通过固定化在功能化介孔二氧化硅上提高宏基因组来源漆酶的稳定性与可重复使用性以去除抗生素污染物

为什么水中的剩余药物很重要

四环素和多西环素等抗生素在医院、诊所和畜牧场中被广泛使用。每剂药物的大部分以未被改变的形式排出体外，最终进入污水、河流和土壤，可能损害有益微生物并促使耐药菌株的产生。本研究探索了一种新的基于酶的材料，旨在更高效地去除水中这些难降解的抗生素，并且可重复使用多次，指向更清洁、更可持续的处理系统。

一种天然净化剂获得帮助

漆酶是微生物和真菌产生的酶，像微小的氧化机器，能够分解许多复杂化合物。然而单独溶于水的漆酶分子较为脆弱：在高温下活性下降、使用后难以回收，且容易被冲走。研究人员使用了一种特别耐受的漆酶，命名为 PersiLac1，它是从环境DNA（宏基因组）调查中发现的，而非来自单一培养的微生物。研究目标是将该酶牢固地固定在固体载体上，使其更易操作、寿命更长，并更适合用于清除抗生素污染。

为酶构建多孔支架

为容纳漆酶，团队选择了SBA‑15，这是一种具有规则微通道网络和极大内表面积的二氧化硅，类似纳米尺度的海绵。他们首先在该材料表面引入咪唑基团——作为与蛋白质形成强键的小有机“挂钩”，由此得到功能化载体 Im@SBA‑15。当 PersiLac1 与这种改性二氧化硅混合时，酶通过共价键结合，形成一种称为 LAC@Im@SBA‑15 的新型杂化材料。显微镜和光谱学检测证实，SBA‑15 的基本孔结构得以保留，同时有机基团和酶已成功引入。

在恶劣条件下表现更强

固定化的漆酶与溶液中的游离酶表现不同。两者在约50 °C 和 pH 6 时活性最高，但固定化酶在更高温度和更宽 pH 范围内保留了更多活性。关于酶流失的测试（称为淋洗）显示，在室温下数小时后约只有10%的 PersiLac1 被洗脱，而在加热至80 °C 后约22%被洗脱，表明与载体结合紧密。在四环素和多西环素的降解实验中，固定化酶在24小时内去除的抗生素明显多于游离酶——在350 mg/L（典型高度污染废物流浓度）时，去除约54%的四环素和77%的多西环素。

应对更高污染并实现重复使用

真实污水中的抗生素浓度可能比标准实验室测试高得多。团队因此将起始浓度提高到200–300 mg/L。随着浓度升高，游离漆酶的性能下降，而固定化酶则维持甚至提高了其去除效率，在200 mg/L 时两种抗生素的去除率均约为44%，并且在测试的最高浓度下表现优于游离酶。同样重要的是，该杂化材料可以被回收、清洗并重复使用。在较低抗生素水平（25 mg/L）下经过十个处理循环后，对多西环素仍保留超过83%的初始活性，对四环素保留73%，表明这种体系可在无需频繁更换酶的情况下反复运行。

更清洁水源的前景与下一步

通俗地说，研究人员构建了一个可重复使用的“酶过滤器”，其稳定性和效果均优于同一酶以游离形式存在时的表现。通过将一种稳健的、源自宏基因组的漆酶锚定在精心设计的多孔矿物载体上，他们在高浓度和多次使用循环中实现了对两种广泛使用抗生素的强效去除。这项工作在简化的测试溶液中进行，下一步挑战是评估该材料在真实废水中的性能，以应对存在的其他多种物质并检查降解副产物的安全性。尽管如此，这种酶—二氧化硅杂化平台仍然代表了朝着更环保技术迈进、减少水体中残留药物污染的有前景的一步。

引用: 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

关键词: 抗生素污染, 酶固定化, 漆酶, 废水处理, 介孔二氧化硅