摘要：纤维素是地球上含量最广的天然高分子，在植物细胞壁中广泛存在，构成了木材、竹材、棉花等材料的主要成分。这类材料在日常使用过程中易受真菌侵害而发生腐朽、霉变等现象。商业杀菌剂往往含重金属等有毒有害物质，对人类健康和环境构成重大风险。因此，开发用于纤维素类材料的环保

纤维素是地球上含量最广的天然高分子，在植物细胞壁中广泛存在，构成了木材、竹材、棉花等材料的主要成分。这类材料在日常使用过程中易受真菌侵害而发生腐朽、霉变等现象。商业杀菌剂往往含重金属等有毒有害物质，对人类健康和环境构成重大风险。因此，开发用于纤维素类材料的环保、无毒、经济高效的抗真菌剂是一项紧迫但尚未解决的挑战。

日前，北京林业大学曹金珍教授团队创新性地开发了零维碳基纳米材料——碳量子点（Carbon Quantum Dots, CQDs）作为纤维素类材料的抗真菌剂。该研究设计并制备了具有优异抗真菌性能的杂元素掺杂CQDs，阐明了其结构与抗真菌性能之间的构效关系，并系统揭示了CQDs提升纤维素类材料耐腐性的作用机制（图1 ）。相关成果以“Antifungal Performance and Mechanisms of Carbon Quantum Dots in Cellulosic Materials”为题，发表在国际权威期刊《ACS Nano》上。论文由北京林业大学曹金珍教授担任通讯作者，博士研究生赵晓琪为第一作者。该研究获得国家重点研发计划项目（2023YFD2200502）的资助。

图1. CQDs在纤维素类材料上的抗真菌作用机制示意图

CQDs的制备、性能调控与构效关系

该研究以柠檬酸和尿素分别作为碳源和氮源，采用微波辅助策略一步法制备氮掺杂CQDs。通过改变碳源和氮源的比例调控CQDs的结构和表面官能团，从而获得具有优异抗真菌性能的CQDs，在浓度为360 ppm时可完全抑制两种腐朽真菌（褐腐菌-Postia placenta，白腐菌-Trametes versicolor）的生长（图2 ）。通过比较不同CQDs的结构特征，发现随着N元素掺杂量的提高，CQDs具有更丰富的官能团和表面缺陷，其内核的石墨烯片层数增加，平面尺寸减小，晶核间距增大（图3 ）。这一特殊结构赋予CQDs表面正电荷特性并显著提高其活性氧（ROS）量子产率，从而有利于抑制真菌活性。

图2. CQDs的抗真菌性能

图3. CQDs的结构

CQDs的抗真菌机制

研究进一步从真菌形态学、代谢组学等多个角度综合解译CQDs的抗真菌机制。通过生物扫描电镜、透射电镜等观察发现，带正电荷的纳米尺度CQDs可通过静电相互作用粘附于真菌细胞壁，进而穿透细胞膜破坏真菌的生理代谢过程，抑制生物膜形成并引发细胞质泄漏（图4 ）。通过定量分析真菌在CQDs作用下的多种相关酶活性（图5 ）发现，CQDs处理可显著降低真菌分泌的纤维素酶（包括内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶）和半纤维素酶的酶活性，从而抑制纤维素类材料的酶降解。采用近红外化学成像（NIR-CI）研究CQDs在光照下产生的特征ROS对真菌细胞膜组分的氧化损伤特征（图6 ），结果进一步揭示ROS可氧化细胞壁/膜上的多糖、蛋白质及脂质，同时干扰核酸合成，从而破坏能量代谢系统。多组学技术分析证实，经CQDs处理后真菌细胞壁组分合成相关基因表达显著下调（图7 ）。

图4. 利用生物扫描电镜、透射电镜以及激光共聚焦显微镜技术分析CQDs对真菌菌丝形态的影响

图5. 通过测定真菌在CQDs作用下的内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和半纤维素酶的酶活性，从酶降解途径解译其抗真菌机制

图6. 通过近红外化学成像分析CQDs在光照下产生的特征ROS对真菌细胞膜组分的氧化损伤特征

图7. 通过转录组分析真菌细胞在受CQDs影响后的基因表达变化

总结：本研究通过精准调控氮掺杂CQDs的尿素/柠檬酸前驱体的比例，优化其氮掺杂含量与表面官能团（如氨基、羧基），显著提升CQDs正电性与ROS的生成效率，对褐腐菌（Postia placenta）和白腐菌（Trametes versicolor）的菌丝生长实现完全抑制，并有效保护木材、竹材、纸张及棉织物等纤维素类材料。研究同时从酶降解和非酶降解途径系统解译了其抗腐朽真菌作用机制。该研究创新开发了基于新型碳基纳米材料—CQDs的抗菌剂用于纤维素类材料保护领域，系统解析了CQDs抗真菌的多维度机制，为开发绿色、高效、广谱抗真菌剂提供了全新策略，实现了纤维素类材料抗真菌这一研究领域的技术和理论突破。

原文链接：

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！

来源：高分子科学前沿一点号1