石墨烯对细菌生物膜的抗菌活性研究

　　石墨烯是继富勒烯、碳纳米管之后纳米材料研究领域又一里程碑式的重大科学发现。作为新世纪的材料之王，它的潜能是无法预料的，虽然石墨烯刚刚被发现不久，目前也已经有了一定的应用领域，但是制备石墨烯的方法都比较复杂，整个工艺过程很难控制，且只能生产少量的石墨烯纳米薄膜。

　　石墨烯基纳米材料具备很多优异的性能，石墨烯产品有着巨大的经济效益，但是石墨烯基材料对环境的释放所带来的影响也一直困扰着人类。微生物在环境中存在普遍，而且极易受到石墨烯基纳米材料的影响。目前，有很多关于石墨烯及其衍生物氧化石墨烯（GO）对细菌作用的报道。实验结果指出，石墨烯与GO利用其锋利的片边缘对细菌造成物理损伤，提取细胞膜中的磷脂从而破坏细胞膜的完整性，最终会导致细胞质的流出。氧化应激也是一种作用机制，石墨烯及其衍生物会生成活性氧簇从而诱发氧化应激反应，或者石墨烯通过氧化细胞结构或成分从而破坏微生物活性。研究表明，GO的抗菌性能优于石墨烯。然而不同的实验条件会得出不同的实验结果，其中培养基的种类，成分都是石墨烯抗菌活性很重要的影响因素。

　　Zhiling Guo等人所得出的研究结论与之前的很多文献结果大相径庭。实验用一系列不同浓度的还原石墨烯（rGO）与GO对细菌在Luria-Bertani（L-B）培养基中进行培养。结果表明，GO可以有效地促进细胞的生长和生物膜的形成，即使在500 mg/L的浓度条件下，生物膜依旧可以很好的发育。这主要是因为，L-B培养基含有大量的蛋白质会被GO吸附到表面，GO表面的蛋白质不仅会削弱GO的抗菌性而且会为细菌的生长提供营养物质。相反，因为rGO对蛋白质的吸附性能很弱，低浓度的rGO就会对细胞的生长产生强烈的抑制作用。如图1（A，B）所示。

　　rGO对浮游细菌和固定细菌的杀菌效果也不相同，对固定细菌的杀菌效果弱一些。这主要有以下原因，稳定细菌会排泄胞外聚合物，从而对细菌和生物膜进行保护；浮游细菌则与rGO的接触机会更多，使得rGO更有机会发挥作用。

　　研究还发现，对于细菌生长的不同阶段，rGO的抗菌性能是不同的，在成熟阶段，rGO的抗菌性能显著减低，48 h之后，抗菌性能完全消除。rGO在最初阶段会显著增加活性氧簇水平而对细胞产生毒性，到了成熟期，活性氧簇水平则与对照组没有差别。而250 mg/L的GO则会降低成熟阶段的生物膜及胞外区域的活性氧簇水平。结果表明，氧化应激反应是rGO对生物膜发育抑制的主要原因。

　　研究者又向培养基中补充了胞外多聚物，这一操作明显削弱了rGO对生物膜生长发育的抑制作用。X射线光电子能谱分析（XPS）结果表明，rGO被氧化成为GO，而GO对细菌的生长是有促进作用的。胞外多聚物的加入而削弱抑制作用的原因主要是胞外多聚物的保护及rGO被氧化形成了GO，而且胞外多聚合还可以抑制活性氧簇的形成。

　　此项研究得出的很多结论均与之前的文章背道而驰，如GO对细菌的生长不抑制反而促进，再如rGO会被氧化成GO而不是GO被还原。得出这样的结果主要原因正如作者所说，实验所用的培养基不同，而且实验中细菌处于的状态和阶段也起着决定性作用。