碳基纳米材料主要包括石墨烯、碳纳米管和富勒烯及其衍生物。伴随着在各个领域的广泛应用和产量的不断增加，碳基纳米材料不可避免地释放到环境中去并且难以回收。研究表明碳基纳米材料已经广泛存在于地表水、污水处理系统、沉积物和土壤等多种环境中，成为一类新型的污染物，而碳基纳米材料的生物转化研究刚刚兴起。大连海事大学环境学院王经伟、马桥等在环境领域国际知名期刊Water Research (2018,143:260-269), Science of The Total Environment  (2020,746:141020), Environmental Pollution (2021, 272: 115300), Chemosphere (2021, 275: 129888) 在线发表了多篇关于碳基纳米材料生物降解降解的一系列的研究进展。

课题组首先筛选得到了能以氧化石墨烯为唯一碳源生长的菌株Labryssp. WJW，利用透射电镜、原子力显微镜和拉曼光谱等仪器对氧化石墨烯的降解进行表征。结果表明，氧化石墨烯经菌株WJW降解后碳层出现明显空洞并出现更多缺陷。多种具有芳香烃结构的中间产物在氧化石墨烯降解过程中被发现，其中包含苯甲酸等典型的微生物芳香烃代谢下游产物。利用基因组和蛋白质组技术解析表明，差异蛋白的生物信息学分析显示部分上调蛋白可能参与氧化、苯环断裂以及中间产物的跨膜运输等过程。对氧化石墨烯的降解途径进行了推测，其可先降解为苯甲酸盐类小分子芳烃，并继续通过下游的糖酵解、三羧酸循环、丙酮酸以及丁酸甲酯等途径进行进一步代谢。

图1 氧化石墨烯的微生物降解过程

选取其他代表性碳基纳米材料(还原氧化石墨烯、单壁碳纳米管、氧化单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、富勒烯C₆₀)进一步研究菌株WJW的降解能力，结果显示菌株WJW均能够以这5种不同类型的碳基纳米材料为唯一碳源生长。对菌株WJW降解包含氧化石墨烯在内的6种碳基纳米材料的胞外机制进行解析，结果显示羟基自由基在降解过程中发挥重要作用。菌株分泌的铁载体与体系中的Fe(III)络合并还原Fe(III)生成Fe(II)，在过氧化氢存在下形成Fe(III)/Fe(II)−铁载体循环发生类芬顿反应持续产生。

图2 菌株WJW好氧降解碳基纳米材料的胞外类芬顿反应机制

本研究的开展受到大连海事大学环境学院及大连理工大学环境学院的大力支持，研究经费受国家自然科学基金(42007222)，哈尔滨水利学院城市水资源与环境实验室(ESK201529)资助。

论文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135418302665

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969720345496

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0269749120359881

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S004565352100357X