自供电压电酶平台：通过机械触发级联反应实现无化学防污

《Advanced Science》：Self-Sustaining Piezozyme Platform for Antifouling via Mechanically Triggered Enzymatic Cascade

本研究报道了一种创新的自供电压电酶平台，它将普遍存在的机械能（如海浪）转化为催化级联反应，实现了无需外部光照或化学添加剂的环保型海洋防污。该平台基于CeO2/g-C3N4异质结构，利用g-C3N4的压电极化原位生成H2O2，并由CeO2纳米相启动卤代过氧化物酶（HPO）和过氧化物酶（POD）双模拟酶反应，产生强效活性氧（ROS）。该策略不仅实现了>99.99%的抗菌率，更在180天真实海洋实验中验证了其长效性，为设计波浪驱动的可持续催化系统开辟了新途径。

　　

1 引言

海洋生物污损，即微生物和大型生物在浸没表面的有害附着，给海洋工业带来了巨大的运营和环境负担。传统的防污策略依赖于含铜或有机杀生物剂，虽短期有效但存在生态风险且会随时间失效。物理涂层虽能降低化学毒性，但对环境条件敏感。近年来，具有类酶催化活性的纳米酶作为环境友好的替代品出现。然而，其在海洋环境中的催化效率受到海水中极低天然过氧化氢（H₂O₂）浓度（通常在100–250 nm范围）的根本限制。由于H₂O₂是活性氧（ROS）介导的抗菌途径的关键底物，其稀缺性限制了ROS的生成，从而阻碍了纳米酶在防污中的实际应用。压电催化能够通过机械诱导的极化将机械能转化为化学反应性，为动态海洋环境中无需光照、自供电的催化提供了诱人的替代方案。

石墨相氮化碳（g-C₃N₄）因其非中心对称的层状结构而表现出显著的压电性能，能够在机械刺激下将机械能高效转化为化学能，并催化氧还原反应生成H₂O₂。此外，g-C₃N₄具有优异的化学稳定性和环境耐受性，是自供电海洋防污系统的理想压电组件。然而，其较弱的类酶催化活性使其在将H₂O₂转化为强效杀菌ROS方面效率低下，限制了其独立的防污潜力。二氧化铈（CeO₂）作为一种广泛研究的纳米酶，已被证明具有多种类酶活性，在催化ROS生成和实现抗菌防污效果方面显示出巨大潜力。特别是，其卤代过氧化物酶（HPO）样活性可以利用海水中的卤化物离子（如Br^?）催化形成强氧化性的次卤酸物种（如HOBr），这一特性尤其适用于控制海洋环境中的生物污损。然而，现有的基于CeO₂的防污系统严重依赖外部添加H₂O₂，限制了其在真实海水中的持续应用。

本文受天然酶系统级联结构的启发，构建了一种能够在机械刺激下自我供应H₂O₂的人工酶级联反应。在该设计中，具有优异HPO样和过氧化物酶（POD）样活性的典型纳米酶CeO₂与g-C₃N₄集成，形成了一种机械激活的压电酶。在低频机械扰动（如海浪）下，g-C₃N₄的压电响应触发原位H₂O₂形成，随后被CeO₂通过类酶途径利用，生成强氧化性物种如•OH和HOBr。除了级联机制，内置的界面电场促进了电荷转移、Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原循环和缺陷活化，进一步提高了催化效率。

2 结果与讨论

2.1 CeO₂/g-C₃N₄纳米酶的制备与表征

CeO₂/g-C₃N₄纳米酶通过改进的浸渍-煅烧策略合成。表征结果显示，该复合材料呈现典型的g-C₃N₄层状结构，CeO₂纳米颗粒均匀锚定在纳米片上。能量色散X射线光谱（EDS）图谱显示Ce、O元素与g-C₃N₄基体的C、N元素均匀分布并共定位，证实了两组分间的紧密界面接触。X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外（FT-IR）光谱分析证实了复合材料中同时存在CeO₂和g-C₃N₄，且g-C₃N₄的层状结构得以保留。热重分析（TGA）估算复合材料中CeO₂含量约为15 wt.%。X射线光电子能谱（XPS）分析确认了复合材料中存在混合氧化态的Ce³⁺/Ce⁴⁺，比例约为0.33:1，并存在本征氧空位。这些结构分析共同证实了CeO₂/g-C₃N₄复合纳米酶的成功合成。

2.2 压电催化H₂O₂生成

利用压电响应力显微镜（PFM）研究了CeO₂/g-C₃N₄的压电性能。结果显示，该纳米酶表现出明显的压电响应，其压电系数（d₃₃）值为19.64 pm V^?1，高于纯g-C₃N₄的14.89 pm V^?1，归因于异质结内增强的界面极化。

在模拟海洋水动力（如波浪和潮汐）的超声刺激下，系统性地评估了CeO₂/g-C₃N₄纳米酶的压电催化性能。与原始g-C₃N₄相比，CeO₂/g-C₃N₄纳米酶表现出显著更高的H₂O₂产率，突出了CeO₂和g-C₃N₄之间在提升催化性能方面的协同效应。CeO₂/g-C₃N₄杂化材料表现出优异的H₂O₂生成效率，生产速率为705 μmh^?1，相比纯g-C₃N₄观察到的463 μmh^?1提高了1.52倍。其潜在机制可归因于机械刺激下g-C₃N₄基质内产生的局部电场，促进了电荷分离并加速了电子向表面吸附O₂的转移。CeO₂进一步促进了氧活化和界面电荷转移，从而实现了优异的压电催化效率。

2.3 压电增强的类酶活性

在证实了CeO₂/g-C₃N₄纳米酶的压电H₂O₂生成能力后，进一步使用酚红（PR）作为底物评估了其HPO样活性。在压电激活且无外部供应H₂O₂的情况下，纳米酶促进了原位H₂O₂生成，随后触发了氧化卤化反应，证明了HPO样活性。值得注意的是，在压电激活且无外部H₂O₂添加的条件下，CeO₂/g-C₃N₄纳米酶的催化活性比非压电激活条件增强了12倍。这一增强表明，压电产生的H₂O₂驱动了高效的HPO样活性，无需外部H₂O₂供应。

此外，使用3,3’,5,5’-四甲基联苯胺（TMB）作为底物评估了CeO₂/g-C₃N₄的POD样活性。CeO₂/g-C₃N₄在压电激活下表现出显著增强的POD模拟活性。电子顺磁共振（EPR）分析证实了•OH的生成，且压电激活下DMPO–•OH信号强度增加了1.3倍，提供了机械刺激通过促进原位•OH生成来增强CeO₂/g-C₃N₄POD样活性的直接证据。

为了阐明CeO₂/g-C₃N₄纳米酶增强催化活性的起源，进行了对照实验。在相同的压电激活条件下，CeO₂/g-C₃N₄复合纳米酶相比CeO₂和g-C₃N₄的物理混合物，表现出显著更高的HPO和POD样活性。这表明集成的纳米酶促进了H₂O₂和溴离子等反应中间体的高效转移，从而实现级联催化过程，并最大限度地减少中间体的消耗和降解。即使在提供相同量H₂O₂但不施加压电刺激的对照实验中，压电激活的CeO₂/g-C₃N₄纳米酶仍表现出明显更高的催化活性。这表明压电场本身对催化过程有积极贡献，可能通过促进电荷分离、激活底物分子或稳定固-液界面的反应物种。

XPS和EPR分析进一步阐明了压电刺激下CeO₂/g-C₃N₄纳米酶增强催化活性的内在机制。与原始CeO₂相比，CeO₂/g-C₃N₄复合材料表现出显著更高的Ce³⁺比例和O 1s光谱中更强的缺陷相关信号，表明复合材料内的界面相互作用促进了Ce⁴⁺的部分还原和氧空位的形成。超声激发略微增加了Ce³⁺含量和缺陷氧信号，表明机械极化可能进一步诱导价态调控和缺陷形成。EPR分析也支持了这一趋势，压电激活后观察到对应于氧空位的信号更强。总之，CeO₂/g-C₃N₄的优异催化性能不仅归因于其固有的缺陷结构，还得益于压电场诱导的电子调制和缺陷活化。这两种效应协同作用，赋予系统优异的ROS生成能力。

2.4 抗菌性能

以革兰氏阴性大肠杆菌（E. coli）和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌（S. aureus）为模型生物，评估了CeO₂/g-C₃N₄纳米酶的抗菌活性。在压电激活下，CeO₂/g-C₃N₄单独实现了超过95%的灭活率，这归因于其POD样活性。向复合材料中添加Br^?通过HPO样活性进一步增强了抗菌效果，杀灭率超过99%。扫描电镜（SEM）图像显示，压电处理后，CeO₂/g-C₃N₄+ Br^?组的细菌膜遭受显著损伤，表现为膜破裂、变形和结构塌陷。为了进一步模拟海水中天然存在的痕量H₂O₂，在反应体系中引入了250 nmH₂O₂。在压电激活下，CeO₂/g-C₃N₄+ Br^?+ H₂O₂实现了对两种细菌菌株>99.99%的灭活，相当于活菌落数减少10,000倍。这些发现证实了由压电输入激活的POD和HPO样活性的协同效应，突显了该纳米酶在预防海洋环境早期细菌定植方面的强大潜力。

时间分辨采样和自由基清除实验进一步揭示了高抗菌效率背后的动态级联反应和主要抗菌剂。当用异丙醇（IPA）淬灭•OH时，抗菌效率保持在约55%，而用L-蛋氨酸（Met）淬灭HOBr则使活性降低至38%左右。同时淬灭•OH和HOBr将抗菌效率降低至背景水平。这些发现表明，•OH和HOBr都是压电催化系统中的关键杀菌ROS，其中HOBr在介导整体抗菌效果方面起着特别重要的作用。CeO₂/g-C₃N₄纳米酶可以在水动力作用下原位自主生成H₂O₂，维持其催化活性并增强ROS输出。这种自我供应的底物，结合双酶模拟，为海水中有效的抗菌作用建立了坚实的机制基础。

2.5 防污性能

在室内优异的抗菌性能激励下，通过在污染严重的渤海进行的真实海试，严格评估了CeO₂/g-C₃N₄纳米酶的长期海洋防污效果。基于抗菌活性、附着力和表面润湿性，筛选出纳米酶的最佳负载量为2.0 wt.%。为期180天的现场浸泡测试结果显示，裸露的环氧树脂板显示出严重的生物污损，验证了渤海区域生物污损的高腐蚀性和严重性。相比之下，CeO₂/g-C₃N₄涂层面板表现出显著的防污性能，180天后污损覆盖率仅为3.82%，显著低于其他对照组。CeO₂/g-C₃N₄纳米酶在长时间浸泡期间持续保持超低的生物污损覆盖率（<5%），在海洋环境中表现出卓越的稳定性和耐久性。

激光显微镜表征显示，空白环氧树脂板表面粗糙且不均匀，污损高度为82 μm，表明存在严重的生物污损和附着残留物积累。相比之下，CeO₂/g-C₃N₄纳米酶涂层表面显示出最小的生物污损，污损高度显著降低至仅21 μm。这些结果表明，纳米酶涂层有效抑制了污损生物的附着和生长，保持了表面的光滑度和完整性。

CeO₂/g-C₃N₄纳米酶在海洋环境中的持续防污性能源于其集成的压电催化和类酶功能。具体而言，复合材料通过持续的波浪和潮汐力激活压电响应，产生局部电场，诱导连续的原位H₂O₂生成，从而克服了天然海水中该底物固有的稀缺性。生成的H₂O₂随后通过纳米酶固有的HPO和POD样催化活性转化为ROS，从而有效抑制生物污损。这种自我维持的催化过程不仅提供了长期的防污效果，而且避免了有毒杀生物剂的使用，突出了CeO₂/g-C₃N₄作为一种有前途的环保材料用于海洋保护应用。

3 结论

总之，本研究通过将压电性g-C₃N₄与氧化还原活性CeO₂集成，开发了一种仿生自供电压电酶，实现了用于海洋防污的原位H₂O₂供应级联反应。g-C₃N₄组分通过压电催化氧还原，将普遍存在的低频机械刺激（如海浪）高效转化为H₂O₂，而具有HPO和POD双模拟活性的CeO₂随后将H₂O₂转化为高活性物种（•OH和HOBr），以实现有效的细菌抑制。这种自供电抗菌途径有效克服了天然海水中H₂O₂的稀缺性，且无需任何外部化学输入。实验室抗菌测试显示对革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌的灭活率均>99.99%，而180天的海洋现场试验证实生物污损覆盖率低于5%，突显了该涂层优异的耐久性和实际适用性。除了海洋保护，本文提出的机械激活级联纳米酶概念为设计用于能源有限或光照不足环境的可持续催化系统开辟了新途径。

4 实验部分

（略）