海洋环境腐蚀与生物污损重点实验室知识库

海洋生物污损带来的直接或间接的损害会给人类社会带来巨大的经济损失和安全危害，开发高效绿色防污材料可以很好地解决这些问题。其中，环境友好型纳米酶和光催化剂在海洋防污方面有极大的应用前景。本文针对现有的纳米酶的价格高、活性单一、环境依赖性强，活性氧（Reactive Oxygen Species，简称ROS）杀菌机制不明，缺乏厌氧菌杀菌防污对策等问题，主要以过渡金属硫化物硫化钴（Co_xS_y）和二硫化钼（MoS₂）分别作为基础模拟酶和光催化材料，以海洋腐蚀微生物铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa，简称PA）、芽孢杆菌（Bacillus，简称BA）、硫酸盐还原菌（Sulfate-Reducing Bacteria，简称SRB）以及常用的评价广谱杀菌活性的大肠杆菌（Escherichia coli，简称E. coli）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus，简称S. aureus）作为模式菌，开展了绿色纳米材料的杀菌防污应用和机理研究，为新型、高效、绿色防污材料的开发提供了理论支持和指导。具体研究内容如下：

1. 选取调控性强的Co_xS_y作为模拟酶考察体系。通过两步水热法合成了Co₄S₃纳米颗粒（Nanoparticles，简称NPs），并首次证明其具有内在的过氧化物酶（Peroxidase，简称POD）活性。基于Co₄S₃可以诱导H₂O₂产生超氧阴离子（·O₂⁻）的能力，针对E. coli可达到100%的杀菌率，针对BA和PA可以实现良好的杀灭。此外，利用Co₄S₃的类POD活性，构建了用于检测H₂O₂和L-半胱氨酸（L-Cys）的传感器。该传感器对40-2000 µM内的H₂O₂具有良好的宽线性响应，检测限为18 µM。对于L-Cys，在20-100 mM内的检测限为10 mM。该检测方法还表现出良好的稳定性、高选择性和杰出的实用性。

2. 通过合成Co_xS_y基复合材料，解决的单一的Co₄S₃ NPs具有单一的类酶活性这一问题。首次通过控制前驱体pH，以硫化钠为硫源，成功合成了新型Co₄S₃/Co₃O₄复合纳米管（Nanotubes，简称NTs），证明了其具有类氧化酶（Oxidase，OXD）和类POD催化活性。Co₄S₃/Co₃O₄ NTs表现出比天然辣根过氧化物酶（Horseradish Peroxidase，简称HRP）更小的K_m和更大的V_max、良好的底物选择性、理想的稳定性和良好的生物相容性等优良特性。在催化1 mM H₂O₂的情况下，可以实现对E. coli、S. aureus、PA和BA细菌的广谱杀灭。

3. 通过进一步调控Co_xS_y基复合材料的组成，解决了杀菌过程中对H₂O₂的依赖性，进一步提升了海洋环境适应性。通过调控前驱体的合成pH和硫化钠的添加量，首次成功合成了Co₄S₃/Co(OH)₂杂化纳米管（Hybrid Nanotubes，简称HNTs）。基于柯肯达尔效应，针状前驱体被硫化形成Co₄S₃/Co(OH)₂ HNTs，具有良好的储存稳定性。通过模拟酶性能测试，证明Co₄S₃/Co(OH)₂ HNTs具有很强的类OXD催化活性。当用900 mg Na₂S处理400 mg针状前驱体（合成pH=3）时，Co₄S₃/Co(OH)₂ HNT表现出最优的类OXD性能。由于具有突出的类OXD活性，Co₄S₃/Co(OH)₂ HNTs无需H₂O₂辅助即可杀灭E. coli、S. aureus、BA和PA。杀菌能力来自于Co₄S₃/Co(OH)₂ HNTs催化溶解氧产生的·O₂⁻。为开发基于模拟酶绿色防污材料奠定了基础。

4. 首次通过调控金属有机框架（Metal Organic Frameworks，简称MOFs）的投料比，成功合成了具有光-酶耦合性能的CoS₂/MoS₂纳米片（Nanosheets，简称NSs），发现当Co和Mo的摩尔投料比为1:1时，硫化得到的CoS₂/MoS₂ NSs表现出最好的光催化和类酶催化性质。凭借自身优异的光催化活性，CoS₂/MoS₂ NSs可在中性介质中表现出出色的类酶活性，摆脱了模拟酶只能在酸性环境中起作用的限制。由于酶催化和光催化协同作用，CoS₂/MoS₂ NSs可在中性、无H₂O₂和黑暗系统中产生·O₂⁻，可有效杀灭E. coli、S. aureus、PA和BA。总之，可调的MOFs组成、在中性介质中激发酶催化的突破、独立于外部条件的杀菌应用，使得MOFs衍生光酶偶联催化材料具有良好的海洋防污前景。

5. 以MoS₂为基础光催化材料，通过调控双金属MOFs的组成，成功合成了MoS₂/MS_y（MS_y=MnS、CuS、CeS₂）异质结，揭示了ROS杀菌机制。由于MoS₂/MnS具有更大的费米能级差和更小的功函数，MoS₂/MnS表现出比MoS₂/CuS和MoS₂/CeS₂更强的光催化活性和杀菌活性。同时，使用了1,1'-dioctadecyl-3,3,3',3'-tetramethylindocarbocyanine perchlorate（DiI）染料用于深入探索基于ROS原理的杀菌机制。DiI可以通过物理结合的方式与磷脂双分子层结合。因此，DiI的荧光强度可以直接表示出磷脂双分子层的含量。基于此，直接证明杀菌机制是光催化剂和模拟酶等在催化过程中产生的ROS会严重攻击细胞膜上的磷脂双分子层，导致细胞质外流，最后引起细胞的死亡。首次为ROS攻击细胞膜提供了直接证据。因此，所制备的材料和开发的DiI染色思路可广泛用于环境保护、生物技术和临床治疗。

6. 通过实验手段和量子化学模拟计算，将MoS₂的物理和化学效应协同起来，首次开发了针对海洋厌氧腐蚀污损微生物的绿色防污应用。基于MoS₂的物理效应，其“刀片状”边缘可以切入细胞膜，并从中提取脂质。基于密度泛函计算，由于MoS₂中的S空位与化学底物[过硫酸盐（PMS）和H₂O]之间的强吸附能，产生了氧化活性物质（Oxidative Active Substances，简称OAS）。这些OAS可以看作是“纳米杀手”，不断氧化分解MoS₂周围的脂质；从而重新释放MoS₂的边缘。物理提取与化学氧化相结合，不仅可以精确定位细胞膜，还可以持续的进行灭菌。以EH40钢为研究对象，发现在MoS₂的添加下，14天后其表面几乎没有腐蚀微生物附着，具有良好的防微生物腐蚀活性。本工作为实际开展海洋防污奠定了材料和理论基础，同时为发展新型空位杀菌剂提供了设计思路和研究方向。

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 海洋生物污损发生过程... 1

1.1.3 微生物腐蚀... 3

1.2 海洋生物污损防护措施... 3

1.2.1 电解海水法... 3

1.2.2 防污涂料... 3

1.3 纳米酶及其防污机制... 6

1.3.1 氧化酶... 7

1.3.2 过氧化物酶... 8

1.3.3 过氧化氢酶... 9

1.3.4 超氧歧化物酶... 9

1.4 光催化剂及其防污机制... 11

1.4.1 破坏氧化辅酶A.. 11

1.4.2 破坏细胞壁和细胞膜... 11

1.4.3 破坏遗传物质... 12

1.5 过渡金属硫化物... 12

1.5.1概述... 12

1.5.2 Co_xS_y基材料... 13

1.5.3 MoS₂基材料... 14

1.5.4 贵金属及其他过渡金属硫化物... 15

1.6 选题依据和研究思路... 16

1.6.1 选题依据... 16

1.6.2 研究的目标与内容... 18

1.6.3 研究方案... 18

第2章     实验部分... 21

2.1 化学试剂... 21

2.2 仪器与设备... 22

2.3 材料表征... 23

2.4 ROS捕获实验... 24

2.5 细菌胞内·O₂^-/·OH检测... 24

第3章     Co₄S₃纳米颗粒的可控制备与杀菌机制研究... 25

3.1 前言    25

3.2 实验步骤... 26

3.2.1 Co基前驱体的制备... 26

3.2.2 颗粒状Co₄S₃的制备... 26

3.2.3 模拟酶催化活性测试... 26

3.2.4 酶催化动力学研究... 26

3.2.5 模拟酶杀菌性能测试... 27

3.3 实验结果与讨论... 27

3.3.1 材料表征... 27

3.3.2 模拟酶活性... 31

3.3.3 模拟酶应用... 35

3.3.4 模拟酶杀菌... 37

3.4 小结    43

第4章     Co₄S₃/Co₃O₄纳米管的可控制备与杀菌机制研究... 44

4.1 前言    44

4.2 实验步骤... 45

4.2.1 Co基前驱体的制备... 45

4.2.2 Co₄S₃/Co₃O₄纳米管的制备... 45

4.2.3 模拟酶催化活性测试... 45

4.2.4 酶催化动力学研究... 45

4.2.5 模拟酶杀菌性能测试... 45

4.2.6 生物相容性测试... 45

4.3 实验结果与讨论... 46

4.3.1 材料表征... 46

4.3.2 模拟酶活性... 48

4.3.3 模拟酶杀菌... 52

4.3.4 生物相容性... 56

4.4 小结    58

第5章     Co₄S₃/Co(OH)₂纳米管的可控制备与杀菌机制研究... 60

5.1 前言    60

5.2 实验步骤... 60

5.2.1 Co基前驱体的制备... 60

5.2.2 Co₄S₃/Co(OH)₂纳米管的制备... 61

5.2.3 模拟酶催化活性测试... 61

5.2.4 酶催化动力学研究... 61

5.2.5 模拟酶杀菌性能测试... 61

5.3 实验结果与讨论... 61

5.3.1 材料表征... 61

5.3.2 模拟酶活性... 67

5.3.3 模拟酶杀菌... 73

5.4 小结    76

第6章     CoS₂/MoS₂纳米片的可控制备与光-酶耦合杀菌机制研究    77

6.1 前言    77

6.2 实验方案... 78

6.2.1 复合材料的制备... 78

6.2.2. DFT计算... 78

6.2.3 光催化活性测试... 78

6.2.4 酶催化活性测试... 79

6.2.5 光-酶耦合杀菌测试... 80

6.3 实验结果与讨论... 80

6.3.1 材料表征... 80

6.3.2 模拟酶活性... 86

6.3.3 光催化活性... 90

6.3.4 光-酶耦合杀菌... 95

6.4 小结    99

第7章     MoS₂基复合材料的可控制备与其杀菌机制研究... 100

7.1 前言    100

7.2 实验方案... 101

7.2.1 双金属硫化物的制备... 101

7.2.2 DFT计算... 101

7.2.3 光性能测试... 101

7.2.4 光催化杀菌测试... 101

7.3 实验结果与讨论... 102

7.3.1 材料表征... 102

7.3.2 光催化机理... 108

7.3.3 光催化杀菌... 112

7.4 小结    118

第8章     MoS₂纳米片的杀菌机制及防污性能研究... 119

8.1 前言    119

8.2 实验方案... 120

8.2.1 DFT计算... 120

8.2.2 杀菌性能测试... 120

8.2.3 腐蚀失重测试... 120

8.2.4 生物膜测试... 121

8.2.5 细胞形貌观察... 121

8.3 结果与讨论... 121

8.3.1 材料表征... 121

8.3.2 杀菌性能... 124

8.3.3 防污测试... 127

8.3.4 机理分析... 129

8.4 小结    134

第9章     结论与展望... 136

9.1 结论    136

9.2 创新点... 137

9.3 展望    138

参考文献    139

致 谢    158

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与科研成果... 160