可分散的还原氧化石墨烯增强了白腐菌Phanerochaete chrysosporium对磺胺甲噁唑的生物降解作用

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Dispersible reduced graphene oxide enhances the biodegradation of sulfamethoxazole by white rot fungus Phanerochaete chrysosporium

磺胺甲噁唑（SMX）生物降解效率因添加分散型还原石墨烯氧化物（D-RGO）显著提升，D-RGO/WRF系统96小时内去除率达97.52%，降解速率（0.43 h?1）较RGO/WRF（0.24 h?1）和WRF单独系统（0.17 h?1）提高。机制包括促进真菌生长、增强漆酶（111.5%）和锰过氧化物酶（125.9%）活性，以及CYP450含量增加（32.18%）。D-RGO通过强化氧化应激维持SMX原代谢路径（I/II），并优化III路径的磺酰胺 cleavage。

　　

胡云轩|李军成|王西婷|潘乐杰|江路|罗磊|彭世哲|袁月|钟秦民|吴贤|李伟|李玉冰|杨胜涛

国家民族事务委员会青藏高原污染控制化学与环境功能材料重点实验室，西南民族大学化学与环境学院，成都610041，中国

摘要

由于抗生素具有天然的抗菌特性，它们不易被生物水处理方法分解。在本研究中，我们系统地探讨了分散性还原氧化石墨烯（D-RGO）对白腐菌（WRF）降解磺胺甲噁唑（SMX）的增强效果及其作用机制。D-RGO/WRF体系在96小时内实现了97.52%的SMX去除率，远快于RGO/WRF体系（0.43小时?1）和单独使用WRF体系（0.17小时?1）。从机制上看，D-RGO促进了真菌的生长，并显著增强了Phanerochaete chrysosporium的酶活性。在D-RGO处理组中，漆酶活性达到了RGO组的111.5%，而锰过氧化物酶（MnP）活性达到了RGO组的125.9%。此外，D-RGO组中的CYP450含量比RGO组增加了32.18%。D-RGO还诱导了更强的氧化应激，从而促进了SMX的降解。转录组分析进一步表明，D-RGO特异性调控了糖酵解、氨基酸代谢和与催化活性相关的基因。LC-MS分析显示，D-RGO保留了WRF原有的羟基自由基介导的SMX降解途径（途径I/II），同时优化了磺胺类药物的裂解过程（途径III）。本研究为优化纳米材料增强的真菌修复技术提供了理论基础。

引言

根据相关研究预测，2015年至2030年间全球抗生素消耗量预计至少增加15% [13]。抗生素在生物体内的不完全代谢以及不当处理方式导致大量抗生素释放到自然环境中 [16]、[6]、[7]。作为新兴污染物，抗生素在水环境中的持续存在及其潜在毒性可能引发生态问题。这些化合物具有环境持久性、长距离迁移能力和生物累积潜力，对生态系统构成不可逆转的风险 [31]。

磺胺甲噁唑（SMX）是一种典型的磺胺类抗生素，被广泛用于人类医学和兽医领域。根据欧洲药品管理局和个人护理产品评估机构的评估，SMX属于需要优先监测的十大高关注度药品之一 [24]。由于过量使用、难以降解以及较长的半衰期（至少85天），SMX在各种废水中的残留量很高，通常在城市废水中达到ng/L至μg/L的水平，在水产养殖和医疗设施的排放水中达到mg/L的浓度 [28]、[33]。目前的SMX修复技术包括膜分离 [21]、膜生物反应器 [3]、高级氧化 [26]、生物降解 [25]、化学转化 [2] 和吸附 [Pan等人，2024]。传统的物理化学方法面临运营成本上升和二次污染风险的问题，而生物方法因其生态兼容性和经济可行性而受到越来越多的关注。因此，微生物介导的SMX降解机制成为环境修复研究的重要焦点。Jia等人使用硫酸盐还原菌（SRB）污泥在硫酸盐还原上流式污泥床反应器中研究了SMX的降解过程 [11]。SMX的去除包括首先快速吸附在SRB污泥上，随后在平衡状态下从SRB污泥解吸到水相中，最后进行缓慢的生物降解。Hu等人利用甘蔗渣作为载体固定SMX降解菌，显著提高了土壤中的SMX生物降解效率 [10]。在初始SMX浓度为100 mg/kg的情况下，这种固定化的细菌制剂不仅表现出优异的催化活性，还保持了稳定的稳定性，实现了84.14%的SMX降解效率。

作为自然界中唯一能够降解木质素的丝状真菌，白腐菌（WRF）在全球碳循环中起着关键作用 [15]。在代表性的WRF中，Phanerochaete chrysosporium（P. chrysosporium）在次级代谢过程中分泌多种非特异性酶，包括漆酶（Lac）、锰过氧化物酶（MnP）和木质素过氧化物酶（LiP）[14]，这些酶能有效分解多环芳烃 [1]、吡虫啉 [33] 和双酚A [30] 等有机污染物。然而，仅依赖WRF分泌的酶来降解顽固的有机化合物往往无法达到理想的效率，主要是由于酶活性和底物特异性的限制。值得注意的是，基于石墨烯的材料，包括氧化石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯（RGO），已成为环境修复研究的热点 [5]。我们之前的研究表明，RGO通过其生物相容性保持了P. chrysosporium的结构完整性，同时减轻了Cd2?引起的氧化损伤，从而维持了细胞外酶活性并增强了SMX的降解 [23]。

在研究纳米材料的生物效应时，纳米材料的分散性通常会影响其环境影响 [9]。本研究旨在通过使用分散性RGO（D-RGO）来提高P. chrysosporium对SMX的降解效率。在有无D-RGO或RGO的情况下测量了P. chrysosporium对SMX的降解情况。通过观察形态变化、生物量增加、漆酶和锰过氧化物酶活性、CYP450含量、氧化应激以及差异表达基因来阐明其作用机制。利用质谱分析了D-RGO存在下的SMX降解产物，并讨论了石墨烯纳米材料在环境应用中的意义。

部分内容片段

化学品

分析级磺胺甲噁唑（C₁₀H₁₁N₃O₃S）购自Macklin（中国上海）。硫酸（H₂SO₄）、盐酸（HCl）、五氧化二磷（P₂O₅）、过硫酸钾（K₂S₂O₈）、高锰酸钾（KMnO₄）、无水葡萄糖（C₆H₁₂O₆）、酒石酸铵（C₄H₁₂N₂O₆）、磷酸二氢钾（KH₂PO₄）、七水合硫酸镁（MgSO₄•7H₂O）、无水醋酸钠（C₂H₃NaO₂）、维生素B?（C₁₂H₁₇ClN₄OS）、苯甲醇（C₇H₈O）、36%醋酸（C₂H₄O₂

D-RGO的表征

D-RGO是通过使用维生素C还原分散的GO制备的（补充方案）。D-RGO表现为黑色分散体，具有更好的分散性。图S1比较了D-RGO和RGO的扫描电子显微镜（SEM）图像。D-RGO显示出明显的碎片（约10 μm），明显小于传统的RGO层状结构。这种尺寸减小是由于Tween 80在预还原过程中占据了GO上的功能基团，抑制了RGO的聚集。傅里叶变换红外光谱（FTIR）

结论

总之，D-RGO通过与SMX的协同作用通过三种关键机制提高了降解效率。其中，D-RGO的优异分散性是核心因素，它使真菌菌丝能够与D-RGO充分接触，这一点在横截面图像中得到了验证。这种更大、更均匀的相互作用界面不仅促进了潜在的细胞外电子转移和代谢刺激，还可能影响局部吸附过程。

未引用的参考文献

[32]

CRediT作者贡献声明

罗磊：研究工作。江路：研究工作。潘乐杰：研究工作。王西婷：研究工作。李军成：研究工作、资金获取。胡云轩：撰写——初稿、研究工作。杨胜涛：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。吴贤：方法学研究。李伟：方法学研究、项目管理、撰写——审稿与编辑。彭世哲：研究工作。李玉冰：概念构思、项目管理。钟秦民：研究工作。袁月：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号52370087）、四川省科技计划（编号2024ZYD0030）、阿坝 prefecture应用技术研发基金（R25YYJSYJ0019）、西南民族大学青藏高原研究科技创新团队（编号2024CXTD07）以及西南民族大学毕业生创新科研计划的支持。