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夏庆银：还原态、壳聚糖插层绿脱石的高效抗菌机理研究【EST，2020】
发布时间：2020-11-17 作者：[科学研究院]张帅 阅读：11次
由于近年来抗生素的不恰当使用乃至滥用，具耐药性的致病菌呈井喷式爆发，因此找寻其他类抗菌物质（亦即抗生素的替代物）迫在眉睫。前人研究表明，普遍存在于自然界中的混合粘土矿物在非中性pH条件下对绝大多数耐药性致病菌具有抑制作用。实验室早期研究工作(Wang et al., 2017)证实，还原态含铁粘土可以克服pH限制，在近中性条件下直接以结构态Fe(II)产生活性氧(ROS)对病原菌产生毒害作用。然而，普通还原态粘土和细菌表面都呈负电性，彼此之间的库伦排斥力会降低粘土表面产生ROS的作用效率，进而影响粘土的抗菌效果。
针对上述科学问题，我校地球科学与资源学院、“极端环境生物地球化学循环”求真研究群体研究生夏庆银和王曦在董海良教授指导下，将易于质子化的壳聚糖插入绿脱石层间，成功制备了表面带正电的壳聚糖插层绿脱石。利用这种表面带电性反转后的粘土材料进行杀菌实验，取得创新性认识如下：
1、相对于普通还原态绿脱石，壳聚糖插层绿脱石的抗菌活性更高、有效抗菌粘土浓度更低、适用pH范围更广、持续杀菌时间更长；
2、表面带正电的壳聚糖插层绿脱石和带负电的细菌在空间上紧密接触，促使粘土表面产生的ROS可以高效地作用于病原微生物，损伤细胞膜以增大其通透性，促进后续可溶性Fe2+涌入胞内，诱发Fenton反应，形成细胞内ROS累积，氧化DNA、蛋白质等生物大分子直至细菌死亡（图1）；
3、普通还原态绿脱石作用后的大肠杆菌(E.coli)，其细胞膜破裂和细胞内ROS/Fe分布都局限在细菌两端；然而，壳聚糖插层绿脱石因为与E.coli紧密结合，不再受细胞膜表面脂质分布的影响，在作用后的E.coli表面形成非选择性的细胞膜破裂，其细胞内ROS/Fe累积呈现出均匀、无定向分布（图1）。
该研究证实了改性粘土作为抗生素替代物用以杀死病原微生物的可行性与高效性，开拓了粘土医药应用新领域，为后续基于粘土的抗菌药物研发提供理论依据与技术支撑。
图1两种还原态含铁粘土作用下微生物(A)细胞膜破裂方式；(B)心磷脂分布模式；(C-D)胞内ROS的分布和相对含量；(E-F)胞内Fe的分布和相对含量；rNAu-2：普通还原态绿脱石；rC-NAu-2：还原态、壳聚糖插层绿脱石
图2当选为该期ES&T杂志Supplementary Cover封面
上述研究成果以Supplementary Cover封面形式（图2）发表在环境科学与工程领域国际顶级刊物《Environmental Science & Technology》：Xia Q., Wang X., Zeng Q., Guo D., Zhu Z., Chen H. and Dong H. Mechanisms of Enhanced Antibacterial Activity by Reduced Chitosan-intercalated Nontronite. Environmental Science & Technology, 2020, 54: 5207-5217. [IF2018=7.149].
