近日，中國科學院成都生物研究所研究員李東團隊揭示了石墨烯從“抗菌劑”到“代謝調節劑”的雙重身份。研究結果挑戰了學界對石墨烯材料以抗菌性為主的傳統認知，揭示了其在生物相容濃度下作為“代謝調節劑”的巨大潛力。該成果發表于《化學工程雜志》。
有機廢水的生物處理是實現污染物去除和資源回收的可持續途徑。將廢水中的有機物通過厭氧發酵轉化為中鏈脂肪酸（MCFAs），尤其是高價值的己酸（C6），是一條極具前景的資源化路徑。然而，當前工業規模的MCFAs發酵仍面臨生產效率低、電子傳遞效率不足和碳源利用不充分等瓶頸，限制了其經濟可行性和大規模應用。
基于此，研究團隊以乳酸為底物，采用多尺度分析方法，系統研究了石墨烯納米片對厭氧微生物鏈延長過程的影響，旨在揭示石墨烯在生物發酵系統中的濃度依賴性效應及其調控微生物代謝的分子機制。
研究結果表明，石墨烯納米材料對微生物代謝表現出顯著的濃度依賴性雙重調控效應。在環境兼容的低濃度（50 mg/L）下，石墨烯通過有利的納米-生物界面相互作用，使微生物生物量顯著增加了4.5倍，并將己酸的日產量提升了42.8%。
機制研究發現，在最佳濃度下，石墨烯既能作為“生物導電支架”促進生物膜的形成，又能充當“電子梭”，增強微生物間的電子傳遞效率，并通過改善微生物代謝提升細胞內ATP水平。
此外，高濃度（125 mg/L）的石墨烯則會破壞微生物群落平衡，干擾生物膜的形成，并將碳流重新導向價值較低的代謝物（如丙酸和甲烷），對己酸合成產生抑制作用。轉錄組學分析進一步揭示，石墨烯通過上調脂肪酸合成、直接種間電子傳遞（DIET）、群體感應和能量代謝等相關基因，實現了對微生物代謝的重編程。
本研究深化了對納米-生物界面相互作用及其在可持續水處理技術中應用的理解，為開發石墨烯增強的微生物發酵系統、通過精準調控納米-生物相互作用來優化己酸生產提供了重要的科學依據和理論基礎。
相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.170190
本文鏈接：不只是“抗菌劑” 石墨烯的雙重角色被揭示http://www.sq15.cn/show-11-28691-0.html
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