海洋环境腐蚀与生物污损重点实验室知识库

海洋生物污损是人类开发利用海洋资源亟需解决的重要问题之一。因此，开发高效绿色防污材料具有重要意义，同时也面临巨大挑战。环境友好型纳米材料模拟酶（纳米酶）在海洋防污方面有极大的应用前景。本文针对现有纳米酶的价格高、易于团聚失活、制备工艺复杂和应用环境苛刻等应用瓶颈，主要基于层状前体（LDHs）法制备复合金属氧化物（MMOs）的技术优势，通过调控层状前体活性过渡金属组成和比例可控制备出具有特定组成和结构的层状前体，经焙烧拓扑衍生构筑系列不同化学组成、微观结构和表面性质的具有氧化酶（OXD）和过氧化物酶（POD）样活性的双功能MMOs仿生复合纳米酶，明晰了影响其模拟酶催化调控活性氧（ROS）水平的核心控制要素，建立了MMOs与模拟酶催化杀菌性能的构效关系，阐明了不同MMOs介导的ROS水平对污损微生物的影响作用和分子机制，为新型、高效、绿色防污材料开发提供理论支持和指导。具体研究内容如下：

1. 采用尿素均匀沉淀法可控合成出不同[Ni²⁺]/[V³⁺]摩尔比的Ni-V LDHs层状前体，经过焙烧处理衍生制备出不同[Ni²⁺]/[V³⁺]摩尔比的Ni-V MMOs材料，系统研究了前体组成和焙烧温度对于MMOs材料晶体结构、微观形貌、比表面积等的调控机理，发现400 ^oC焙烧样品具有较大的比表面积和二维超薄纳米片结构，微观结构为粒径小于5 nm的Ni₃V₂O₈纳米颗粒均匀镶嵌在NiO超薄纳米片基体中。首次发现Ni-V MMOs材料具有优异的POD模拟酶催化性能，前体组成和焙烧温度对POD模拟酶催化性能有调控作用，催化机理为·OH机理，可增强ROS水平。

2.采用更具活性的Co替代Ni通过制备新型Co₆(CO₃)₂(OH)₈·H₂O@Co₃V₂O₈一维纳米线前驱体及焙烧处理两步控制合成法，经Co₆(CO₃)₂(OH)₈·H₂O向Co₃O₄的拓扑化转变首次成功制备出由Co₃V₂O₈和Co₃O₄组成的Co-V MMOs纳米线，并首次发现其具有OXD和POD双功能模拟酶活性，催化活性受[Co²⁺]/[V³⁺]摩尔比和焙烧温度控制。400 ^oC煅烧所得[Co²⁺]/[V³⁺]摩尔比为3的Co-V MMOs纳米线催化活性最优，可催化产生·O₂^-杀菌，将H₂O₂的有效作用浓度降至50 μM，在中性介质中也具有广谱杀菌活性，杀菌机理为ROS增强机理。

3. 通过精确控制六亚甲基四胺（HMT）用量调控共沉淀体系的pH首次制备出单一相Co-V LDHs层状前体。焙烧后可制备化学组成为Co₃V₂O₈和Co₃O₄的Co-V MMOs。LDHs层状前体的制备是得到高活性MMOs的关键控制要素，所得MMOs继承了LDHs的片状结构，为连续的二维超薄纳米片状形貌，且比非单一相层状前体制备MMOs材料具有更大的比表面积、更丰富的表面活性位点和分散更加均匀的复合结构。这些更优的表面性质赋予二维超薄Co-V MMOs纳米片比一维Co-V MMOs纳米线更优的OXD和POD双功能模拟酶催化杀菌活性。在生物安全范围内（不高于10 μg/mL）和1 μM H₂O₂（一维Co-V MMOs纳米线的1/50）的条件下具有优异的杀菌性能，在防污领域有良好应用前景。

4.采用尿素均匀沉淀法合成了不同Ce掺杂量的三元Co-Al-Ce LDHs层状前体，发现在Ce掺杂量小于5%时可以得到单一相LDHs层状前体，焙烧后可转化为化学组成为CeO₂、Co₃O₄和CoAl₂O₄的三元Co-Al-Ce MMOs。首次发现Co-Al-Ce MMOs为OXD和POD双功能模拟酶，Ce掺杂量和焙烧温度是调控MMOs模拟酶催化活性的控制要素，当Ce掺杂量为2.5%和焙烧温度为200 ^oC时所得MMOs具有最优活性，在无H₂O₂存在条件下即可杀灭细菌，杀菌机理为·O₂^-机理。由于CeO₂活性相的引入，Co-Al-Ce MMOs在近中性条件下在H₂O₂的协同作用下可通过提高胞内ROS水平杀灭Escherichia. coli，显示了在海洋环境中作为防污剂应用的潜力。

5.前述层状前体法制备MMOs均由氧化物组成，为拓展层状前体法制备复合纳米酶的工艺途径，水热合成了粒径在300 nm单分散的VS₄亚微球，发现在H₂O₂存在下，VS₄具有模拟POD催化活性，对底物TMB和H₂O₂的亲和力优于天然辣根过氧化物酶，催化机理为·OH机理。相较于·O₂^-，·OH具有更强的氧化性，在水溶液体系中可稳定存在，具有潜在的防污活性。建立了过渡金属硫化物与氧化物的有机联系，后续基于层状前体的可控硫化和氧化将有望得到性能更优的模拟酶防污材料体系。

总之，本论文主要基于层状前体衍生制备MMOs来获取具有良好模拟酶催化杀菌活性的仿生复合纳米酶材料。通过控制焙烧条件，MMOs可继承前体的特殊形貌，具有大的比表面积、丰富的表面活性位点和活性相分散均匀的复合结构，可有效克服纳米酶的团聚失活瓶颈问题。利用层状前体组成结构可调的特点，通过可控硫化和氧化工艺处理可实现ROS调控功能的调变，有望实现在海洋防污领域的实践应用。

目 录

第1章 绪 论 1

1.1 海洋生物污损 1

1.1.1 海洋生物污损概述 1

1.1.2 典型海洋生物污损发生过程 1

1.2 防污材料研究现状 3

1.2.1 传统毒剂型防污涂料 3

1.2.2环境友好新型防污涂料 4

1.3 纳米酶 8

1.3.1 纳米酶历史 8

1.3.2 纳米酶材料 9

1.3.3 纳米酶防污机制 14

1.4 复合金属氧化物 17

1.4.1 LDHs简介 18

1.4.2 LDHs衍生MMOs简介 20

1.5 选题依据和研究思路 21

1.5.1 选题依据 21

1.5.2 研究的目标与内容 23

1.5.3 研究方案 24

第2章 实验部分 25

2.1 化学试剂 25

2.2 仪器 26

2.3 表征 26

2.4 自由基捕获实验 27

2.5 酶催化动力学研究 27

2.6 模拟酶催化杀菌实验 28

2.7 细菌胞内ROS检测 28

2.7.1 细菌胞内总ROS水平测定 28

2. 细菌内·O₂^-/·OH水平测试 29

第3章 LDHs衍生Ni-V MMOs纳米片的可控制备与模拟酶催化机制研究 30

3.1 前言 30

3.2 实验步骤 31

3.2.1 Ni-V MMOs模拟酶的制备 31

3.2.2 模拟酶催化活性实验 31

3.3 实验结果与讨论 32

3.3.1 材料表征 32

3.3.2 模拟酶活性 42

3.3.3 模拟酶催化机制 44

3.3.4 模拟酶应用 45

3.4 小结 47

第4章 Co-V MMOs纳米线的拓扑转化制备与模拟酶杀菌机制研究 49

4.1 前言 49

4.2 实验方案 50

4.2.1 Co-V MMOs的制备 50

4.2.2 模拟酶催化活性实验 50

4.3 实验结果与讨论 51

4.3.1 材料表征 51

4.3.2 模拟酶活性 60

4.3.2 模拟酶催化机制 62

4.3.2 模拟酶杀菌性能 66

4.4 小结 74

第5章 LDHs衍生Co-V MMOs纳米片的可控制备与其杀菌机制研究 75

5.1 前言 75

5.2 实验方案 75

5.2.1 Co-V MMOs的制备 75

5.2.2 模拟酶催化活性实验 76

5.2.3 材料细胞毒性实验 76

5.3 实验结果与讨论 76

5.3.1 材料表征 76

5.3.2 模拟酶活性 87

5.3.3 模拟酶催化机制 88

5.3.4 模拟酶杀菌性能 91

5.3.5 模拟酶细胞毒性 93

5.4 小结 94

第6章 LDHs衍生Co-Al-Ce MMOs的可控制备与其杀菌机制研究 96

6.1 前言 96

6.2 实验方案 96

6.2.1 Co-Al-Ce MMOs的制备 96

6.2.2 Co-Al-Ce MMOs的模拟酶活性测试 97

6.3 结果与讨论 97

6.3.1 材料表征 97

6.3.2 模拟酶活性 103

6.3.3 模拟酶催化机制 105

6.3.4 模拟酶杀菌性能 107

6.4 小结 111

第7章 VS₄微球的可控制备与其模拟酶催化机制研究 112

7.1 前言 112

7.2 实验方案 112

7.2.1 VS₄的制备 112

7.2.2 VS₄的模拟酶催化活性测试 113

7.2.3 H₂O₂检测 113

7.2.4 L-cysteine检测 113

7.3 实验结果与讨论 113

7.3.1 VS₄的表征 113

7.3.2 VS₄的酶活性测试 116

7.3.3 测试条件优化 117

7.3.4 稳态动力学和催化机制 120

7.3.5 H₂O₂的检测 122

7.3.6 L-cysteine的检测 124

7.4 小结 126

第8章 结论与展望 127

8.1 结论 127

8.2 创新点 128

8.3 展望 129

参考文献 131

致 谢 146

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与科研成果 147