揭开“黑箱”之谜：多组学技术揭示生物炭如何增强合成生物膜的效能，从而实现更高效的生物修复

《Journal of Hazardous Materials》：Unveiling the Black Box: Multi-Omics Reveal How Biochar Supercharges Synthetic Biofilms for Superior Bioremediation

纳米塑料与乳铁蛋白在胃液中的相互作用机制研究，揭示pH、表面电荷及蛋白浓度对纳米塑料聚集动力学及消化酶活性的调控规律，发现静电和空间作用形成的蛋白冠显著抑制蛋白消化，BPS抑制作用更强，并通过光谱分析证实分子结构改变，为评估纳米塑料健康风险提供理论依据。

　　
纳米塑料与功能性蛋白在胃酸环境中的动态互作机制研究

环境纳米塑料对消化系统的影响已成为全球健康领域的重点研究课题。本研究以牛乳铁蛋白（BLf）为模型蛋白，系统考察了带负电裸PSNPs（BPS）和带正电氨基修饰PSNPs（APS）在模拟胃液（SGF）中的相互作用规律，揭示了纳米塑料通过改变蛋白结构稳定性和消化酶活性影响营养吸收的关键机制。

在胃酸环境调控方面，研究发现PSNPs的聚集动力学呈现显著的pH依赖性特征。BPS在空腹状态（pH 2）下表现出最快聚集速率（0.31 nm/s），而APS在进食后胃酸条件（pH 3.5）时达到最大聚集速度。这种差异源于表面电荷与胃液环境的匹配程度：负电荷BPS在酸性条件下更易与酶促反应生成的正电性蛋白冠结合，而正电荷APS在接近中性胃液（pH 3.5）时通过静电排斥作用形成更稳定的分散体系。值得注意的是，当胃酸处于进餐初期（pH 5）时，两种纳米塑料均展现出最慢的聚集趋势，这可能与较高pH环境抑制了表面电荷的质子化状态有关。

蛋白冠形成机制的研究发现，BLf与PSNPs的相互作用具有浓度依赖性特征。当BLf浓度达到3000 mg/L时，BPS表面形成了厚度约3 nm的蛋白冠层，而APS在相同条件下仅形成1.2 nm的薄层。这种差异源于BLf与PSNPs表面电荷的匹配性：正电性BLf与负电性BPS的静电吸附作用更强，而与APS的正电表面存在弱静电排斥。蛋白冠的厚度直接影响PSNPs的稳定性，BPS形成的较厚蛋白冠通过空间位阻效应有效延缓了聚集进程，而APS较薄的蛋白冠未能完全抑制其聚集。

消化抑制效应的量化分析显示，PSNPs对BLf的消化抑制存在显著浓度依赖关系。当PSNP浓度达到50 mg/L时，BPS在pH 2条件下的消化抑制率高达78.6%，而APS在pH 3.5时的抑制率仅为42.3%。这种差异可能源于不同表面电荷与BLf的配位模式不同：BPS通过静电吸附形成稳定的蛋白-纳米塑料复合体，而APS则更倾向于通过疏水作用改变蛋白构象。特别值得注意的是，在pH 5的中性环境下，BPS的抑制效果反而弱于APS，这可能与不同表面电荷的疏水作用强度差异有关。

结构解析实验揭示了PSNPs与BLf的分子互作机制。FTIR光谱显示，BPS与BLf在1120 cm?1和1640 cm?1处出现了特征性的吸收峰位移，表明蛋白质二级结构中的β-折叠和α-螺旋比例发生显著变化。CD光谱分析进一步证实，PSNPs处理后的BLf在210 nm处存在典型的二级结构破坏信号，其椭圆度变化量达12.7%。这些结构改变导致BLf的消化酶切位点暴露度降低，从原始状态的78%降至PSNP处理后的32-45%。

热力学分析（ITC）揭示了不同表面电荷PSNPs与BLf的相互作用本质。BPS与BLf的结合焓达-28.6 kJ/mol，表明其通过静电作用形成稳定的复合物；而APS的结合焓为-15.2 kJ/mol，显示疏水作用为主导。这种差异在pH 3.5条件下尤为明显，此时APS的疏水作用增强，导致BLf的β-折叠结构破坏程度比BPS处理组高出37%。

健康风险评估方面，研究建立了PSNP浓度-胃停留时间-消化抑制率的数学模型，发现当PSNP浓度超过40 mg/L且胃排空时间超过60分钟时，消化抑制率将超过75%。该模型特别适用于预测婴幼儿配方奶中PSNPs的潜在风险，因为其胃排空时间（约45分钟）和PSNP吸附率（婴儿配方奶中可达62%）均显著高于成人群体。

环境迁移实验表明，PSNPs在胃液中的存活时间与其表面电荷密切相关。BPS在pH 2条件下存活时间仅12分钟，而APS在pH 3.5时存活时间延长至68分钟。这种差异导致PSNPs在肠道中的分布特征不同：BPS主要在胃部形成沉淀，而APS能够顺利通过胃酸环境进入小肠。

该研究首次系统揭示了PSNPs与乳铁蛋白的pH依赖性互作机制，发现表面电荷、蛋白浓度和胃排空状态共同决定了纳米塑料的消化干扰效应。研究建立的"表面电荷-蛋白配体-结构破坏"三级作用模型，为评价纳米塑料的食品安全性提供了新的理论框架。特别在婴幼儿健康领域，研究发现的PSNP吸附率（62%）和消化抑制强度（78.6%）提示需要重新评估婴儿配方奶的纳米塑料污染标准，并开发基于表面电荷修饰的新型纳米塑料表征技术。

后续研究建议重点关注三个方面：首先，需要建立多参数协同作用的数学模型，整合pH、离子强度和有机溶剂浓度等环境变量；其次，应开展长期摄入实验，观察PSNPs对肠道菌群和免疫功能的潜在影响；最后，开发基于表面电荷工程的新型纳米塑料，在保持功能性的同时降低与生物大分子的非特异性吸附。这些研究方向的突破将为制定纳米塑料的环境释放标准提供科学依据，并为开发靶向性消化酶提供理论指导。

该成果已获得国家自然基金（42377418）和广东省重点研发计划（2023A1515030101）资助，相关技术指标已纳入《中国纳米塑料环境风险评估指南（2025版）》修订草案，为全球首部专门针对纳米塑料的婴幼儿食品安全标准奠定了理论基础。