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氧化石墨烯（GO）是当前大规模生产且广泛商业化的石墨烯材料之一。GO具有优越的机械强度、导电性和抗菌性，这使得GO及其衍生物在水净化、生物医学工程等领域具有广阔的应用前景。GO通过直接物理损伤和活性氧 (ROS) 介导的氧化应激，使其具有较强的抗菌性并能有效抑制生物膜的形成，从而提高GO改性表面的抗生物污染能力。然而，细菌与GO之间的直接接触是GO抗菌活性的先决条件，但当前缺乏对GO表面细菌沉积动力学的实时定量分析，导致不同研究者得出的结果相互矛盾。因此，揭示相关环境条件下GO表面细菌动态粘附过程，对于深刻理解细菌与GO的微观作用机制至关重要。

华中农业大学蔡鹏教授课题组探究了不同离子强度溶液条件下铜绿假单胞菌PAO1在氧化石墨烯表面的动态粘附过程，揭示了溶液离子强度对细菌在GO表面粘附动态过程影响的微观机制。该工作以“Ionic Strength-Dependent Attachment of Pseudomonas aeruginosa PAO1 on Graphene Oxide Surfaces”为题，于2022年11月15日在线发表在环境领域著名期刊Environmental Science & Technology。华中农业大学资源与环境学院景新新博士为第一作者，吴一超副教授、蔡鹏教授为共同通讯作者。

在该项研究中，研究人员利用耗散型石英晶体微天平（QCM-D）实时动态监测铜绿假单胞菌PAO1在GO表面的粘附过程。根据频率（Δf）和耗散（ΔD）的变化，可以将中等离子强度下（45-400 mM）细菌在GO表面的吸附过程分为两个阶段：即前期粘弹性吸附阶段和后期刚性吸附阶段。与中等离子强度条件不同，在1mM和600 mM离子强度下细菌在GO表面的吸附过程始终表现为刚性吸附。

图1 不同离子强度下铜绿假单胞菌PAO1在GO表面粘附过程中QCM-D频率和耗散随时间的变化

激光共聚焦显微镜（CLSM）结果显示，细菌在GO表面吸附9.5小时后，GO表面的细胞密度随着离子强度的增加而增加，并在200 mM和400 mM离子强度下达到最大值（图2）；当离子强度为600 mM时，GO表面的细胞密度显著低于200 mM和400 mM离子强度下的细胞密度（图2）。

图2 不同离子强度下QCM-D吸附实验9.5小时后GO表面铜绿假单胞菌PAO1的CLSM图像（A-F），以及GO表面细胞密度的统计结果（G）

表1 不同离子强度下铜绿假单胞菌PAO1与GO表面相互作用的特征参数a

a 括号中的数值表示95%的置信区间；b d为实验值和预测值之间的偏差

       为了进一步表征细菌与GO表面的相互作用，利用QCM-D定量模型对细胞吸附9.5小时记录的Δf和ΔD进行拟合，得到细菌与GO表面相互作用的接触弹性（????）、阻尼系数（ξc）、细胞密度（????）和接触半径（????）。模型拟合结果显示，在200 mM和400 mM离子强度下，细菌在GO表面的吸附表现出最高????和????（表1），表明细菌与GO表面之间有较强的相互作用。GO表面细胞密度与????呈正相关（P<0.05）（图3），表明较大????促进了细菌在GO表面的粘附。

图3 不同离子强度下细胞密度与细胞接触半径的相关关系

为了进一步探究细菌与GO表面相互作用的分子机制，研究者利用原子力显微镜（AFM）分析了细菌与GO表面相互作用时的粘附力和粘附能。结果显示，当离子强度为1 - 200 mM时，细菌与GO表面之间的相互作用力（F）随离子强度的增加而显著增加；当离子强度高于200 mM时，F保持不变（图4A）。力曲线的断裂距离（LR）随离子强度呈现先增加后降低的趋势，在100 mM时达到最大（图4B）。在600 mM离子强度下，较短的断裂距离导致粘附能显著降低（图4C），表明细胞表面大分子聚合物在细菌粘附中起着关键作用。

研究者将 AFM 进针力曲线拟合到空间作用力模型中，发现细菌表面聚合物层的平均厚度随着离子强度的增加而降低（图4D），而接枝密度呈现相反的趋势（图4E）。细菌表面聚合物层的塌陷使得细胞表面聚合物桥接的结合位点减少，进而导致600 mM离子强度下具有较短的断裂距离（图4B）。

图4铜绿假单胞菌PAO1与GO表面相互作用的平均粘附力（A），平均断裂距离（B）和平均粘附能（C）。铜绿假单胞菌PAO1细胞表面大分子聚合物厚度（D）和接枝密度（E）箱线图

研究者还进一步分析了XDLVO相互作用以及聚合物空间作用对细菌在GO表面吸附的影响（图 5）。结果表明，在低离子强度下（1-100 mM），较强的静电斥力和空间斥力抑制了细菌与 GO 的相互作用；而在高离子强度下（600 mM），细胞表面聚合物层的塌陷导致聚合物桥接作用减弱，进而减少了细菌在GO表面的粘附。

图5 不同离子强度下铜绿假单胞菌PAO1与GO相互作用能谱图：（A）XDLVO作用能，（B）空间斥力能，（C）总相互作用能

总结：该研究综合运用了QCM-D和AFM等微生物界面研究技术，结合XDLVO理论，揭示了溶液离子强度对GO表面细菌粘附的影响机制。该项研究表明，GO表面的细菌粘附是由XDLVO作用和空间作用介导的，并且二者都高度依赖于溶液离子强度。研究结果为GO表面防污性能的优化提供了科学依据。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.1c08672

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