仿生复合纳米酶的设计、构筑与海洋防污分子机制研究

Marine biofouling is one of the important problems facing the marine engineering materials in practical application and thus it is significant to develop novel and efficient antifouling technology. Enzyme antifouling technology is an important development direction of environmentally friendly antifouling technologies. However, natural enzyme is expensive, easy to inactivate, and sensitive to environment. Aiming at this problem, natural enzyme has been replaced by stable, efficient, and environmentally friendly nanomaterials that can mimic the natural enzyme activity in this project. Two kinds of nanozymes with vanadium haloperoxidase-like and oxidase-like activities will be synthesized and their surface properties will be tailored, clearing the structure-activity relationship. In addition, catalytic antifouling activities and marine environmental adaptability of bioinspired composite nanozymes will be enhanced and improved through nanocomposition. The influence mechanism of surface properties and chemical composition of bioinspired composite nanozymes on catalytic antifouling activities and marine environmental adaptability will be investigated. What's more, combined with molecular biology and material science techniques, the mechanism of catalytic reaction to the metabolic process of marine biofouling microorganism will be indicated at the molecular level. Bioinspired composite nanozymes are used in the field of marine antifouling for the first time in this project that embodies the great feature of its multi-discipline, embracing marine chemistry, marine biology, and materials in one building. This study will has a great significance and scientific value in deeply understanding the molecular mechanism between bioinspired composite nanozyme based catalytic technology and marine fouling microorganism. It will also provide a theoretical support and guidance for the development of marine environmentally friendly antifouling materials.

生物污损是海洋工程材料在服役过程中面临的重要问题之一，开发新型高效的防污技术具有重要意义。酶防污技术是环境友好型防污技术的重要发展方向之一，但是所用天然酶有价格昂贵、易失活和使用环境苛刻的缺点。针对这个问题，本项目以稳定、高效和环保的纳米材料模拟酶替代天然酶，选择具有钒卤代过氧化物酶和氧化酶样活性的纳米酶，调控其表面性质，明确构效关系；通过纳米复合增强催化防污活性，提高海洋环境适应性，明确仿生复合纳米酶表面性质和化学组成对于催化防污活性和海洋环境适应性的影响机制；结合材料学、分子生物学等研究手段，从分子水平揭示催化反应产物对污损微生物附着、生长、代谢过程的作用机制。本项目首次将仿生复合纳米酶应用于海洋防污领域，是集海洋化学、海洋生物学和材料学为一体的研究，对于深入理解仿生复合纳米酶催化技术与污损生物间作用的分子机制，为环境友好防污材料开发提供理论指导，具有重要的科学意义和潜在的实用价值。

复杂海洋环境下，海洋工程设施等的海生物附着始终是世界尚未真正解决的重大技术问题。随着人们环保观念的加强，以及国家可持续发展的需求，开发环境友好型防污技术势在必行。天然酶是一种极具潜力的绿色催化防污材料，但在海洋防污领域存在易失活、成本高等应用难点。针对这个问题，本项目基于影响纳米酶催化防污性能的基本要素，可控合成出具有不同表面性质的仿生纳米酶，明确了纳米酶表面性质对催化性能的调控机制，实现了氧化物酶和过氧化物酶样活性纳米酶的纳米复合，阐明了仿生复合纳米酶表面性质和化学组成与防污性能之间的内在本质关系，在分子水平揭示了催化防污机制，获取具有良好海洋环境适应性的环境友好仿生复合纳米酶防污新材料，为开发新型、高效的纳米酶催化防污材料提供了理论依据。发表SCI论文16篇。新申请11件国家发明专利，已获授权3件。培养了3名博士研究生和2名硕士研究生。已完成各项预期指标。主要发现如下：.（1）发现Ni-V复合金属氧化物具有优异的模拟过氧化物酶催化性能，前体组成和焙烧温度对模拟酶催化性能有调控作用，催化催化机理为·OH机理，具有良好的模拟酶催化杀菌性能。.（2）通过可控硫化等多种控制合成手段合成了系列双功能复合纳米酶材料，实现了无H2O2高效杀菌，催化杀菌机理为·O2-机理。.（3）发现Co-V复合金属氧化物具有过氧化物酶和氧化物酶双功能模拟酶催化性能，对底物的亲和力高于天然过氧化物酶，在中性和无H2O2条件下具有广谱杀菌活性，杀菌机理为ROS机理。.该研究的科学价值和意义在于：1）在材料层面基于材料复合理念设计合成出系列适配海洋环境的仿生复合纳米酶防污新材料；2）在理论层面明确了仿生复合纳米酶催化技术与污损生物间作用的分子机制；3）在应用层面用廉价过渡金属替代贵金属，借助材料复合克服团聚失活缺陷，具有低成本和长寿命的服役优势，也有力推动了模拟酶催化防污技术的实际应用。