科学研究

郭东毅:还原态含铁蒙脱石—伊利石矿物杀菌机理的研究【ES&T,2021】
2021-12-31 阅读:12238

传统抗生素的滥用导致细菌的耐药性不断增强与全球流行,引发医学界对于现存抗生素有效性的担忧,开发新型杀菌药物迫在眉睫。粘土矿物因其独特的物理化学性质与表面反应活性而受到关注。粘土矿物具有广谱的杀菌能力,其杀菌能力与粘土矿物溶出的金属离子以及产生的活性氧基团相关。天然粘土混合物中的蒙脱石—伊利石等含铁矿物组分是使得混合物具有杀菌作用的主要成分。课题组前期的研究成果指出了富铁粘土矿物绿脱石与壳聚糖插层的绿脱石能够在近中性条件下发生氧化产生·OH,从而杀死细菌。但除了还原态绿脱石以外,蒙脱石—伊利石单矿物的杀菌能力与机理尚未得到系统的研究。同时,蒙脱石—伊利石系列粘土矿物虽均有2:1型层状结构,但铁含量、层膨胀性和比表面积差异较大。相对于蒙脱石和伊利石端元矿物,该矿物族还普遍存在蒙脱石—伊利石单元层互相叠置所形成的混层矿物。而这些粘土矿物的杀菌能力与机理,以及杀菌效率和层膨胀性之间的关系还尚未被研究。

针对上述问题,我校地球科学与资源学院的硕士研究生郭东毅与博士研究生夏庆银在董海良教授的指导下,在蒙脱石—伊利石矿物系列中选取了中五种代表性粘土矿物,探究还原态蒙脱石—伊利石对大肠杆菌的杀菌机理。通过系统的研究分析,取得如下创新性成果:

1)在有氧条件下,还原态蒙脱石—伊利石粘土矿物可以产生强氧化性物质·OH与弱氧化性物质Fe(IV)(图1)。其中伴随累托石、蒙脱石与绿脱石Fe(II)氧化产生的·OH处于相似水平,但累托石体系中Fe(IV)的产量是蒙脱石与绿脱石体系中的3-4倍。

2)该族矿物的杀菌能力表现为累托石>蒙脱石≥绿脱石>>伊利石≥混层rISCz-1,而·OH仍是粘土矿物导致细菌死亡的重要因素。但与前期研究工作不同的是,还原态累托石具有与其他粘土矿物不同的杀菌机理(图2)。还原态累托石高效的杀菌能力是由矿物结构Fe(II)与吸附态Fe2+氧化所产生的·OH、以及溶液中溶解Fe2+氧化产生的Fe(IV)所共同贡献的。

3)该系列粘土矿物氧化性物质的产生效率和杀菌能力与矿物中蒙脱石的比例呈现正相关,表明该族粘土的杀菌能力与产生氧化性物质的能力取决于粘土的可膨胀性(产生氧化性物质的活性位点)。另外,生成的·OH主要位于粘土矿物表面,对细菌的氧化作用受限于粘土矿物与大肠杆菌之间的排斥作用,但对溶液中生成的Fe(IV)的影响较小。

本研究系统的揭示了含铁蒙脱石—伊利石族矿物的杀菌机理与影响杀菌过程的主要因素,突出了弱氧化性物质Fe(IV)在还原态累托石杀菌过程中的重要性,拓宽了粘土矿物医药应用的领域,对于开发基于含铁粘土矿物的新型杀菌药物具有重要的指示意义。

 

图1 伴随还原态蒙脱石—伊利石矿物Fe(II)氧化产生的多种氧化性物质

 

图2 还原态蒙脱石—伊利石矿物的杀菌机理模式图

 

上述研究成果发表在环境科学与工程领域国际权威刊物《Environmental Science & Technology》上:Dongyi Guo, Qingyin Xia, Qiang Zeng, Xi Wang, and Hailiang Dong. Environmental Science & Technology. 2021 55 (22), 15256-15265 [IF2020=9.028]

全文链接:https://doi.org/10.1021/acs.est.1c04367