碳材料环境降解新机制：过氧化物酶对不同同素异形体的选择性降解作用

推荐：本研究针对碳纳米材料在环境和生物医学应用中的潜在风险，系统评估了三种过氧化物酶（HRP/EP 13/MnP）对石墨烯和单壁碳纳米管（SWCNT）的降解差异。通过拉曼光谱和透射电镜证实，含氧官能团丰富的石墨烯更易被酶解，而原始SWCNT表现出显著稳定性，为碳材料的生态风险评估和绿色降解策略提供了重要依据。

　　

随着石墨烯和碳纳米管（CNTs）在能源、生物医学等领域的广泛应用，这些碳纳米材料的环境累积和潜在毒性问题日益凸显。研究表明，它们可能引发肺部纤维化、神经毒性等健康风险，并在生态系统中长期存留。如何实现这类材料的绿色降解，成为制约其可持续发展的关键瓶颈。法国斯特拉斯堡大学（University of Strasbourg）CNRS免疫病理学与治疗化学研究所的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表论文，首次系统比较了三种环境源过氧化物酶对工业级碳材料的降解效能，揭示了材料同素异形体差异对降解过程的关键影响。

研究人员采用动态光散射（DLS）分析材料分散性，结合X射线光电子能谱（XPS）和热重分析（TGA）表征材料化学组成，通过拉曼光谱和透射电子显微镜（TEM）动态监测60天酶解过程中的结构变化。实验选取辣根过氧化物酶（HRP）作为阳性对照，同时纳入毕赤酵母表达的Eucodis?过氧化物酶（EP 13）和白腐菌来源的锰过氧化物酶（MnP），以模拟自然环境中的酶降解条件。

形态与组分分析

STEM显示石墨烯呈纳米级片层结构（<1μm），SWCNT为微米级管束。XPS证实石墨烯含9.9%氧元素，其C 1s谱中286.3 eV处的C-O峰显著高于SWCNT（2.2%氧含量），TGA曲线进一步显示石墨烯在300℃出现30%重量损失，表明其富含氧官能团。这些特性为酶催化提供了反应位点。

降解效率差异

拉曼光谱中石墨烯的D/G峰强度比（I_d/I_g）经HRP和EP 13处理后分别增加0.21和0.23，TEM观察到典型的孔洞状降解形貌。而原始SWCNT的I_d/I_g始终低于0.1，管壁结构保持完整。研究指出，石墨烯的二维结构、固有缺陷和表面含氧基团（如羟基、环氧基）共同促进了酶的结合与催化，而SWCNT的疏水性和结构完整性使其抵抗酶解。

这项研究首次从材料同素异形体角度阐明了环境过氧化物酶的降解选择性，为评估碳纳米材料的生态持久性提供了新依据。结果表明，工业级石墨烯可通过天然酶系统有效降解，而SWCNT的环境残留风险需引起重视。该成果不仅为碳材料的生命周期评估提供了关键技术参数，也为开发针对不同碳结构的定向降解策略奠定了理论基础。