CZO（郴州欧阳锋）

原创He QX 抗菌科技圈

第一作者：Yun Bai

通讯作者：Chun Yang, Zhi Zhang

通讯单位：重庆大学

研究速览：

近期，Yun Bai在Chemical Engineering Journal上发表了有关Zn/Co纳米晶在海绵状3D多孔碳中的封装及其对大肠杆菌的超声灭活：表征、动力学和灭活机理的研究工作。研究表明，全世界每年约有250万儿童因饮用被致病微生物污染的水而死亡，其中80%来自发展中国家。因此，水消毒是防止病原微生物通过水传播疾病的重要手段，但有害的消毒副产物引起的健康问题一直是一个前沿问题。超声辐照(US)作为一种环境友好的杀菌技术，已被认为是水消毒的一种替代方法。本文以食用菌残渣为模板，通过热解的方法，制备了海绵状三维Zn/Co共掺杂多孔碳复合材料(Zn/Co-MPC)。优化后的Zn/Co-MPC_0.3复合材料具有杀菌颗粒释放可控、杀菌能力强、磁循环性能好等特点。超声结合Zn/Co-MPC-0.3处理具有环保特性和持久抗菌性能的优势，在细菌去污方面具有广阔的应用前景。

超声强化Zn/Co-MPC?0.3对大肠杆菌可能的杀菌机理。

要点一：

Zn/Co-MPC复合材料具有持久的抗菌性能和生态友好性。其中ZnO NPs和钴Co可以有效杀死细菌，而生物炭（MPC）可以有效地实现ZnO NPs和Co的可控释放。同时，Zn/Co-MPC有效地减少了电子重叠，有助于超声耦合产生更多的.OH杀菌。

要点二：

4个动力学模型(Log linear, Modified Hom, Weibull and Simplified Logistic model)拟合良好(R2 > 0.9)，拟合超声强化Zn/Co-MPC-0.3的Log-linear模型和Weibull模型的统计参数(R2 > 0.95, RMSE最小)良好。超声强化Zn/Co-MPC-0.3对大肠杆菌的杀菌作用机理为酶活性降低、细胞膜破碎、胞内物质(蛋白质、ATP、DNA)损失。

图文导读

图1：不同材料40 min的杀菌性能。(a) 不同剂量Zn/Co-MPC-0.3，(b) 不同时间。(c) 不同处理。(d) 相同稀释比下的平板菌落计数结果图像。

图2：(a) 不同处理的羟基自由基浓度。(b) 不同处理的过氧化氢含量。(c) 不同处理的EPR光谱。

图3：采用(a) 改进Hom、(b) 简化Logistic、(c) Weibull和(d) 对数线性模型拟合不同处理对大肠杆菌的动力学曲线。

图4：(a) 未处理样品，(b) 单独US处理的样品，(c) 单独Zn/Co-MPC-0.3处理的样品，(d) 单独US增强Zn/Co-MPC-0.3处理的样品的共聚焦显微镜(LSCM)扫描图像。(a1) 未处理样品，(b1) 单独US，(c1) 单独Zn/Co-MPC-0.3和(d1) US + Zn/Co-MPC-0.3处理的平板菌落计数结果图像。(e) 不同处理的平均荧光强度。

图5：大肠杆菌的(a) β-半乳糖苷酶活性，(b) ATP浓度，(c) 可溶性蛋白浓度，(d) DNA浓度.原始生物炭。(e) Zn/Co-MPC-0.3复合物和大肠杆菌Zeta电位。(f) 大肠杆菌SDS-PAGE蛋白条带。

图6：(a) Zn2+释放量与时间的关系。(b) 3次循环使用后的大肠杆菌数量。

结论

作者合成了一种低成本、环保的海绵状三维Zn/Co共掺杂多孔碳复合材料(Zn/Co-MPC)。单独使用时，复合材料(Zn/Co-MPC-0.3)可使细菌菌落减少0.45-log CFU/mL。，US增强型杀菌剂对大肠杆菌的杀菌效果更好，可使细菌菌落减少1.02-log CFU/mL。四种杀菌动力学模型均能较好地拟合灭活过程。其中，Weibull和Log-linear模型对US增强Zn/Co-MPC-0.3处理对大肠杆菌的杀菌效果最优。US-增强Zn/Co-MPC-0.3处理后，大肠杆菌胞内物质(蛋白质、DNA和ATP)分别下降了34.78%、50.55%和72.17%，AKP、ATP酶活性也有所下降。超声产生的空化效应对大肠杆菌的细胞形态和细胞膜通透性造成损伤，刺激ZnO NPs通过破膜进入细胞，从而杀死大肠杆菌。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137545

参考文献：Yun Bai, Chunhai Shi, Xiaolei Ma, Jian Li, Siqin Chen, Niuniu Guo, Xi Yu, Chun Yang*, Zhi Zhang*. Encapsulation of Zn/Co nanocrystals into sponge-like 3D porous carbon for Escherichia coli inactivation coupled with ultrasound: Characterization, kinetics and inactivation mechanism. Chemical Engineering Journal 2022 DOI: 10.1016/j.cej.2022.137545

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