第一作者：Lu Peng、Haojie Zhu
通讯作者：胡洪营/杨诚/吴乾元
通讯单位：清华大学
研究速览：
清华大学胡洪营/杨诚/吴乾元团队在Nature Communications上发表了纳米尖端上细菌的水动力撕裂，实现可持续水消毒的文章。水消毒通常通过氧化或辐照来实现，这通常与高碳足迹和有毒副产物的形成有关。在这里，研究人员描述了一种纳米结构材料，它通过流体动力学机制非常有效地杀死水中的细菌。该材料由生长在泡沫铜基板上的碳涂层、锋利的 Cu（OH）2 纳米线组成。研究表明，温和的水流（例如从储水箱驱动）可以通过纳米尖端表面和细胞包膜之间的高分散力有效地撕裂细菌。细菌细胞破裂是由于细胞包膜撕裂而不是碰撞。这种机制使水中的细菌快速失活，并在 30 天的现场测试中实现了完全消毒。该方法利用流体能，不需要额外的能源供应，从而提供了一种高效且低成本的系统，有可能被纳入废水设施和农村社区的水处理过程中。
要点分析
研究内容：作者使用带有纳米针尖的接触表面，增加了水流传递到细胞包膜的应力。凭借这种独特的结构，作者展示了一种流体动力学杀菌机制，该机制将温和的流体能和 Lon don 分散力耦合在纳米尖端表面和细胞环境之间，导致水流中的非戏剧性杀菌作用。作者确认水动力学和分散力产生的应力向细胞外侧，并克服了细菌的穿刺阻力。使用这种方法，灭活了水中 >99.9999% 的细菌，并在 30 天的数据测试中实现了连续机械消毒，展示了利用环境机械能消灭病原菌的潜力。
图文导读
图 1 |流体动力学杀菌机制的一般原理. a、b 细菌与纳米结构表面之间的相互作用具有弱伦敦分散相互作用的流体环境.水流促使细菌细胞与纳米结构发生碰撞，细菌只遇到弹性细胞变形。c， d 细菌与纳米结构表面之间强大的分散相互作用使细胞能够被水流捕获和撕裂。a-d 由 Photoshop CC 2022 生成。e 初始和最终ε单位：在 100 ns MD 模拟期间，POPE 脂质双层与不同孔深 （ε） 值的材料相互作用的 kJ mol-1 构型。材料以绿色珠子显示，膜中的脂质以内联方式显示。被测材料与膜之间的相互作用能 （f） 和质心 （COM） 距离 （g） 随时间变化。
图 2 |杀菌性能分析. c 改性 NWs 的 AC-BF-STEM 和 AC-HAADF-STEM 图像及相应的元素图。d Cu(OH)2 NWs 和改性 NWs 的拉曼光谱。f 改性 NWs、Cu(OH)2 NWs 和改性泡沫铜的杀菌性能。g 细胞培养板显示初始水样和处理过的水样中大肠杆菌的浓度。h 初始水样和处理过的水样中大肠杆菌的荧光显微镜图像（活细胞被染成绿色，死细胞被染成红色）。显示初始大肠杆菌（i）和经修饰的 NW 处理的大肠杆菌（j）形态的扫描电镜图像。插图为放大后的单个大肠杆菌。TEM 图像显示了初始大肠杆菌（k）和经修饰的 NWs 处理的大肠杆菌（l）的超微结构。o 比较修饰的 NWs 的杀菌效率和类似的机械杀菌活性。使用 SEM 或 TEM（a-c，i-n）独立重复观察三次，结果相似。
图 3 |流体动力学杀菌作用导致细胞破裂. a 利用原子力显微镜获得的典型大肠杆菌穿刺曲线。插图显示了使用 Sneddon 模型对压痕早期数据的拟合。b AFM 针尖细胞穿透过程的有限元模拟。细菌和纳米尖端之间的应力分布图。末端接触（e）和中间接触（f）碰撞过程中细胞膜的应力分布图。末端接触（g）和中间接触（h）撕裂过程中细胞膜的应力分布图。各接触形式产生的最大应力用红色表示，并与临界应力（0.05MPa）进行比较。
图 4 | 实际消毒应用. a 实际水消毒的流体动力杀菌机制示意图（由 Photoshop CC2022 制作）。b 使用三种代表性细菌（包括革兰氏阴性大肠杆菌、绿脓杆菌和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌）在可见光下进行 24 小时的细菌储存实验。带空心圆圈的线条表示未经处理的细菌，带实心圆圈的线条表示处理后的细菌。c 实际水样（包括自来水和再生水）中的消毒。插图显示了模型直流式消毒设备的光学图像。e 未改性和改性 ZnO 纳米棒、Co、Mn-LDH 纳米针和钛酸纳米线的杀菌性能。数据以平均值±SD 表示，（b、c、e）为 n=3 个独立实验，（d）为 n=3 个独立测量。
结论
这项研究中，作者证明了流体动力学-杀菌机制，该机制耦合了温和的流体能和纳米尖端表面和细胞包膜之间的伦敦分散相互作用，导致水中细菌的灭活。尽管该方法的适用性在不同的纳米尖端表面上得到了验证，但未完全确定纳米结构几何形状对细菌破裂的影响，因为无法确保通过化学方法获得的形成的纳米尖端结构在几何上完全相同。对几何参数影响的深入研究需要精确控制的纳米制造。作者相信，反应离子刻蚀或深紫外光刻等纳米制造技术的进步可能有助于在未来提供更精确的纳米结构几何形状分析。本方法对革兰氏阳性金黄色葡萄球菌有效，但根据消毒后细菌的形态，观察到大肠杆菌比金黄色葡萄球菌更强。细菌种类的影响是一个复杂的问题。例如，细菌形状的差异（例如杆状或球菌）会影响与纳米针头相互作用时的应力分布曲线56。此外，细胞包膜组成不仅控制细胞刚度，还影响细菌和纳米针尖之间的伦敦分散相互作用水平。应结合上述问题进行深入研究，为设计更可靠的消毒装置提供指导。此外，该方法对病毒、真菌和原生动物等其他类型的水传播病原体的有效性最强。由于病毒具有体积小得多的非细胞结构，因此当前系统对病毒灭活存在潜在限制。因此，纳米针尖几何形状的微调对于生产与病毒大小相当的纳米针尖非常重要。本研究首次报告了一种利用透明能量消灭病原菌的方法，这为开发无化学品消毒技术以应对环境和医疗保健方面的全球挑战提供了启示。只需将水流过设备，即可实现 >99.9999% 细菌的出色灭活。也就是说，除了纳米尖端表面外，受污染水的流动是实现消毒的唯一要求，从而避免了有毒化学副产物和额外的能源输入。因此，饮用水、市政供水和废水处理设施以及生活在农村地区的社区都可以从这种获得安全和清洁水的方法中受益。它还可能为未来其他领域的病原控制发展提供启示。
全文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-41490-5
参考文献：Peng, L., Zhu, H., Wang, H. et al. Hydrodynamic tearing of bacteria on nanotips for sustainable water disinfection. Nat Commun 14, 5734 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-41490-5
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