Повышенная стабильность и многоразовое использование метагеномной лакказы при иммобилизации на функционализированном мезопористом кремнезёме для удаления антибиотиков‑загрязнителей

Почему наличие остатков лекарств в воде важно

Антибиотики, такие как тетрациклин и доксициклин, широко применяются в больницах, клиниках и животноводческих хозяйствах. Значительная часть принятой дозы выводится из организма в неизменённом виде и попадает в сточные воды, реки и почву, где может вредить полезным микроорганизмам и способствовать появлению устойчивых к лекарствам бактерий. В этом исследовании рассматривается новый материал на основе ферментов, предназначенный для более эффективного удаления этих стойких антибиотиков из воды и рассчитанный на многократное использование — шаг в сторону более чистых и устойчивых систем очистки.

Природный очиститель получает поддержку

Лакказы — ферменты, синтезируемые микробами и грибами, действующие как мини‑окислительные «машины», способные разрушать множество сложных веществ. Однако в воде свободные молекулы лакказы хрупки: они теряют активность при высоких температурах, их трудно восстановить после использования, и они могут просто смываться. Исследователи работали с особенно прочной лакказой под названием PersiLac1, обнаруженной в метагеномных данных окружающей среды, а не в культивируемом микробе. Их цель заключалась в том, чтобы прочно прикрепить этот фермент к твёрдой матрице, чтобы им было легче управлять, чтобы он служил дольше и лучше подходил для очистки от антибиотиков.

Создание пористого каркаса для фермента

В качестве носителя лакказы команда выбрала SBA‑15 — тип кремнезёма с упорядоченной сетью узких каналов и очень большой внутренней площадью, напоминающей губку на наноуровне. Сначала они модифицировали поверхность этого материала имидазольными группами — небольшими органическими «крючками», помогающими образовывать прочные связи с белками — получив функционализированный носитель, названный Im@SBA‑15. При смешивании PersiLac1 с этой модифицированной формой кремнезёма фермент стал ковалентно прикреплённым, в результате чего образовался гибридный материал LAC@Im@SBA‑15. Микроскопические и спектроскопические исследования подтвердили, что базовая пористая структура SBA‑15 сохранилась, а органические группы и фермент успешно внедрены.

Улучшенная работоспособность в жёстких условиях

Иммобилизованная лакказа вела себя иначе, чем свободный фермент в растворе. Оба наилучшим образом функционировали при температуре около 50 °C и при pH 6, но связанная форма сохраняла большую часть активности при более высоких температурах и в более широком диапазоне pH. Испытания на выщелачивание показали, что всего около 10 % PersiLac1 вымывалось после нескольких часов при комнатной температуре и примерно 22 % после нагрева до 80 °C, что свидетельствует о прочном связывании с носителем. При обработке тетрациклином и доксициклином иммобилизованная форма удаляла заметно больше антибиотика за 24 часа, чем свободный фермент — примерно 54 % тетрациклина и 77 % доксициклина при концентрации 350 мг/л, типичной для сильно загрязнённых стоков.

Работа при высоком загрязнении и многократное использование

В реальных сточных водах уровень антибиотиков может быть значительно выше, чем в стандартных лабораторных тестах. Поэтому команда увеличила исходную концентрацию до 200–300 мг/л. В то время как свободная лакказа испытывала трудности по мере роста концентрации, иммобилизованный фермент сохранял или даже улучшал эффективность удаления, достигая примерно 44 % для обоих антибиотиков при 200 мг/л и показывая лучшую работу, чем свободная форма при наивысших проверенных уровнях. Не менее важно, что гибридный материал можно было собирать, промывать и использовать повторно. В течение десяти циклов обработки при более низких концентрациях антибиотиков (25 мг/л) он сохранял более 83 % первоначальной активности для доксициклина и 73 % для тетрациклина, что указывает на возможность многократной эксплуатации без постоянной замены фермента.

Перспективы и следующие шаги для чистой воды

Проще говоря, исследователи создали многоразовый «ферментный фильтр», который более стабилен и эффективен, чем тот же фермент в свободном состоянии в воде. Закрепив прочную метагеномную лакказу на тщательно разработанном пористом минеральном носителе, они добились значительного удаления двух широко используемых антибиотиков — даже при высоких концентрациях и в течение многих циклов использования. Работа проводилась в упрощённых тестовых растворах, поэтому следующим вызовом станет проверка эффективности этого материала в реальных сточных водах, где присутствуют многие другие вещества и где также нужно контролировать безопасность образующихся продуктов распада. Тем не менее гибридная платформа фермент–кремнезём представляет обнадёживающий шаг к более экологичным технологиям, помогающим удерживать наши водные системы свободными от остающихся после лечения лекарственных загрязнителей.

Цитирование: Ariaeenejad, S., Abedanzadeh, S. Enhanced stability and reusability of metagenomic laccase via immobilization on functionalized mesoporous silica for antibiotic contaminant removal. Sci Rep 16, 9933 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40065-w

Ключевые слова: загрязнение антибиотиками, иммобилизация ферментов, лакказа, очистка сточных вод, мезопористый кремнезём