新研究表明矿物纳米颗粒是地球系统中无处不在的酶模拟物

在全球范围内，地球系统每年有数千个地球仪 (Tg) (1 Tg = 10 12 g) 矿物纳米粒子在地球上移动。这些矿物纳米颗粒无处不在地分布在大气、海洋、水体、土壤中，在大多数生物体内和/或表面，甚至在蛋白质(如铁蛋白)中。在自然环境中，矿物纳米酶可以通过两种途径产生：“自上而下”和“自下而上”过程。具体而言，散装材料的风化或人为促进的分解可以直接产生纳米材料(自上而下的过程)，或者纳米材料可以通过结晶、反应或生物作用(自下而上的过程)从前体中生长。

这些矿物纳米粒子可以拥有多种类似酶的特性，例如氧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶和超氧化物歧化酶，具体取决于当地环境。含铁矿物，例如水铁矿、赤铁矿和磁铁矿，在地球系统中无处不在，并具有类似过氧化物酶的活性。在这些铁(羟基)氧化物中，水铁矿表现出最高的过氧化物酶样活性，因为其粒径最小，比表面积最大。由于亚铁的存在，磁铁矿具有相当高的过氧化物酶样活性。

与天然酶相比，矿物纳米酶具有多种优势，例如成本低、稳定性更高、催化活性可持续以及对恶劣环境的鲁棒性。矿物纳米酶由于具有较大的比表面积、高表面原子比、宽带隙和强催化活性，在生态系统元素的生物地球化学循环中起着至关重要的作用。

真菌和细菌分别为全球生物量贡献了大约 70 Gt 碳(C)(1 Gt = 10 9 t)和 120 Gt C。鉴于真菌菌丝可以在根际等环境中的土壤 kg -1中累积延伸数百公里(即 200-800 km kg -1)并且超过 94% 的陆地植物和真菌形成共生关系，矿物纳米酶可能在微生物-矿物共同进化、地球表面系统的养分循环、矿物碳固存和缓解全球气候变化方面具有重要意义。

在地球系统中，分类学和功能多样的微生物是超氧化物 (O 2 - ) 或过氧化氢 (H 2 O 2 )。这些矿物纳米酶可以调节活性氧 (ROS) 的水平，包括 H 2 O 2、O 2 -和羟基自由基 (HO + )。通过产生强氧化性 H2O +，矿物纳米酶与微生物之间的相互作用可能在驱动元素的生物地球化学循环中发挥重要作用(图 2)。

“所有关于矿物纳米酶的研究仍处于实验室阶段，还不是实地研究，”天津市天津大学地球系统科学学院的科学家于广辉说。

“矿物纳米酶的催化活性主要由矿物表面的氧空位(OVs)决定”，研究人员在一篇题为“真菌纳米相颗粒催化铁转化以去除氧化应力和铁获取”的文章中写道。

“这些氧空位通常被矿物表面的羟基占据，”他们解释说。

由于矿物纳米酶可以催化 H 2 O 2产生高氧化性的HO +，因此被广泛应用于环境修复领域。与天然酶相比，矿物纳米酶可以在更宽的pH范围内降解有机污染物。例如，通过降解 H 2 O 2，Fe 3 O 4纳米颗粒可以在 3.0 至 9.0 的 pH 范围内有效去除罗丹明 B (RhB)。

两位研究人员写道：“矿物纳米酶对环境中微生物群落的影响仍不清楚，”这两位研究人员写道，“矿物纳米酶的发现可能揭示了一种以前未知的微生物-矿物协同进化的反馈途径，这可能会揭示许多长期的——长期存在的问题，例如通过调节 ROS 水平来了解生命的起源和进化。”

两位学者同样在发表在《地球科学》杂志上的研究中透露，纳米材料作为新型酶模拟物的发现改变了纳米材料在地球系统中具有化学惰性的传统观念。鉴于地球系统中矿物纳米粒子的地形图 (Tg) 水平丰度，从统计学上讲，其中一些，特别是那些生物来源的矿物纳米酶，在催化超氧化物和 H 的过程中表现得像矿物纳米酶 2 O 2并促进生物地球化学循环的氧和其他元素。

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