清华大学吴乾元、杨诚、胡洪营团队Nat. Commun. 纳米尖端水力学杀菌机制助力绿色高效水消毒

研之成理研之成理

▲ 第一作者：彭露，朱浩杰

通讯作者：吴乾元，杨诚，胡洪营

通讯单位：清华大学深圳国际研究生院，清华大学环境学院

DOI：10.1038/s41467-023-41490-5

图片摘要

成果简介

近日，清华大学吴乾元、杨诚、胡洪营团队在国际知名期刊Nature communications上发表了题为Hydrodynamic tearing of bacteria on nanotips for sustainable water disinfection的研究论文。该论文开发了一种碳包覆纳米线阵列结构，其可通过水力学机制实现水中病原菌的快速高效灭活。当水流穿过纳米线阵列时，细菌被碳包覆纳米尖端的色散作用捕获，进而被流场曳力撕扯，致使细菌发生严重的细胞结构破损。该机制仅依靠流体动能，无需额外的能量供应，可为分散式水处理以及偏远地区的饮用水安全管理提供新的策略。

引言

消毒是控制病原微生物、阻断水传播疾病的关键环节。然而，现有消毒技术通过强氧化或紫外辐照作用杀灭微生物，面临能耗药耗高、有毒有害副产物易生成等问题，安全高效消毒技术亟待突破。

纳米材料机械杀菌效应为病原微生物控制提供了一种非化学途径。纳米尖端可对与其接触的细菌产生机械力作用，使细菌发生变形、死亡。然而，细菌的外层屏障结构对外界环境的机械冲击具有一定的抵抗力，已有研究通常在静态附着条件下、通过数小时接触时间使细菌发生机械损伤。考虑到水流动能是自然界中广泛存在的可再生能源，借助水流动能在纳米尖端杀灭微生物将是一种理想的消毒方式。

图文导读

纳米尖端水力学杀菌机制解析

研究首先分析了流场中细菌与纳米尖端的作用形式。在水流冲击下，细菌与纳米尖端发生随机碰撞，这是流场中普遍存在的水流机械能传递形式。然而，由于细菌的外层保护屏障，纳米尖端仅对细菌造成弹性形变，难以破坏细菌生理结构（图1a,b）。本研究提出，通过表面修饰构造高色散力纳米尖端表面，转变流场力作用方式，实现水流机械能向细菌细胞壁的有效传递。当细菌随水流碰撞上此类纳米尖端时，细菌被强色散作用捕获，进而被流场曳力撕扯。该过程产生的外向机械应力可突破细菌的临界应力，导致细菌破裂而死亡（图1c,d）。

为定量研究纳米尖端与细菌的色散作用，基于POPE磷脂双分子层进行了分子动力学模拟，结果表明材料与细胞膜发生强色散作用的范德华势井深度阈值为ε > 0.256 kJ/mol。特别地，sp²碳（ε = 0.293 kJ/mol）与POPE膜存在强烈的自发吸引作用，并可稳定嵌入膜中。根据分子动力学结果预测，sp²碳膜包覆将有效调控纳米尖端的色散作用水平。

图1：（a,b）细菌与纳米尖端发生碰撞；（c,d）细菌被碳包覆纳米尖端捕获并被水流撕裂；（e）POPE磷脂双分子层与不同势井深度（ε）材料相互作用的初始和最终构型（t=100 ns）；（f,g）100 ns分子动力学模拟中材料与磷脂膜之间的范德华相互作用能和质心距离随时间的变化。

碳包覆纳米线制备与杀菌性能

利用多孔泡沫铜制备了碳包覆纳米线阵列（Modified NWs）。球差校正透射电镜清晰地展现了纳米线表面的无定型碳层。采用拉曼光谱和X射线光电子能谱表明碳层的主要化学组成为sp²结构碳。

利用原子力显微镜（AFM）对碳膜和细菌细胞膜的相互作用力进行了精确测量（图2e）。对原子力显微镜探针进行相同的碳包覆处理后，发现碳包覆探针在回撤时受到粘滞阻力作用（~2 nN），而未包碳探针未检测到粘附力。该测试验证了分子动力学模拟结果，即碳膜和细菌表面存在自发的吸引作用。

利用碳包覆纳米线构建穿透式消毒装置，评估流动条件下材料对大肠杆菌的灭活性能。发现碳包覆纳米线可高效灭活大肠杆菌（>6 log），处理后细菌发生严重破损；未包覆纳米线和碳包覆泡沫铜（无纳米结构）仅有微弱的去除效果。进一步排除了铜离子溶出、氧化应激以及材料吸附等其它机制影响，明确机械损伤是碳包覆纳米线灭活大肠杆菌的主要途径。

图2：（a-c）Modified NWs微观结构表征；（d）Cu(OH)₂ NWs和modified NWs的拉曼光谱;（e）AFM细菌表面粘附分析；（f）Modified NWs、Cu(OH)₂ NWs和modified Cu对大肠杆菌灭活性能及（g）处理出水相应的平板培养皿图像；（h）SYTO9/PI双染实验；（i,j）Modified NWs处理前（i）和处理后（j）大肠杆菌形貌；（k,l）Modified NWs处理前（k）和处理后（l）大肠杆菌微观结构；（m,n）Modified NWs消毒前（m）和消毒后（n）形貌；（o）Modified NWs与文献报道的机械杀菌性能比较。

流场中细菌的机械破裂机制分析

利用原子力显微镜（AFM），在液相条件测定了大肠杆菌的杨氏模量和临界应力，构建了流场中细菌与纳米线相互作用的有限元仿真模型。模拟计算表明撕扯产生的应力高于细菌的临界应力（0.05 MPa），碰撞应力低于临界应力的1%，因此碳包覆纳米尖端的水流撕扯效应是造成细菌机械破裂的原因。

图3：（a）AFM大肠杆菌穿刺曲线，插图采用Sneddon模型拟合杨氏模量；（b）AFM探针刺破细菌瞬间细胞膜应力分布有限元模拟；（c）模拟区域流场分布；（d）细菌与纳米尖端四种接触模式；（e,f）碰撞过程细胞膜的应力分布；（g,h）撕裂过程细胞膜的应力分布。在每种接触形式下最大应力以红色数字显示，并与临界应力（0.05 MPa）进行比较。

小结

本研究报道了一种基于纳米尖端的水力学杀菌新机制，即平缓水流可通过碳包覆纳米尖端与细菌的色散作用有效地撕裂细菌。结合理论计算进一步证实，sp²碳与细菌细胞膜具有强烈的色散相互作用，使细菌在纳米尖端发生瞬时粘附-流场撕扯效应，从而突破细菌的临界应力。该机制可有效杀灭水中的多种典型细菌，并在一个月连续运行过程中保持稳定高效消毒。此外，通过对三种不同的纳米阵列结构进行碳包覆处理，证实碳包覆提升纳米尖端杀菌性能具有普适性。本技术利用水流动能杀灭病原菌，无需化学试剂或额外的能量供应，可为分散式水处理以及偏远地区的饮用水安全管理提供新的策略，研究成果对其他领域的病原微生物控制也将具有启发意义。

本研究得到了国家自然科学基金项目、深圳市自然科学基金项目及清华大学深圳国际研究生院抗疫专项等的资助。

作者简介

通讯作者：吴乾元，清华大学深圳国际研究生院长聘副教授，博士生导师，主持国家自然科学基金委优秀青年项目、面上项目等国家级项目。近年来在Nat. commun.、Proc. Natl. Acad. Sci.、Environ. Sci. & Technol.、Water Res.等期刊上以第一/通讯作者发表论文70余篇。

通讯作者：杨诚，清华大学深圳国际研究生院长聘副教授，科技部某高端专家引进计划获得者、清华大学学术新人获得者，广东省杰出青年基金获得者、中国发明创新奖金奖（排名第一）、广东省本土创新团队核心成员、深圳市盖姆石墨烯中心核心成员。杨诚教授的研究团队在新型能源器件的制备及原理研究、金属微纳结构的形态调控与应用等方向取得多项重要进展，近年指导学生在 Chem. Rev.、Nat. Commun. (4篇)、Energy Environ. Sci. (6 篇)、Adv. Mater. (4 篇)、Angew. Chem.等杂志发表多篇学术论文，获得50余项发明专利授权。

通讯作者：胡洪营，清华大学秀钟书院院长，环境学院教授，国家杰出青年基金、万人计划领军人才和国家教学名师奖获得者。长期从事再生水安全高效利用、区域水循环利用和水环境治理的研究，主要研究方向包括再生水水质安全评价与风险控制、再生水水质标准、再生水高级氧化处理技术、再生水安全消毒技术、水环境污染控制与生态修复、区域水循环利用系统与模式等。

共同第一作者：彭露，清华大学深圳国际研究生院博士生，现为博士后，主要研究方向为病原微生物控制及环境纳米技术。

共同第一作者：朱浩杰，清华大学深圳国际研究生院博士生，主要研究方向为电池负极材料的开发以及各类二次电池的研究。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-41490-5

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