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清華大學(xué)吳乾元/楊誠/胡洪營團隊Nature子刊：納米尖端水力學(xué)殺菌機制助力綠色高效水消毒

第一作者：彭露，朱浩杰

通訊作者：吳乾元，楊誠，胡洪營

通訊單位：清華大學(xué)深圳國際研究生院，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院

圖片摘要

成果簡介

近日，清華大學(xué)吳乾元、楊誠、胡洪營團隊在國際知名期刊Nature communications上發(fā)表了題為Hydrodynamic tearing of bacteria on nanotips for sustainable water disinfection的研究論文。該論文開發(fā)了一種碳包覆納米線陣列結(jié)構(gòu)，其可通過水力學(xué)機制實現(xiàn)水中病原菌的快速高效滅活。當(dāng)水流穿過納米線陣列時，細(xì)菌被碳包覆納米尖端的色散作用捕獲，進而被流場曳力撕扯，致使細(xì)菌發(fā)生嚴(yán)重的細(xì)胞結(jié)構(gòu)破損。該機制僅依靠流體動能，無需額外的能量供應(yīng)，可為分散式水處理以及偏遠(yuǎn)地區(qū)的飲用水安全管理提供新的策略。

引言

消毒是控制病原微生物、阻斷水傳播疾病的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，現(xiàn)有消毒技術(shù)通過強氧化或紫外輻照作用殺滅微生物，面臨能耗藥耗高、有毒有害副產(chǎn)物易生成等問題，安全高效消毒技術(shù)亟待突破。

納米材料機械殺菌效應(yīng)為病原微生物控制提供了一種非化學(xué)途徑。納米尖端可對與其接觸的細(xì)菌產(chǎn)生機械力作用，使細(xì)菌發(fā)生變形、死亡。然而，細(xì)菌的外層屏障結(jié)構(gòu)對外界環(huán)境的機械沖擊具有一定的抵抗力，已有研究通常在靜態(tài)附著條件下、通過數(shù)小時接觸時間使細(xì)菌發(fā)生機械損傷?？紤]到水流動能是自然界中廣泛存在的可再生能源，借助水流動能在納米尖端殺滅微生物將是一種理想的消毒方式。

圖文導(dǎo)讀

納米尖端水力學(xué)殺菌機制解析

研究首先分析了流場中細(xì)菌與納米尖端的作用形式。在水流沖擊下，細(xì)菌與納米尖端發(fā)生隨機碰撞，這是流場中普遍存在的水流機械能傳遞形式。然而，由于細(xì)菌的外層保護屏障，納米尖端僅對細(xì)菌造成彈性形變，難以破壞細(xì)菌生理結(jié)構(gòu)（圖1a,b）。

本研究提出，通過表面修飾構(gòu)造高色散力納米尖端表面，轉(zhuǎn)變流場力作用方式，實現(xiàn)水流機械能向細(xì)菌細(xì)胞壁的有效傳遞。當(dāng)細(xì)菌隨水流碰撞上此類納米尖端時，細(xì)菌被強色散作用捕獲，進而被流場曳力撕扯。該過程產(chǎn)生的外向機械應(yīng)力可突破細(xì)菌的臨界應(yīng)力，導(dǎo)致細(xì)菌破裂而死亡（圖1c,d）。

為定量研究納米尖端與細(xì)菌的色散作用，基于POPE磷脂雙分子層進行了分子動力學(xué)模擬，結(jié)果表明材料與細(xì)胞膜發(fā)生強色散作用的范德華勢井深度閾值為ε > 0.256 kJ/mol。特別地，sp²碳（ε = 0.293 kJ/mol）與POPE膜存在強烈的自發(fā)吸引作用，并可穩(wěn)定嵌入膜中。根據(jù)分子動力學(xué)結(jié)果預(yù)測，sp²碳膜包覆將有效調(diào)控納米尖端的色散作用水平。

圖1：（a,b）細(xì)菌與納米尖端發(fā)生碰撞；（c,d）細(xì)菌被碳包覆納米尖端捕獲并被水流撕裂；（e）POPE磷脂雙分子層與不同勢井深度（ε）材料相互作用的初始和最終構(gòu)型（t=100 ns）；（f,g）100 ns分子動力學(xué)模擬中材料與磷脂膜之間的范德華相互作用能和質(zhì)心距離隨時間的變化。

碳包覆納米線制備與殺菌性能

利用多孔泡沫銅制備了碳包覆納米線陣列（Modified NWs）。球差校正透射電鏡清晰地展現(xiàn)了納米線表面的無定型碳層。采用拉曼光譜和X射線光電子能譜表明碳層的主要化學(xué)組成為sp²結(jié)構(gòu)碳。

利用原子力顯微鏡（AFM）對碳膜和細(xì)菌細(xì)胞膜的相互作用力進行了精確測量（圖2e）。對原子力顯微鏡探針進行相同的碳包覆處理后，發(fā)現(xiàn)碳包覆探針在回撤時受到粘滯阻力作用（~2 nN），而未包碳探針未檢測到粘附力。該測試驗證了分子動力學(xué)模擬結(jié)果，即碳膜和細(xì)菌表面存在自發(fā)的吸引作用。

利用碳包覆納米線構(gòu)建穿透式消毒裝置，評估流動條件下材料對大腸桿菌的滅活性能。發(fā)現(xiàn)碳包覆納米線可高效滅活大腸桿菌（>6 log），處理后細(xì)菌發(fā)生嚴(yán)重破損；未包覆納米線和碳包覆泡沫銅（無納米結(jié)構(gòu)）僅有微弱的去除效果。進一步排除了銅離子溶出、氧化應(yīng)激以及材料吸附等其它機制影響，明確機械損傷是碳包覆納米線滅活大腸桿菌的主要途徑。

圖2：（a-c）Modified NWs微觀結(jié)構(gòu)表征；（d）Cu(OH)₂ NWs和modified NWs的拉曼光譜;（e）AFM細(xì)菌表面粘附分析；（f）Modified NWs、Cu(OH)₂ NWs和modified Cu對大腸桿菌滅活性能及（g）處理出水相應(yīng)的平板培養(yǎng)皿圖像；（h）SYTO9/PI雙染實驗；（i,j）Modified NWs處理前（i）和處理后（j）大腸桿菌形貌；（k,l）Modified NWs處理前（k）和處理后（l）大腸桿菌微觀結(jié)構(gòu)；（m,n）Modified NWs消毒前（m）和消毒后（n）形貌；（o）Modified NWs與文獻報道的機械殺菌性能比較。

流場中細(xì)菌的機械破裂機制分析

利用原子力顯微鏡（AFM），在液相條件測定了大腸桿菌的楊氏模量和臨界應(yīng)力，構(gòu)建了流場中細(xì)菌與納米線相互作用的有限元仿真模型。模擬計算表明撕扯產(chǎn)生的應(yīng)力高于細(xì)菌的臨界應(yīng)力（0.05 MPa），碰撞應(yīng)力低于臨界應(yīng)力的1%，因此碳包覆納米尖端的水流撕扯效應(yīng)是造成細(xì)菌機械破裂的原因。

圖3：（a）AFM大腸桿菌穿刺曲線，插圖采用Sneddon模型擬合楊氏模量；（b）AFM探針刺破細(xì)菌瞬間細(xì)胞膜應(yīng)力分布有限元模擬；（c）模擬區(qū)域流場分布；（d）細(xì)菌與納米尖端四種接觸模式；（e,f）碰撞過程細(xì)胞膜的應(yīng)力分布；（g,h）撕裂過程細(xì)胞膜的應(yīng)力分布。在每種接觸形式下最大應(yīng)力以紅色數(shù)字顯示，并與臨界應(yīng)力（0.05 MPa）進行比較。

小結(jié)

本研究報道了一種基于納米尖端的水力學(xué)殺菌新機制，即平緩水流可通過碳包覆納米尖端與細(xì)菌的色散作用有效地撕裂細(xì)菌。結(jié)合理論計算進一步證實，sp²碳與細(xì)菌細(xì)胞膜具有強烈的色散相互作用，使細(xì)菌在納米尖端發(fā)生瞬時粘附-流場撕扯效應(yīng)，從而突破細(xì)菌的臨界應(yīng)力。

該機制可有效殺滅水中的多種典型細(xì)菌，并在一個月連續(xù)運行過程中保持穩(wěn)定高效消毒。此外，通過對三種不同的納米陣列結(jié)構(gòu)進行碳包覆處理，證實碳包覆提升納米尖端殺菌性能具有普適性。本技術(shù)利用水流動能殺滅病原菌，無需化學(xué)試劑或額外的能量供應(yīng)，可為分散式水處理以及偏遠(yuǎn)地區(qū)的飲用水安全管理提供新的策略，研究成果對其他領(lǐng)域的病原微生物控制也將具有啟發(fā)意義。

本研究得到了國家自然科學(xué)基金項目、深圳市自然科學(xué)基金項目及清華大學(xué)深圳國際研究生院抗疫專項等的資助。

通訊作者簡介

通訊作者：吳乾元，清華大學(xué)深圳國際研究生院長聘副教授，博士生導(dǎo)師，主持國家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年項目、面上項目等國家級項目。近年來在Nat. commun.、Proc. Natl. Acad. Sci.、Environ. Sci. & Technol.、Water Res.等期刊上以第一/通訊作者發(fā)表論文70余篇。

通訊作者：楊誠，清華大學(xué)深圳國際研究生院長聘副教授，科技部某高端專家引進計劃獲得者、清華大學(xué)學(xué)術(shù)新人獲得者，廣東省杰出青年基金獲得者、中國發(fā)明創(chuàng)新獎金獎（排名第一）、廣東省本土創(chuàng)新團隊核心成員、深圳市蓋姆石墨烯中心核心成員。楊誠教授的研究團隊在新型能源器件的制備及原理研究、金屬微納結(jié)構(gòu)的形態(tài)調(diào)控與應(yīng)用等方向取得多項重要進展，近年指導(dǎo)學(xué)生在 Chem. Rev.、Nat. Commun. (4篇)、Energy Environ. Sci. (6 篇)、Adv. Mater. (4 篇)、Angew. Chem.等雜志發(fā)表多篇學(xué)術(shù)論文，獲得50余項發(fā)明專利授權(quán)。

通訊作者：胡洪營，清華大學(xué)秀鐘書院院長，環(huán)境學(xué)院教授，國家杰出青年基金、領(lǐng)軍人才和國家教學(xué)名師獎獲得者。長期從事再生水安全高效利用、區(qū)域水循環(huán)利用和水環(huán)境治理的研究，主要研究方向包括再生水水質(zhì)安全評價與風(fēng)險控制、再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、再生水高級氧化處理技術(shù)、再生水安全消毒技術(shù)、水環(huán)境污染控制與生態(tài)修復(fù)、區(qū)域水循環(huán)利用系統(tǒng)與模式等。

共同第一作者：彭露，清華大學(xué)深圳國際研究生院博士生，現(xiàn)為博士后，主要研究方向為病原微生物控制及環(huán)境納米技術(shù)。

共同第一作者：朱浩杰，清華大學(xué)深圳國際研究生院博士生，主要研究方向為電池負(fù)極材料的開發(fā)以及各類二次電池的研究。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-41490-5

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