论文标题：Application of nanozymes in problematic biofilm control: progress, challenges and prospects
期刊：Frontiers of Environmental Science & Engineering
作者：Junzheng Zhang, Tong Dou, Yun Shen, Wenrui Wang, Luokai Wang, Xuanhao Wu, Meng Zhang, Dongsheng Wang, Pingfeng Yu
发表时间：15 Nov 2024
DOI：10.1007/s11783-024-1896-0
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近日，浙江大学王东升教授与俞萍锋研究员团队在Frontiers of Environmental Science & Engineering期刊第18卷第11期上发表了题为“Application of nanozymes in problematic biofilm control: progress, challenges and prospects”的综述论文。
本文综述了纳米酶在控制生物膜方面的应用，探讨了其作为抗生物膜剂在现实场景中面临的挑战，并提出了克服这些挑战的策略。纳米酶可以通过多种策略破坏生物膜的结构，有望成为控制生物膜的有效且可持续的方法，值得进一步关注和研究。未来研究应通过机器学习辅助等方式，理性设计更高效的纳米酶，以将其应用到实际场景中。
生物膜是由被胞外聚合物（EPS）基质包裹的微生物聚集体，在水处理和回用系统中，因其代谢优势和对环境条件的适应能力而成为主要的微生物形式以及污染物的重要载体，促进了微生物耐药性的环境富集与扩散发展，对公众健康构成严重威胁。因此，在水处理和回用系统中，生物膜的控制成为一项极具挑战性的任务，亟待开发有效且可持续的生物膜控制策略。
作为具有生物催化活性和广谱抗菌能力的纳米材料，纳米酶结合了天然酶和纳米材料优势，为解决水处理和回用系统中生物膜的挑战提供了新思路。其能够模仿天然酶的功能，催化氧化、水解等，从而有效地破坏和去除生物膜。最重要的是，纳米酶易于制备和修饰，可以根据不同的应用需求进行设计。
图1 纳米酶发展的里程碑式研究
纳米酶通过多种策略有效地控制生物膜。首先，有氧化酶/过氧化物酶活性的纳米酶可以直接失活生物膜中的微生物主体，从而根除整个生物膜。其次，具有水解酶活性的纳米酶可以水解细胞外聚合物，例如eDNA和多糖，从而破坏生物膜的完整性。最后，纳米酶可以淬灭群体感应信号分子，从而干扰微生物之间的通讯，抑制生物膜的形成。
图2 纳米酶控制生物膜的机制
尽管纳米酶在生物膜控制方面具有巨大的潜力，但它们也面临着一些挑战。纳米酶的设计通常依赖于经验方法和试错，这限制了纳米酶的效率和实际场景中的选择性。因此，需要更高效的方法辅助纳米酶的设计。值得注意的是，作为一种新兴的生物材料，纳米酶潜在的环境风险需要进行评估，以确保其在实际应用中的安全性和环境友好性。
机器学习是一种很有前景的工具，未来可用于辅助纳米酶的设计。利用机器学习和其他人工智能方法，可以阐明材料结构和活性之间关系，有助于预测不同的纳米酶类型，识别具有优异催化功能的纳米酶。
综上所述，纳米酶有望成为控制生物膜的有效且可持续的方法，通过对生物膜微观机制的深刻理解，我们可以合理设计纳米酶的结构和活性，使我们能够从多个角度预防、抑制和去除的水处理与回用中的生物膜问题。
文稿 | 张峻铮，浙江大学
编校 | 高岳
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本文内容来自FESE期刊2024年第18卷第11期发表的研究文章 “Application of nanozymes in problematic biofilm control: progress, challenges and prospects”。通讯作者为浙江大学的王东升教授和俞萍锋研究员。
引用格式：Junzheng Zhang, Tong Dou, Yun Shen, Wenrui Wang, Luokai Wang, Xuanhao Wu, Meng Zhang, Dongsheng Wang, Pingfeng Yu. Application of nanozymes in problematic biofilm control: progress, challenges and prospects. Front. Environ. Sci. Eng., 2024, 18(11): 136 http://doi.org/10.1007/s11783-024-1896-0
期刊简介
Frontiers of Environmental Science & Engineering是由高等教育出版社、明升官网工程院和清华大学共同主办的环境领域综合学术期刊，聚焦环境领域前沿问题与研究成果，重点关注开创性、跨学科的研究，致力于打造具有国际影响力的高水平学术交流平台，是明升官网工程院院刊系列期刊、明升官网科技期刊卓越行动计划重点期刊。
主编：曲久辉院士，John Crittenden院士
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