《Advanced Science》：Self-Sustaining Piezozyme Platform for Antifouling via Mechanically Triggered Enzymatic Cascade
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本研究報道了一種創新的自供電壓電酶平臺，它將普遍存在的機械能（如海浪）轉化為催化級聯反應，實現了無需外部光照或化學添加劑的環保型海洋防污。該平臺基于CeO2/g-C3N4異質結構，利用g-C3N4的壓電極化原位生成H2O2，并由CeO2納米相啟動鹵代過氧化物酶（HPO）和過氧化物酶（POD）雙模擬酶反應，產生強效活性氧（ROS）。該策略不僅實現了>99.99%的抗菌率，更在180天真實海洋實驗中驗證了其長效性，為設計波浪驅動的可持續催化系統開辟了新途徑。
1 引言
海洋生物污損，即微生物和大型生物在浸沒表面的有害附著，給海洋工業帶來了巨大的運營和環境負擔。傳統的防污策略依賴于含銅或有機殺生物劑，雖短期有效但存在生態風險且會隨時間失效。物理涂層雖能降低化學毒性，但對環境條件敏感。近年來，具有類酶催化活性的納米酶作為環境友好的替代品出現。然而，其在海洋環境中的催化效率受到海水中極低天然過氧化氫（H2O2）濃度（通常在100–250 nm范圍）的根本限制。由于H2O2是活性氧（ROS）介導的抗菌途徑的關鍵底物，其稀缺性限制了ROS的生成，從而阻礙了納米酶在防污中的實際應用。壓電催化能夠通過機械誘導的極化將機械能轉化為化學反應性，為動態海洋環境中無需光照、自供電的催化提供了誘人的替代方案。
石墨相氮化碳（g-C3N4）因其非中心對稱的層狀結構而表現出顯著的壓電性能，能夠在機械刺激下將機械能高效轉化為化學能，并催化氧還原反應生成H2O2。此外，g-C3N4具有優異的化學穩定性和環境耐受性，是自供電海洋防污系統的理想壓電組件。然而，其較弱的類酶催化活性使其在將H2O2轉化為強效殺菌ROS方面效率低下，限制了其獨立的防污潛力。二氧化鈰（CeO2）作為一種廣泛研究的納米酶，已被證明具有多種類酶活性，在催化ROS生成和實現抗菌防污效果方面顯示出巨大潛力。特別是，其鹵代過氧化物酶（HPO）樣活性可以利用海水中的鹵化物離子（如Br?）催化形成強氧化性的次鹵酸物種（如HOBr），這一特性尤其適用于控制海洋環境中的生物污損。然而，現有的基于CeO2的防污系統嚴重依賴外部添加H2O2，限制了其在真實海水中的持續應用。
本文受天然酶系統級聯結構的啟發，構建了一種能夠在機械刺激下自我供應H2O2的人工酶級聯反應。在該設計中，具有優異HPO樣和過氧化物酶（POD）樣活性的典型納米酶CeO2與g-C3N4集成，形成了一種機械激活的壓電酶。在低頻機械擾動（如海浪）下，g-C3N4的壓電響應觸發原位H2O2形成，隨后被CeO2通過類酶途徑利用，生成強氧化性物種如•OH和HOBr。除了級聯機制，內置的界面電場促進了電荷轉移、Ce3+/Ce4+氧化還原循環和缺陷活化，進一步提高了催化效率。
2 結果與討論
2.1 CeO2/g-C3N4納米酶的制備與表征
CeO2/g-C3N4納米酶通過改進的浸漬-煅燒策略合成。表征結果顯示，該復合材料呈現典型的g-C3N4層狀結構，CeO2納米顆粒均勻錨定在納米片上。能量色散X射線光譜（EDS）圖譜顯示Ce、O元素與g-C3N4基體的C、N元素均勻分布并共定位，證實了兩組分間的緊密界面接觸。X射線衍射（XRD）和傅里葉變換紅外（FT-IR）光譜分析證實了復合材料中同時存在CeO2和g-C3N4，且g-C3N4的層狀結構得以保留。熱重分析（TGA）估算復合材料中CeO2含量約為15 wt.%。X射線光電子能譜（XPS）分析確認了復合材料中存在混合氧化態的Ce3+/Ce4+，比例約為0.33:1，并存在本征氧空位。這些結構分析共同證實了CeO2/g-C3N4復合納米酶的成功合成。
2.2 壓電催化H2O2生成
利用壓電響應力顯微鏡（PFM）研究了CeO2/g-C3N4的壓電性能。結果顯示，該納米酶表現出明顯的壓電響應，其壓電系數（d33）值為19.64 pm V?1，高于純g-C3N4的14.89 pm V?1，歸因于異質結內增強的界面極化。
在模擬海洋水動力（如波浪和潮汐）的超聲刺激下，系統性地評估了CeO2/g-C3N4納米酶的壓電催化性能。與原始g-C3N4相比，CeO2/g-C3N4納米酶表現出顯著更高的H2O2產率，突出了CeO2和g-C3N4之間在提升催化性能方面的協同效應。CeO2/g-C3N4雜化材料表現出優異的H2O2生成效率，生產速率為705 μmh?1，相比純g-C3N4觀察到的463 μmh?1提高了1.52倍。其潛在機制可歸因于機械刺激下g-C3N4基質內產生的局部電場，促進了電荷分離并加速了電子向表面吸附O2的轉移。CeO2進一步促進了氧活化和界面電荷轉移，從而實現了優異的壓電催化效率。
2.3 壓電增強的類酶活性
在證實了CeO2/g-C3N4納米酶的壓電H2O2生成能力后，進一步使用酚紅（PR）作為底物評估了其HPO樣活性。在壓電激活且無外部供應H2O2的情況下，納米酶促進了原位H2O2生成，隨后觸發了氧化鹵化反應，證明了HPO樣活性。值得注意的是，在壓電激活且無外部H2O2添加的條件下，CeO2/g-C3N4納米酶的催化活性比非壓電激活條件增強了12倍。這一增強表明，壓電產生的H2O2驅動了高效的HPO樣活性，無需外部H2O2供應。
此外，使用3,3’,5,5’-四甲基聯苯胺（TMB）作為底物評估了CeO2/g-C3N4的POD樣活性。CeO2/g-C3N4在壓電激活下表現出顯著增強的POD模擬活性。電子順磁共振（EPR）分析證實了•OH的生成，且壓電激活下DMPO–•OH信號強度增加了1.3倍，提供了機械刺激通過促進原位•OH生成來增強CeO2/g-C3N4POD樣活性的直接證據。
為了闡明CeO2/g-C3N4納米酶增強催化活性的起源，進行了對照實驗。在相同的壓電激活條件下，CeO2/g-C3N4復合納米酶相比CeO2和g-C3N4的物理混合物，表現出顯著更高的HPO和POD樣活性。這表明集成的納米酶促進了H2O2和溴離子等反應中間體的高效轉移，從而實現級聯催化過程，并最大限度地減少中間體的消耗和降解。即使在提供相同量H2O2但不施加壓電刺激的對照實驗中，壓電激活的CeO2/g-C3N4納米酶仍表現出明顯更高的催化活性。這表明壓電場本身對催化過程有積極貢獻，可能通過促進電荷分離、激活底物分子或穩定固-液界面的反應物種。
XPS和EPR分析進一步闡明了壓電刺激下CeO2/g-C3N4納米酶增強催化活性的內在機制。與原始CeO2相比，CeO2/g-C3N4復合材料表現出顯著更高的Ce3+比例和O 1s光譜中更強的缺陷相關信號，表明復合材料內的界面相互作用促進了Ce4+的部分還原和氧空位的形成。超聲激發略微增加了Ce3+含量和缺陷氧信號，表明機械極化可能進一步誘導價態調控和缺陷形成。EPR分析也支持了這一趨勢，壓電激活后觀察到對應于氧空位的信號更強。總之，CeO2/g-C3N4的優異催化性能不僅歸因于其固有的缺陷結構，還得益于壓電場誘導的電子調制和缺陷活化。這兩種效應協同作用，賦予系統優異的ROS生成能力。
2.4 抗菌性能
以革蘭氏陰性大腸桿菌（E. coli）和革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌（S. aureus）為模型生物，評估了CeO2/g-C3N4納米酶的抗菌活性。在壓電激活下，CeO2/g-C3N4單獨實現了超過95%的滅活率，這歸因于其POD樣活性。向復合材料中添加Br?通過HPO樣活性進一步增強了抗菌效果，殺滅率超過99%。掃描電鏡（SEM）圖像顯示，壓電處理后，CeO2/g-C3N4+ Br?組的細菌膜遭受顯著損傷，表現為膜破裂、變形和結構塌陷。為了進一步模擬海水中天然存在的痕量H2O2，在反應體系中引入了250 nmH2O2。在壓電激活下，CeO2/g-C3N4+ Br?+ H2O2實現了對兩種細菌菌株>99.99%的滅活，相當于活菌落數減少10,000倍。這些發現證實了由壓電輸入激活的POD和HPO樣活性的協同效應，突顯了該納米酶在預防海洋環境早期細菌定植方面的強大潛力。
時間分辨采樣和自由基清除實驗進一步揭示了高抗菌效率背后的動態級聯反應和主要抗菌劑。當用異丙醇（IPA）淬滅•OH時，抗菌效率保持在約55%，而用L-蛋氨酸（Met）淬滅HOBr則使活性降低至38%左右。同時淬滅•OH和HOBr將抗菌效率降低至背景水平。這些發現表明，•OH和HOBr都是壓電催化系統中的關鍵殺菌ROS，其中HOBr在介導整體抗菌效果方面起著特別重要的作用。CeO2/g-C3N4納米酶可以在水動力作用下原位自主生成H2O2，維持其催化活性并增強ROS輸出。這種自我供應的底物，結合雙酶模擬，為海水中有效的抗菌作用建立了堅實的機制基礎。
2.5 防污性能
在室內優異的抗菌性能激勵下，通過在污染嚴重的渤海進行的真實海試，嚴格評估了CeO2/g-C3N4納米酶的長期海洋防污效果。基于抗菌活性、附著力和表面潤濕性，篩選出納米酶的最佳負載量為2.0 wt.%。為期180天的現場浸泡測試結果顯示，裸露的環氧樹脂板顯示出嚴重的生物污損，驗證了渤海區域生物污損的高腐蝕性和嚴重性。相比之下，CeO2/g-C3N4涂層面板表現出顯著的防污性能，180天后污損覆蓋率僅為3.82%，顯著低于其他對照組。CeO2/g-C3N4納米酶在長時間浸泡期間持續保持超低的生物污損覆蓋率（<5%），在海洋環境中表現出卓越的穩定性和耐久性。
激光顯微鏡表征顯示，空白環氧樹脂板表面粗糙且不均勻，污損高度為82 μm，表明存在嚴重的生物污損和附著殘留物積累。相比之下，CeO2/g-C3N4納米酶涂層表面顯示出最小的生物污損，污損高度顯著降低至僅21 μm。這些結果表明，納米酶涂層有效抑制了污損生物的附著和生長，保持了表面的光滑度和完整性。
CeO2/g-C3N4納米酶在海洋環境中的持續防污性能源于其集成的壓電催化和類酶功能。具體而言，復合材料通過持續的波浪和潮汐力激活壓電響應，產生局部電場，誘導連續的原位H2O2生成，從而克服了天然海水中該底物固有的稀缺性。生成的H2O2隨后通過納米酶固有的HPO和POD樣催化活性轉化為ROS，從而有效抑制生物污損。這種自我維持的催化過程不僅提供了長期的防污效果，而且避免了有毒殺生物劑的使用，突出了CeO2/g-C3N4作為一種有前途的環保材料用于海洋保護應用。
3 結論
總之，本研究通過將壓電性g-C3N4與氧化還原活性CeO2集成，開發了一種仿生自供電壓電酶，實現了用于海洋防污的原位H2O2供應級聯反應。g-C3N4組分通過壓電催化氧還原，將普遍存在的低頻機械刺激（如海浪）高效轉化為H2O2，而具有HPO和POD雙模擬活性的CeO2隨后將H2O2轉化為高活性物種（•OH和HOBr），以實現有效的細菌抑制。這種自供電抗菌途徑有效克服了天然海水中H2O2的稀缺性，且無需任何外部化學輸入。實驗室抗菌測試顯示對革蘭氏陰性和革蘭氏陽性細菌的滅活率均>99.99%，而180天的海洋現場試驗證實生物污損覆蓋率低于5%，突顯了該涂層優異的耐久性和實際適用性。除了海洋保護，本文提出的機械激活級聯納米酶概念為設計用于能源有限或光照不足環境的可持續催化系統開辟了新途徑。
4 實驗部分
（略）
