三氧化二铋-铜金属有机框架功能化三聚氰胺海绵(MS/Bi2O3@Cu-MOF)光催化抑制米氏凯伦藻的蛋白质组学机制解析

本研究针对传统光催化剂回收困难及有害藻类灭活分子机制不明的问题，开发了负载型漂浮光催化剂MS/Bi2O3@Cu-MOF，通过DIA蛋白质组学技术系统揭示了米氏凯伦藻在光催化过程中的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)等关键蛋白表达变化，为有害藻华治理提供了蛋白质水平的作用机制解析。

　　

近年来，有害藻华(HABs)在全球水域频繁暴发，像米氏凯伦藻(Karenia mikimotoi)这类产毒藻类不仅破坏水生生态系统平衡，其分泌的毒素还会通过食物链威胁人类健康。传统治理方法如化学杀藻剂容易造成二次污染，而物理打捞又难以大规模应用。在此背景下，光催化技术因其环境友好、高效节能的特点成为研究热点，但粉末状催化剂存在的回收难题和灭活机制不明确两大瓶颈制约着实际应用。

针对这些挑战，山东大学的研究团队创新性地将三氧化二铋(Bi₂O₃)与铜金属有机框架(Cu-MOF)复合，并负载于三聚氰胺海绵(MS)上，成功研制出可漂浮回收的MS/Bi₂O₃@Cu-MOF光催化剂。这项发表在《Journal of Environmental Management》的研究通过数据非依赖性采集(DIA)蛋白质组学技术，首次系统解析了光催化灭藻过程中的分子机制。

研究团队主要采用三大关键技术：可见光催化灭活实验评估不同负载量材料的灭藻效率；生化检测分析光合色素含量、活性氧(ROS)水平及抗氧化酶活性变化；DIA蛋白质组学结合GO和KEGG富集分析筛选差异表达蛋白(DEPs)。

研究结果揭示：

1. 藻细胞密度变化：0.4 g负载量下12小时灭活率达99.306%，显著优于粉末状催化剂。
2. 生理指标变化：处理组藻细胞的三类光合色素和可溶性蛋白含量显著降低，ROS水平在3小时达到峰值(681.45%)后下降，SOD、POD等抗氧化酶活性持续升高。
3. 蛋白质组学分析：鉴定到126个显著差异蛋白，主要涉及金属离子结合、氧化还原平衡和光合作用通路。其中SOD、钙/钾离子转运蛋白表达异常最为突出。

这项研究通过多维度数据证实：MS/Bi₂O₃@Cu-MOF通过产生活性氧自由基(·O₂^?和·OH)引发氧化应激，干扰藻细胞离子稳态和能量代谢是其灭藻的核心机制。该工作不仅为光催化技术治理有害藻华提供了可回收的材料设计方案，更通过蛋白质组学揭示了分子水平的灭藻规律，对发展精准环境干预技术具有重要指导意义。国家自然科学基金(31971503)和山东省博士后创新项目(SDCX-ZG-202400174)为本研究提供了关键支持。