模拟卤过氧化物酶的钒掺杂氧化铈纳米颗粒：对抗细菌生物膜的新策略

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Haloperoxidase-Mimicking Vanadium Doped Cerium Oxide Nanoparticles as a Strategy for Combating Bacterial Biofilms

本研究通过溶液燃烧法制备了钒掺杂的二氧化铈纳米颗粒（V-CeO? NPs），系统评估其卤过氧化物酶样活性。实验表明，3% V-CeO? NPs在催化褪色红反应（Km=22.51 mM，Vmax=0.75 mM·min?1）和生成·OH及1O?活性上显著优于未掺杂的CeO? NPs。其对铜绿假单胞菌的生物膜抑制率达80.65%，且对HEK293细胞呈现低毒性。研究证实钒掺杂有效提升了CeO?的催化性能与生物膜抑制效率，为开发新型抗生物膜纳米材料提供了理论依据。

　　在当前全球范围内对抗多重耐药细菌生物膜的挑战日益加剧的背景下，科学家们正在积极寻找新型的抗菌策略。传统的抗生素治疗手段由于细菌逐渐产生耐药性，已难以满足临床需求。因此，探索具有独特催化性能和抗菌能力的纳米材料成为研究热点。在这一领域，氧化铈纳米颗粒（CeO? NPs）因其类酶活性和卓越的氧化还原特性，被认为是一种有前景的纳米酶平台。然而，CeO? NPs在实际应用中仍面临催化效率较低和活性位点暴露不足等问题，限制了其在抗菌领域的潜力。

为了解决上述问题，本研究引入了一种新的策略，即通过掺杂钒元素（V）来增强CeO? NPs的氧化还原活性和催化性能。钒作为一种具有多种氧化态的过渡金属，其掺杂能够显著提升纳米颗粒的催化效率，并改善其在生物膜抑制中的表现。研究团队采用溶液燃烧法合成钒掺杂的CeO?纳米颗粒（V-CeO? NPs），并利用多种物理化学表征手段验证了掺杂的成功性和纳米颗粒的均匀形态。这些纳米颗粒在模拟卤素过氧化物酶（haloperoxidase）活性方面表现出色，尤其是在存在过氧化氢（H?O?）和溴化铵（NH?Br）的条件下，能够有效生成羟基自由基（·OH）和单线态氧（1O?），从而破坏细菌的生物膜结构。

通过系统的动力学实验，研究团队进一步评估了V-CeO? NPs的催化性能。结果显示，3%钒掺杂的CeO?纳米颗粒在酚红溴化反应中展现出优异的催化活性，其米氏常数（K?）为22.51 mM，最大反应速率（V???）为0.75 mM·min?1，均优于未掺杂的CeO?纳米颗粒。此外，3% V-CeO? NPs在抑制铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）生物膜方面表现出高达80.65%的效率，远高于未掺杂CeO?的44.45%。这些结果表明，钒掺杂显著提升了CeO?纳米颗粒的催化活性和生物膜抑制能力。

值得注意的是，除了其卓越的抗菌性能，V-CeO? NPs在生物相容性方面也表现出良好的特性。研究团队对这些纳米颗粒在人类胚胎肾细胞（HEK293）中的细胞毒性进行了评估，结果显示其对细胞的毒性极低，表明其在实际应用中具有较高的安全性。这一特性使得V-CeO? NPs在医疗和环境领域均具有广泛的应用前景。

为了更全面地理解V-CeO? NPs的抗菌机制，研究团队还对不同浓度的钒掺杂纳米颗粒进行了详细的表征分析。通过X射线衍射（XRD）实验，研究团队确认了钒掺杂后CeO?纳米颗粒的晶体结构发生变化，并且随着掺杂浓度的增加，晶面位置发生了偏移，这可能与钒的引入改变了纳米颗粒的表面活性和氧化还原特性有关。此外，研究团队还通过其他分析手段，如扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM），进一步确认了纳米颗粒的形貌和结构特征。

除了对纳米颗粒本身的表征，研究团队还探讨了其在不同环境条件下的催化活性变化。实验结果显示，V-CeO? NPs在不同的温度、pH值以及H?O?和NH?Br浓度下均表现出稳定的催化性能，这表明其在实际应用中具有良好的适应性和稳定性。这一特性对于开发适用于多种环境条件的抗菌材料至关重要，尤其是在复杂的生物膜环境中，纳米颗粒需要能够在不同条件下维持其活性。

此外，研究团队还对V-CeO? NPs的抗菌机制进行了深入分析。通过荧光和光谱检测，他们确认了纳米颗粒在催化过程中能够有效生成羟基自由基和单线态氧，这两种活性氧物种在破坏生物膜和杀灭细菌方面起到了关键作用。羟基自由基具有极强的氧化能力，能够攻击细菌的细胞膜和细胞内结构，而单线态氧则可以干扰细菌的代谢过程，从而抑制其生长。这两种活性氧的协同作用使得V-CeO? NPs在抗菌和生物膜抑制方面表现出色。

在对抗生物膜的研究中，除了直接的抗菌作用，纳米材料还能够通过干扰细菌的群体感应（quorum sensing）机制来发挥其抗菌潜力。群体感应是细菌通过分泌信号分子来协调群体行为的一种机制，对于生物膜的形成和维持至关重要。V-CeO? NPs通过影响这一过程，能够有效抑制生物膜的形成和发展，从而降低细菌的致病性。

此外，研究团队还评估了V-CeO? NPs对不同种类细菌（包括革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌）的抗菌效果。实验结果显示，这些纳米颗粒对多种细菌均表现出良好的抑制作用，这表明其具有广谱抗菌能力。这种广谱性使得V-CeO? NPs在实际应用中更具优势，可以针对多种类型的生物膜进行干预。

为了进一步验证这些纳米颗粒的抗菌效果，研究团队进行了体外实验，模拟了生物膜形成的环境。实验结果显示，V-CeO? NPs在存在H?O?和NH?Br的情况下，能够有效抑制生物膜的形成，同时减少细菌的存活率。这些结果表明，V-CeO? NPs不仅能够破坏已形成的生物膜，还能够预防其形成，从而提供一种有效的抗菌策略。

在材料的制备和应用方面，研究团队采用了溶液燃烧法，这是一种相对简单且成本较低的合成方法。这种方法能够有效控制纳米颗粒的形貌和组成，使得钒元素能够均匀地掺杂到CeO?纳米颗粒中。此外，该方法还能够大规模生产，为V-CeO? NPs的工业应用提供了可能。

研究团队还对V-CeO? NPs的环境影响进行了评估。他们发现，与传统的金属纳米颗粒（如银纳米颗粒和氧化锌纳米颗粒）相比，V-CeO? NPs在抗菌过程中产生的反应性氧物种（ROS）更加可控，从而降低了对环境的潜在毒性。这一特性使得V-CeO? NPs在环保和可持续发展方面也具有优势。

在实际应用方面，V-CeO? NPs的抗菌性能使其成为一种有潜力的抗菌材料。这些纳米颗粒可以被用于医疗设备的表面处理，以减少细菌的附着和生长；也可以被应用于水处理和空气净化领域，以去除水中的细菌和污染物。此外，它们还可以被用于食品包装材料，以延长食品的保质期并减少微生物污染的风险。

研究团队还对V-CeO? NPs的长期稳定性和重复使用性能进行了评估。实验结果显示，这些纳米颗粒在多次使用后仍能保持较高的催化活性，这表明其具有良好的耐用性和重复使用性。这一特性对于开发经济高效的抗菌材料至关重要，因为频繁更换材料会增加成本并降低其可持续性。

综上所述，本研究通过钒掺杂显著提升了CeO?纳米颗粒的催化活性和抗菌能力，使其在生物膜抑制方面表现出色。V-CeO? NPs不仅能够有效破坏生物膜结构，还能通过干扰细菌的群体感应机制来抑制其生长。此外，其良好的生物相容性和环境适应性，使其在实际应用中具有广阔前景。未来的研究可以进一步探索V-CeO? NPs在不同环境条件下的表现，并优化其合成方法，以提高其抗菌效率和稳定性。这些进展有望为解决多重耐药细菌生物膜带来的公共卫生挑战提供新的解决方案。