生物法降解碳基纳米材料方式解析

李健 李雪瑶 柏易彤 刘畅 纪嘉阳*

（1. 辽宁大学环境学院，辽宁沈阳 110036；2. 沈阳农业大学土地与环境学院，辽宁沈阳 110866；3. 辽宁省环保集团辐洁生态环境有限公司，辽宁沈阳 110161；4. 湖北省核与辐射环境监测技术中心，湖北武汉 430072）

1 引言

纳米材料（Nanomaterials）指至少一维长度在1～100 nm 的材料［1］。纳米材料和纳米技术的诞生与发展促使人类改造世界的能力延伸到分子、原子等微观层面，也标志着人类探索世界的科学技术和能力进入新的层面［2］。自2001 年科技部等五部门联合印发《国家纳米科技发展纲要》后，纳米材料及其伴生技术不论是在基础研究方面还是在科技支撑和推广应用等方面，均取得了可观的研发进展与大量重要的创新成果，辐射范围包括环境、粮食、能源、医疗等各个领域，有效地促进了社会与经济的发展，直接或间接地提升了人民的生活质量。

纳米材料包括碳基纳米材料（Carbon nanomaterials，CNMs）、金属氧化物、零价金属、量子点和纳米聚合物等。CNMs 是指至少有一维长度在纳米尺度的新型低维碳材料［3］。碳是自然界中最丰富的元素之一，微观上看，碳原子不仅能通过多种方式相互结合，还可以与其他原子连接，更能在彼此间发生取代等反应，从而形成多种具有良好实用性和功能性的材料，包括大比表面积的活性炭、坚硬的钻石、高强度的碳复合材料、导电的石墨和绝缘的玻璃碳等［4］。相对而言，小尺度的CNMs 因更易形成同素异形体，而更能形成一系列具有不同性质的化学结构。碳原子上的2s 和2p 电子层间隙较窄，碳与相邻原子能以sp，sp2和sp3的方式成键，常见的CNMs 包括零维富勒烯（Fullerene，C60）、一维碳纳米管（Nanotubes，CNTs）和二维的石墨烯（Graphene，GRA）及其衍生物等［5］。CNMs 以其具有结构特殊、质量轻、强度高、导电率好等特殊性质被广泛用于生物医学、电化学、材料工程及储能与环境科学等诸多领域。如C60已在细胞、能源储存、光学、生物传感器、生物医学、医药和生活用品等多个领域得到应用，GRA 等也在药物载体、电子产品、吸附剂和燃料电池等众多领域中不可或缺［6］。

2 CNMs 的生物毒性分析

随着CNMs 的普遍化和商业化，其在生产、运输和使用等全生命周期过程中会不可避免地进入环境，加之其具有的微观性、惰性和稳定性等特质，越来越多的研究关注到CNMs 对人类健康和生态环境方面的影响［7］。进入自然环境中的CNMs 将在大气、土壤、水体及沉积物等多相环境介质中进行迁移和再分配，发生转化或降解等［8］。例如Tabei 等对多壁碳纳米管（MWCNTs）的毒性研究表明，其对未分化的HL-60 细胞具有极高的吞噬活性，对已分化的HL-60 细胞具有一定的细胞毒性［9］。Ali 等通过实验发现螺和蜗牛体内积累纳米物质在氧化溶解过程中会伴随活性氧自由基（ROS）产生，形成的ROS 会对螺和蜗牛细胞的脂质过氧化酶、脱氧核糖核酸和蛋白质造成结构性破坏和损伤［10-11］。Feng 等研究结果表明，石墨烯等纳米材料对大肠杆菌的毒性与其表面功能化有关，分别探讨了不同功能化［羧化（GCOOH）、羟基化（G-OH）和氨基化（G-NH2）］情况下对细菌的物理相互作用、氧化损伤和细胞自溶等方面的影响，结果表明，石墨烯等纳米材料是通过氧化细胞的抗氧化剂谷胱甘肽（GSH）而引发氧化损伤，造成损伤的能力依次为：G-COOH＞G-OH＞G-NH2，同时证明了G-COOH 和G-OH 引起细胞自溶的作用更显著［12-15］。

综上可以看出，CNMs 进入环境经过一系列的吸附、沉降、转化和团聚环境行为后，不仅能单独存于环境介质中，还会与天然有机质或污染物共存和反应，也可通过与细菌、细胞等生物体的接触而跨越膜屏障或通过吞噬作用而进入其中，这都会使各类生物细胞内产生ROS 而引发生物毒性，如细胞膜被损伤、DNA 结构或序列被破坏，致使细胞发生凋亡。具体影响见表1。

表1 几种常见CNMs 的毒性

3 CNMs 的生物降解研究

CNMs 的结构性质是影响其环境行为及生物毒性的关键因素，而经过一系列降解反应后，CNMs 的原有结构会有所破坏，致使CNMs 的环境行为和生物毒性效应发生相应改变。因此，识别CNMs 的降解机理对评估CNMs 的环境和生态风险有重要的理论研究价值和科研实践意义。现阶段CNMs 的降解方式主要分为物理降解、化学降解和生物降解3 类，其中，常见的物理降解主要是指依赖紫外线的光降解作用，化学降解主要依赖化学试剂产生的活性氧与CNMs 发生的降解反应，生物降解可以归纳为酶降解、细胞降解和细菌降解三大类。

3.1 酶对CNMs 的降解分析

酶降解是CNMs 生物降解中研究最集中、最广泛的。酶作为高效的生物催化剂，不仅能够加速生物体内新陈代谢、营养物质转换和能量传输等，而且也在污染物的降解中发挥了重要作用。现阶段报道的可降解纳米材料的酶主要有髓过氧化物酶（MPO）、嗜酸性粒细胞过氧化物酶（EPO）、锰过氧化物酶（MnP）、辣根过氧化物酶（HRP）、乳过氧化物酶（LPO）和植物漆酶等，其带有降解官能团或非官能团化CNMs 的能力［16］。具体见表2。

表2 不同酶对CNMs 的降解描述

Kagan 等通过研究证明了MPO 对SWCNTs 的氧化能力［17］。Vlasova 在此基础上进一步研究了该酶与CNTs 的降解机制，并证明了次氯酸盐对整个降解过程的正向促进作用［18］。Bhattacherjee 等进行的另一项研究发现，MPO 能够降解被不同长度聚乙二醇（PEG）修饰的SWCNTs，且环境中存在的抗氧化剂，如谷胱甘肽和抗坏血酸都会影响MPO 的降解反应速率［19］。Andón 等报道了SWCNTs 与人嗜酸性过氧化物酶和H2O2同时孵育的生物降解［20］。Chen 等的实验结果表明，黄孢杆菌中的MnP 可以降解原始的CNTs，但不能攻击表面氧化的SWCNTs，其主要原因是被氧化SWCNTs 上的羧基可通过MnP 的结合位点与Mn2+结合，扰乱了Mn2+和Mn3+之间的催化循环，而这种催化循环对MnP 的活性影响很大［6］。Zhao 等在研究酶降解MWCNTs 时发现，整个降解过程最初都是从纳米管外壁缺陷结构处发生，随后再逐层破裂，该过程会减弱整个降解反应的速率［21］。Kotchey 等报道了HRP 在H2O2存在的环境中具有降解GO 的能力，导致具有空洞的GO 电子特性发生明显改变，尺寸明显减小，热稳定性降低，结构缺陷增多，且在经过还原作用后具有P 型半导体的性质［22］。

3.2 细胞对CNMs 的降解分析

细胞对CNMs 的降解最主要的途径还是源于细胞中酶的降解，如Kagan 等证实了中性粒细胞能够降解SWCNTs，是因为该细胞产生、分泌的MPO 会攻击破坏材料的纤维状结构，他们经过实验观察发现两者反应24 h 时，反应体系内几乎不存在大块结构的SWCNTs［17］。Andón 等发现嗜酸性粒细胞可以降解SWCNTs 的原因是该细胞产生、分泌的EPO 会与材料发生氧化反应，一段时间后测得体系内有羟基或羧基生成，且观察到SWCNTs 的结构已存在明显缺陷，但反应体系中要有H2O2或NaBr 存在时方可顺利进行［20］。Nunes 等通过研究官能化的CNTs 在细胞内部降解的过程时发现，经过90 d 的反应，氨基化及羧基化的CNTs 在大脑皮层小胶质细胞中发生部分降解［23］。具体见表3。

表3 不同细胞对CNMs 的降解描述

细胞对CNMs 的降解机制因细胞种类不同而各异，吞噬性细胞是生物体受外界刺激后产生的，实验证明了无论是在体内还是在体外培养条件下，这些吞噬性细胞均能对CNMs 做出应激响应，产生具有降解特性的物质，中性粒细胞的降解机制相似，分泌的物质包括MPO 和还原型辅酶II（NADPH 氧化酶）等［23］。NADPH 氧化酶降解CNMs 的关键是产生的超氧化物或一氧化氮在诱导型一氧化氮合酶的催化作用下，可氧化生成亚硝酸盐，致使CNMs 降解。中性粒细胞的降解机制与吞噬细胞不同的是，其还能够产生、分泌包含MPO 等的蛋白酶胞外诱捕网，这些诱捕网也可以降解CNMs［20］。

3.3 细菌对CNMs 的降解分析

细菌广泛分布于土壤、水体和大气等自然界中，因此环境中必定能够筛选分离出具有降解CNMs 的功能细菌，有着较好的研究前景。Salas E C 等的研究表明，大肠杆菌能够通过提供电子并进行胞外转移电子的方式还原GO，进而有效地降解［23］。Liu 等成功分离出一种萘降解细菌，可降解包括GRA 氧化物、GO 和还原氧化石墨（RGO）在内的石墨材料［16］。Zhu 等利用At. ferrooxidans CFMI-1 制备石墨氧化物，氧化形成石墨氧化纳米片，细菌氧化石墨比化学氧化更温和［24］。Salas 等人发现Shewanella 在还原GO的过程中需在无氧条件下进行［23］。Wang 等发现，氧气可加速细菌将CNMs 作碳源的利用率［25］。Zhao 等在研究对比单一菌株对MWCNTs 的降解时发现，两种或以上的菌株共存时，MWCNTs 的降解效率更高，最高可达10 倍，且降解时外加碳源效果更明显［21］。细菌降解CNMs 的本质主要是其可以作为供体为CNMs 传递电子，而导致降解反应的进行。如Shewanella 细胞不仅可以为外膜细胞色素的合成提供电子，还能通过自分泌的可溶性氧化还原电子介质传递电子［14］。不仅如此，一些细菌也可以在受CNMs 胁迫时产生过氧化物酶，如HRP 等降解CNMs。Chouhan 等研究发现，关岛特拉布斯氏菌（Trabulsiella guamensis）在应激作用下产生的过氧化物酶能够与MWCNTs 发生较好的接触反应，且通过酶的活性位点构象改变来增强胁迫适应性，使反应活性提升［19］。不同菌株对CNMs 的降解结果见表4。

表4 不同菌株对CNMs 的降解描述

4 结论

相较于CNMs 的物理和化学降解，生物降解对环境产生的二次影响更小，相对安全和绿色。从生物体内产生和分泌出的或者是体外培养的酶，尤其是MPO 和HRP 等，能较好地发挥降解CNMs 的作用。某些中性粒细胞和巨噬细胞等也可通过吞噬作用将CNMs 吞入细胞内后分泌氧化酶以达到降解目的。细菌则通过提供或转移电子产生的活性氧来促使降解反应的发生，但酶和细胞体外培养条件较苛刻，对反应环境有较高的敏感度，且反应体系中还需加入H2O2等物质来促进反应进行［25］。相较于细胞和酶，细菌易于培养、生长周期短、反应条件可达性强，是更为理想的CNMs 生物降解方式，具有更广阔的研究前景。

对于CNMs 不仅要重视其应用价值和前景，也要考虑到其可能存在的风险和毒性，应以更加客观的科学态度从双向开展研究。