抗菌能 力 卻 比 GtO（15.0±3.75） 高 很 多，這可能與兩者的氧化能力有關。rGO 和GO 相 比 盡 管 rGO（94.2%±1.1%） 的氧化能力遠高于 GO（22.2%±0.7%），但 由 于 GO（（0.31±0.20）μm） 的 粒徑 遠 小 于 rGO（（2.75±1.18）μm），GO（69.3%±6.6%） 的 抗 菌 性 也 高 于rGO（45.9%±4.8%）。由此可看出，粒徑與氧化能力都能影響石墨烯材料的抗菌性，但粒徑是主要決定因素，粒徑越小，抗菌性越大。

    （2）分散液濃度與接觸時間

    與細菌細胞接觸的石墨烯材料的濃度和反應時間也是影響抗菌效果的關 鍵 因 素 ,2012 年， 韓 國 建 國 大 學Sangiliyandi 等研究不同濃度（0、25、50、75、100、125、150μg . mL－ 1 ）GO、rGO 分散液與綠膿桿菌的抗菌作用發現，濃度越大的分散液抗菌性越強，其中 150μg . mL－ 1的 GO、rGO 分散液與細菌接觸 2h 后，細菌活性均下降至30% 左右。且隨著接觸時間的增長，細菌活性逐漸下降。GO 和 rGO 分散液對細菌的抗菌性都表現出顯著的濃度、時間依賴性。

    此外，阿肯色國家毒理學研究中心 Zhang 等測試 rGO 與 SWCNT 濃度（從0.1μg . mL － 1 逐步上升到 100μg . mL － 1 ）對老鼠神經 PC12 細胞的影響得出反應24h 后，兩種材料的細胞毒性都表現出與濃度的正相關性。對此，上海應用物理研究所的張小勇對 MWCNT、GO、ND（nanodiamond） 的比較研究中也得到了類似的結果。

    陳元等分析了 Gt、GtO、GO、rGO4種材料對大腸桿菌的抗菌性，也發現 4種材料都存在反應時間、濃度與抗菌性的正相關性。

    此外，石墨烯材料的其他物理化學性質也會影響抗菌性的大小。2013 年，Das 等報道石墨烯材料表面的含氧官能團含量是影響抗菌性的重要因素。盡管GO 和 rGO 分散液都能顯著增強細胞間Ｒ OS 和 m Ｒ NA 水平，但 GO 分散液能對細胞 DNA 造成明顯損壞而 rGO 分散液不會，因而同樣粒徑的 GO 分散液的抗菌性大于 rGO 分散液。隨著 rGO 表面含氧官能團密度的降低，其因氧化應激造成的抗菌性降低。研究還發現，GO 和rGO 在水中不同的分散性和存在形態可導致細菌受到的物理損傷不同。GO 具有良好的親水性可在水中以片狀分散，細菌會獨立的被 GO 包裹起來導致細胞變形，而 rGO 由于含氧官能團的脫除導致親水性明顯降低并在水中沉降下來，細菌則會嵌入到沉降聚集的 rGO 中。

    石墨烯的抗菌機理

    據文獻調研分析，石墨烯材料的抗菌性來源于兩方面 : ①細胞膜應力；②氧化應激，這與其他納米材料抗菌機理相似。

    （1）細胞膜應力

    目前，有研究證明了納米材料與細菌接觸后能誘發細胞膜應力導致細菌死亡，即納米材料與細胞接觸后，刺透細胞膜深入胞內，造成細胞膜破損，細胞質流出，從而細菌死亡。

    陳元等的研究結果顯示 , 大腸桿菌在 37℃的 GO（40μg . mL－ 1 ）分散液中培養 2h 后大部分的大腸桿菌被 GO 包裹住而導致細胞膜變形 , 石墨烯引發的膜壓力會導致細菌結構變形。與此類似 ,樊春海等的研究結果顯示 , 大腸桿菌在37℃的 GO（85μg . mL － 1）分散液中培養 2h 后大量的大腸桿菌失去細胞的完整性并導致細胞質溶出。

    上海大學系統生物學研究所涂育森等最近的一項研究表明石墨烯在與細胞膜接觸后，不僅能切斷脂質膜，而且深入脂質膜的石墨烯能將膜內的磷脂抽取出來，從而造成細胞膜變稀疏直至變形并破損。他們采用 TEM 表征 rGO 與 E.coli 接觸后的形態變化，并用分子動力學模擬 rGO 與生物膜接觸后的插入和抽取狀態，認為細胞膜應力來自石墨烯插入、切斷細胞膜與抽取磷脂兩種機制的聯合作用。

    （2）氧化應激

    與細胞膜應力引起的直接物理損傷不同的氧化應激是石墨烯的另一種抗菌機制。一般來說，由石墨烯引發的氧化應激來自兩個途徑：①活性氧（ＲeactiveOxygen Species，簡稱 ROS，包括過氧自由基、過氧化氫、羥基自由基）的產生所引起的強氧化作用；②石墨烯破壞或氧化細胞內的關鍵的分子或結構從而導致細胞失活（非 ROS 氧化應激）。

    為研究石墨烯引發的不同氧化應激途徑，陳元等首先通過 XTT 實驗測試石墨烯族材料引發的 O . -2 量來表征活性氧（ROS）的大小，發現 E.coli 在石墨烯族分散液中培養 5h 之后沒有檢測到O . -2 的生成，即使產生了 ROS 也是微量的，說明 ROS 不是石墨烯抗菌性的主要原因。然后，使用 GSH 氧化方法研究了石墨烯的非 ROS 氧化應激，結果表明Gt、GtO、GO、rGO 對 GSH 的氧化能力分別是 29.9%±0.7％、21.4%±1.1%、22.2%±0.7%、94.2±1.1%，并與反應時間和石墨烯濃度正相關，說明石墨烯對細菌細胞的抗菌性主要來自于非 ROS氧化應激。

    與陳元等的研究結果不同的是，阿肯色國家毒理學研究中心 Zhang 的研究認為 ROS 生成是細胞凋亡的重要因素。ROS 可引起胞內成分的破壞，包括 DNA和蛋白質，并能改變線粒體膜透性，破壞呼吸鏈引發凋亡。與此類似的是，韓國濟州大學 Karthikeyan 指出 rGO 引發的ROS 導致了脂質過氧化，激發了一系列的鏈式反應，最終導致細胞破損直至死亡。文獻調研發現，石墨烯的抗菌研究常常與 CNTs 聯系起來，陳元等認為耶魯大學 Vecitis 提出的單壁碳納米管三步抗菌步驟同樣適用于石墨烯：①細菌附著或沉積在石墨烯表面；②細菌的細胞與石墨烯尖銳的邊緣接觸并引發膜應力；③石墨烯引發氧化應激破壞或氧化胞內關鍵的物質或結構。值得一提的是，盡管石墨烯的抗菌性研究結果與 CNTs十分相似，但目前還沒有石墨烯抗菌機理的定論，而對于石墨烯的氧化應激的來源還存在爭議，而且石墨烯造成物理損傷的具體途徑以及氧化應激引發的胞內物質的氧化或破壞情況還有待研究。總而言之，即使有大量的研究表明石墨烯與細菌接觸后會導致細胞破損或死亡，但其具體的抗菌途徑及機理仍有待進一步深入探索。

    總結與展望

    文獻調研發現關于石墨烯的一個值得深思的問題是，一方面，研究已證明石墨烯修飾電極能有效提升 MFC 產電性能，另一方面，大量的石墨烯分散液毒性研究證明石墨烯對細菌具有明顯的抗菌性。而在 MFC 中，石墨烯修飾電極作為電化學活性菌的載體，直接與電化學活性菌接觸，那么，我們有理由提出這樣的問題：石墨烯是否會對 MFC 電極表面的電化學活性菌具有抗菌性呢？為什么具有明顯抗菌性的石墨烯在 MFC 依然能有效提升 MFC 產電性能？

    然而，基于以下兩方面的原因，已有的研究似乎不能回答這些問題：

    （1）在已報道關于石墨烯電極MFC 領域的研究，研究者絕大部分注意力都集中在提升 MFC 產電性能上，對石墨烯修飾電極與產電的主體——電化學活性菌的相互作用關注較少，通常只是采用 SEM 等一般性手段對生物膜整體進行觀察，確認石墨烯修飾電極可顯著提高微生物的負載量，增多電子傳遞路徑，這僅僅是表面粗放的判斷，缺乏細微深入的研究，有關石墨烯對電化學活性菌存在的抗菌作用還未見報道。

    （2）已有的關于石墨烯的毒性研究與 MFC 的研究方法有很大不同，石墨烯的毒性研究大多是采用搖瓶實驗測試石墨烯分散液的抗菌性，石墨烯可與細菌進行充分的物理接觸，而在MFC領域，通常石墨烯采用固定化的方式修飾在電極表面，電化學活性菌以生物膜的形式生長在電極表面，石墨烯與電化學活性菌在物理接觸的同時兼任著電子傳遞的任務，因此已有的石墨烯的抗菌性研究對 MFC 體系中石墨烯的抗菌性研究指導意義不足。

    基于石墨烯修飾電極在 MFC 研究的良好發展前景，近期值得關注的研究熱點有：

    （1）探索石墨烯修飾電極對 MFC陰、陽極電化學活性菌的生理代謝活動和電催化效應的影響。

    石墨烯修飾電極常用固定化石墨烯的方式，近期有研究表明利用微生物原位還原氧化石墨烯也可成功制備石墨烯電極，此兩種不同形式的石墨烯修飾電極對MFC 的電化學活性菌的生理代謝活動和電催化效應的影響，有待進一步深入研究。

    石墨烯修飾陰極對 MFC 陰極電催化性能的影響以及對電子在陰極傳遞的影響機制尚不清晰，亦需要進一步深入研究。

    （2）探索功能化石墨烯或改性引入的基團或元素對于改變石墨烯對 MFC陰陽極電化學活性菌的生理代謝或電催化活性的作用及機理研究。

    目前合成石墨烯的方法眾多，主要有：微機械剝落、化學氣相沉積、SiC表面外延生長、化學還原氧化石墨烯等。

    不同方法制備的石墨烯的物理化學特性（如粒徑，含氧官能團，導電性等）迥異，因此有必要比較研究不同功能化石墨烯或改性特異性引入的基團或元素對 MFC 中電化學活性菌以及對 MFC 產電性能的影響。

    （3）進一步明確石墨烯材料的抗菌機理。

    石墨烯的抗菌機理還不十分明確，可從分子生物學或者細胞學等微觀的角度，利用單分子測序技術、突變鑒定（SNP檢測）等深入研究石墨烯修飾電極對電化學活性菌的生理代謝活動、電催化效應以及作用位點的變化情況，明確石墨烯與電化學活性菌接觸后發生物理損傷的過程、作用方式、作用機制以及石墨烯引發的電化學活性菌的氧化應激機制。

    （4）明確石墨烯生物電極運行過程的膜更新及缺損修復機制。

    采用原位氧化石墨烯還原制備的石墨烯生物電極，在運行過程中生物膜的更新、電極的缺損修復可能會受石墨烯抗菌性的影響，明確石墨烯生物電極運行過程生物膜更新、電極缺損修復的影響因素和機制對確保石墨烯生物電極穩定運行極為重要。

    （5）石墨烯修飾MFC的應用前景。

    石墨烯修飾 MFC 電極有著良好的應用前景，在處理難降解有機物廢水、重金屬廢水、合成小分子物質（H 2 O 2 等）及生物化學品、生物傳感器等方面都存在巨大研究潛力。石墨烯修飾 MFC 電極為 MFC 和石墨烯材料的發展提供了新的研究思路。

    盡管 MFC 歷經數十年的研究仍距實用遙遠，但石墨烯的出現為其提供了一個新的契機，有望使 MFC 的研究和應用取得重大進展。因此，深入研究石墨烯修飾電極與 MFC 電化學活性菌的相互作用關系對于有效利用石墨烯提升MFC 產電性能具有極大的科研價值和現實意義，將推動 MFC 進一步邁向實際應用。

    （資料來源：知網）