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石墨烯修饰电极微生物燃料电池的抗菌性研究进展

2018-04-25 11:43:54
作者:王元
来源:《腐蚀防护之友》

目前石墨烯材料的抗菌性研究,主要针对分散液,负载型石墨烯的抗菌性研究很少。但鉴于石墨烯族材料在导电膜、电极材料、杀菌材料等多方面潜在的高应用前景,探究其负载形态的抗菌作用也尤为重要。

    微生物燃料电池(Microbial FuelCell,简称 MFC)可以在处理废水的同时直接产生电能,是一种全新的兼具能源回收的生物废水处理工艺,近年来成为环境科学与工程和电化学领域新的研究热点。


    电极是决定 MFC 产电性能与造价的关键因素,长期以来,研究者通过物理或化学方法对廉价的电极材料进行修饰或改性以提高电极性能,如阳极表面修饰电子介体、重金属、导电聚合物或纳米材料,阴极表面修饰 Pt 等贵金属催化剂或利用微生物作催化剂等。尽管修饰后的电极材料有效提升了 MFC 的产电性能,但修饰材料也大大提高了 MFC 的成本。下面关键谈谈石墨烯材料的抗菌性研究进展。


    石墨烯材料的抗菌性研究进展

 

    自2004年石墨烯被成功制备以来,石墨烯材料在晶体管、太阳能、超级电容器、传感器等领域的研究取得了长足的发展,为使石墨烯材料能有效的应用到实际当中,有必要对其在环境和健康领域的影响做系统的评价。


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    石墨烯分散液的抗菌性

 

    2010 年,中国科学院上海应用物理研究所的樊春海等研究GO分散液对E.coli的影响。结果表明,20μg . mL -1 的 GO 分散液与 E.coli 接触 2h 后细菌代谢活性下降至 70%,85μg . mL - 1 的 GO 分散液则下降至13%,且透射电镜可观察到细胞严重变形,伴随细胞质的流出,说明高浓度的GO分散液有很强的抗菌活性。2011年,南洋理工大学陈元等比较了石墨、氧化石墨、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯四种材料的分散液的抗菌性,抑菌百分比分别是GO : 69.3%±6.1%,rGO : 45.9%±4.8%,Gt : 26.1%±4.8%,GtO : 15%±3.7%.抗菌作用明显的 GO 和 rGO 分散液在与E.coli 接触 2h 后都改变了细胞的形态,并且表现出较强的氧化应激,谷胱甘肽的氧化率分别是 22.2%±0.7%(GO),94.2%±1.1%(rGO)。GSH 的 硫 醇 键 (—SH) 能被氧化成为二硫键 (—S—S),能表征细胞内物质由氧化应激引起的破坏,被作为细胞氧化应激指标。研究表明,石墨烯纳米材料对细胞的直接物理性伤害与氧化应激的协同作用,导致了细胞死亡。同样,韩国建国大学 Gurunathan 和美国中佛罗里达大学 Somen Das 的研究,也都证实了 GO、rGO 分散液对细菌的抗菌作用。


    固定化石墨烯的抗菌性

 

    2010 年,伊朗德黑兰沙里夫理工大学 Akhavan 等采用电泳沉积法将 GO负载在不锈钢网上,并用肼蒸汽还原成rGO 负载形态。将这两种材料置于培养皿中与细菌悬浮液共同培养1h后发现,其中 E.coli 活性分别下降至 41%±8%和 16%±3%,S.aureus 活 性 下 降 至26%±5% 和 5%±1%。Akhavan 认 为GO 和 rGO 的尖锐的边缘对细菌均会造成细胞膜的损伤,并且由于 rGO 的电子传递速率更大且边缘更锋利,其对细菌的损害更大。而革兰氏阳性菌(S.aureus)缺少外膜,抗菌性比革兰氏阴性菌(E.coli) 稍弱。同年,樊春海等研究了GO和rGO制备的抗菌纸对E.coli的影响,扫描电镜观察到两种材料均表现出显著的抗菌性,与 E.coli 接触 12h 后绝大部分细菌都变形死亡。


    目前石墨烯材料的抗菌性研究,主要针对分散液,负载型石墨烯的抗菌性研究很少。但鉴于石墨烯族材料在导电膜、电极材料、杀菌材料等多方面潜在的高应用前景,探究其负载形态的抗菌作用也尤为重要。


    石墨烯抗菌影响因素

 

    由于石墨烯制备方法的多样性,虽然各不同方法制备的石墨烯材料的抗菌性难以同比,但影响石墨烯材料抗菌性的因素却是一样的。


    (1)材料粒径

 

    正如 CNT 的粒径是其抗菌性的关键影响因素一样,石墨烯的粒径也几乎决定了它对细胞的抗菌性。陈元等对 4种不同粒径的代表性石墨烯材料(Gt、GtO、GO、rGO)的抗菌能力进行了比较,结果如表 1 所示。

 

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    GO 和 GtO 的 化 学 功 能 团 几乎 一 样, 氧 化 能 力 相 差 无 几, 但是 由 于 GO((0.31±0.20)μm) 与GtO(6.87±3.12)μm) 平 均 粒 径 不 同导致抗菌能力[GO(69.3%±6.6%)/GtO(15.0%±3.7%)] 有 着 显 著 的 差别。GtO((6.28±2.50)μm) 和 Gt((6.87±3.12)μm) 的粒径相差不是很大,但是 Gt(26.1%±4.8%) 的抗菌能 力 却 比 GtO(15.0±3.75) 高 很 多,这可能与两者的氧化能力有关。rGO 和GO 相 比 尽 管 rGO(94.2%±1.1%) 的氧化能力远高于 GO(22.2%±0.7%),但 由 于 GO((0.31±0.20)μm) 的 粒径 远 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,粒径与氧化能力都能影响石墨烯材料的抗菌性,但粒径是主要决定因素,粒径越小,抗菌性越大。


    (2)分散液浓度与接触时间

 

    与细菌细胞接触的石墨烯材料的浓度和反应时间也是影响抗菌效果的关 键 因 素 ,2012 年, 韩 国 建 国 大 学Sangiliyandi 等研究不同浓度(0、25、50、75、100、125、150μg . mL- 1 )GO、rGO 分散液与绿脓杆菌的抗菌作用发现,浓度越大的分散液抗菌性越强,其中 150μg . mL- 1的 GO、rGO 分散液与细菌接触 2h 后,细菌活性均下降至30% 左右。且随着接触时间的增长,细菌活性逐渐下降。GO 和 rGO 分散液对细菌的抗菌性都表现出显著的浓度、时间依赖性。


    此外,阿肯色国家毒理学研究中心 Zhang 等测试 rGO 与 SWCNT 浓度(从0.1μg . mL - 1 逐步上升到 100μg . mL - 1 )对老鼠神经 PC12 细胞的影响得出反应24h 后,两种材料的细胞毒性都表现出与浓度的正相关性。对此,上海应用物理研究所的张小勇对 MWCNT、GO、ND(nanodiamond) 的比较研究中也得到了类似的结果。


    陈元等分析了 Gt、GtO、GO、rGO4种材料对大肠杆菌的抗菌性,也发现 4种材料都存在反应时间、浓度与抗菌性的正相关性。


    此外,石墨烯材料的其他物理化学性质也会影响抗菌性的大小。2013 年,Das 等报道石墨烯材料表面的含氧官能团含量是影响抗菌性的重要因素。尽管GO 和 rGO 分散液都能显著增强细胞间R OS 和 m R NA 水平,但 GO 分散液能对细胞 DNA 造成明显损坏而 rGO 分散液不会,因而同样粒径的 GO 分散液的抗菌性大于 rGO 分散液。随着 rGO 表面含氧官能团密度的降低,其因氧化应激造成的抗菌性降低。研究还发现,GO 和rGO 在水中不同的分散性和存在形态可导致细菌受到的物理损伤不同。GO 具有良好的亲水性可在水中以片状分散,细菌会独立的被 GO 包裹起来导致细胞变形,而 rGO 由于含氧官能团的脱除导致亲水性明显降低并在水中沉降下来,细菌则会嵌入到沉降聚集的 rGO 中。


    石墨烯的抗菌机理

 

    据文献调研分析,石墨烯材料的抗菌性来源于两方面 : ①细胞膜应力;②氧化应激,这与其他纳米材料抗菌机理相似。


    (1)细胞膜应力

 

    目前,有研究证明了纳米材料与细菌接触后能诱发细胞膜应力导致细菌死亡,即纳米材料与细胞接触后,刺透细胞膜深入胞内,造成细胞膜破损,细胞质流出,从而细菌死亡。


    陈元等的研究结果显示 , 大肠杆菌在 37℃的 GO(40μg . mL- 1 )分散液中培养 2h 后大部分的大肠杆菌被 GO 包裹住而导致细胞膜变形 , 石墨烯引发的膜压力会导致细菌结构变形。与此类似 ,樊春海等的研究结果显示 , 大肠杆菌在37℃的 GO(85μg . mL - 1)分散液中培养 2h 后大量的大肠杆菌失去细胞的完整性并导致细胞质溶出。


    上海大学系统生物学研究所涂育森等最近的一项研究表明石墨烯在与细胞膜接触后,不仅能切断脂质膜,而且深入脂质膜的石墨烯能将膜内的磷脂抽取出来,从而造成细胞膜变稀疏直至变形并破损。他们采用 TEM 表征 rGO 与 E.coli 接触后的形态变化,并用分子动力学模拟 rGO 与生物膜接触后的插入和抽取状态,认为细胞膜应力来自石墨烯插入、切断细胞膜与抽取磷脂两种机制的联合作用。


    (2)氧化应激

 

    与细胞膜应力引起的直接物理损伤不同的氧化应激是石墨烯的另一种抗菌机制。一般来说,由石墨烯引发的氧化应激来自两个途径:①活性氧(ReactiveOxygen Species,简称 ROS,包括过氧自由基、过氧化氢、羟基自由基)的产生所引起的强氧化作用;②石墨烯破坏或氧化细胞内的关键的分子或结构从而导致细胞失活(非 ROS 氧化应激)。


    为研究石墨烯引发的不同氧化应激途径,陈元等首先通过 XTT 实验测试石墨烯族材料引发的 O . -2 量来表征活性氧(ROS)的大小,发现 E.coli 在石墨烯族分散液中培养 5h 之后没有检测到O . -2 的生成,即使产生了 ROS 也是微量的,说明 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 氧化应激,结果表明Gt、GtO、GO、rGO 对 GSH 的氧化能力分别是 29.9%±0.7%、21.4%±1.1%、22.2%±0.7%、94.2±1.1%,并与反应时间和石墨烯浓度正相关,说明石墨烯对细菌细胞的抗菌性主要来自于非 ROS氧化应激。


    与陈元等的研究结果不同的是,阿肯色国家毒理学研究中心 Zhang 的研究认为 ROS 生成是细胞凋亡的重要因素。ROS 可引起胞内成分的破坏,包括 DNA和蛋白质,并能改变线粒体膜透性,破坏呼吸链引发凋亡。与此类似的是,韩国济州大学 Karthikeyan 指出 rGO 引发的ROS 导致了脂质过氧化,激发了一系列的链式反应,最终导致细胞破损直至死亡。文献调研发现,石墨烯的抗菌研究常常与 CNTs 联系起来,陈元等认为耶鲁大学 Vecitis 提出的单壁碳纳米管三步抗菌步骤同样适用于石墨烯:①细菌附着或沉积在石墨烯表面;②细菌的细胞与石墨烯尖锐的边缘接触并引发膜应力;③石墨烯引发氧化应激破坏或氧化胞内关键的物质或结构。值得一提的是,尽管石墨烯的抗菌性研究结果与 CNTs十分相似,但目前还没有石墨烯抗菌机理的定论,而对于石墨烯的氧化应激的来源还存在争议,而且石墨烯造成物理损伤的具体途径以及氧化应激引发的胞内物质的氧化或破坏情况还有待研究。总而言之,即使有大量的研究表明石墨烯与细菌接触后会导致细胞破损或死亡,但其具体的抗菌途径及机理仍有待进一步深入探索。


    总结与展望

 

    文献调研发现关于石墨烯的一个值得深思的问题是,一方面,研究已证明石墨烯修饰电极能有效提升 MFC 产电性能,另一方面,大量的石墨烯分散液毒性研究证明石墨烯对细菌具有明显的抗菌性。而在 MFC 中,石墨烯修饰电极作为电化学活性菌的载体,直接与电化学活性菌接触,那么,我们有理由提出这样的问题:石墨烯是否会对 MFC 电极表面的电化学活性菌具有抗菌性呢?为什么具有明显抗菌性的石墨烯在 MFC 依然能有效提升 MFC 产电性能?


    然而,基于以下两方面的原因,已有的研究似乎不能回答这些问题:


    (1)在已报道关于石墨烯电极MFC 领域的研究,研究者绝大部分注意力都集中在提升 MFC 产电性能上,对石墨烯修饰电极与产电的主体——电化学活性菌的相互作用关注较少,通常只是采用 SEM 等一般性手段对生物膜整体进行观察,确认石墨烯修饰电极可显著提高微生物的负载量,增多电子传递路径,这仅仅是表面粗放的判断,缺乏细微深入的研究,有关石墨烯对电化学活性菌存在的抗菌作用还未见报道。


    (2)已有的关于石墨烯的毒性研究与 MFC 的研究方法有很大不同,石墨烯的毒性研究大多是采用摇瓶实验测试石墨烯分散液的抗菌性,石墨烯可与细菌进行充分的物理接触,而在MFC领域,通常石墨烯采用固定化的方式修饰在电极表面,电化学活性菌以生物膜的形式生长在电极表面,石墨烯与电化学活性菌在物理接触的同时兼任着电子传递的任务,因此已有的石墨烯的抗菌性研究对 MFC 体系中石墨烯的抗菌性研究指导意义不足。


    基于石墨烯修饰电极在 MFC 研究的良好发展前景,近期值得关注的研究热点有:


    (1)探索石墨烯修饰电极对 MFC阴、阳极电化学活性菌的生理代谢活动和电催化效应的影响。


    石墨烯修饰电极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还原氧化石墨烯也可成功制备石墨烯电极,此两种不同形式的石墨烯修饰电极对MFC 的电化学活性菌的生理代谢活动和电催化效应的影响,有待进一步深入研究。


    石墨烯修饰阴极对 MFC 阴极电催化性能的影响以及对电子在阴极传递的影响机制尚不清晰,亦需要进一步深入研究。


    (2)探索功能化石墨烯或改性引入的基团或元素对于改变石墨烯对 MFC阴阳极电化学活性菌的生理代谢或电催化活性的作用及机理研究。


    目前合成石墨烯的方法众多,主要有:微机械剥落、化学气相沉积、SiC表面外延生长、化学还原氧化石墨烯等。


    不同方法制备的石墨烯的物理化学特性(如粒径,含氧官能团,导电性等)迥异,因此有必要比较研究不同功能化石墨烯或改性特异性引入的基团或元素对 MFC 中电化学活性菌以及对 MFC 产电性能的影响。


    (3)进一步明确石墨烯材料的抗菌机理。


    石墨烯的抗菌机理还不十分明确,可从分子生物学或者细胞学等微观的角度,利用单分子测序技术、突变鉴定(SNP检测)等深入研究石墨烯修饰电极对电化学活性菌的生理代谢活动、电催化效应以及作用位点的变化情况,明确石墨烯与电化学活性菌接触后发生物理损伤的过程、作用方式、作用机制以及石墨烯引发的电化学活性菌的氧化应激机制。


    (4)明确石墨烯生物电极运行过程的膜更新及缺损修复机制。


    采用原位氧化石墨烯还原制备的石墨烯生物电极,在运行过程中生物膜的更新、电极的缺损修复可能会受石墨烯抗菌性的影响,明确石墨烯生物电极运行过程生物膜更新、电极缺损修复的影响因素和机制对确保石墨烯生物电极稳定运行极为重要。


    (5)石墨烯修饰MFC的应用前景。


    石墨烯修饰 MFC 电极有着良好的应用前景,在处理难降解有机物废水、重金属废水、合成小分子物质(H 2 O 2 等)及生物化学品、生物传感器等方面都存在巨大研究潜力。石墨烯修饰 MFC 电极为 MFC 和石墨烯材料的发展提供了新的研究思路。

 

    尽管 MFC 历经数十年的研究仍距实用遥远,但石墨烯的出现为其提供了一个新的契机,有望使 MFC 的研究和应用取得重大进展。因此,深入研究石墨烯修饰电极与 MFC 电化学活性菌的相互作用关系对于有效利用石墨烯提升MFC 产电性能具有极大的科研价值和现实意义,将推动 MFC 进一步迈向实际应用。


    (资料来源:知网)

标签: 石墨烯, 微生物燃料, 电极材料

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