《Bioresource Technology》：Nitrogen removal hotspot shifts and enhancement mechanisms in anaerobic/aerobic/anoxic process under cold shock
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本研究系统评估了漆酶与19种还原剂在腐殖酸存在下对磺胺甲噁唑的降解动力学，发现香草醛（SA）通过促进酚氧基自由基生成显著提升降解效率（最高达95%），并揭示电子结构参数（HOMO能量、HOMO-LUMO间隙）与催化性能的关联性，为天然还原剂设计提供理论依据。
黄天音|余一凡|张文涛|赵月|陶一良|黄文光|吴秉堂
苏州科技大学环境科学与工程学院，中国苏州215002
摘要
作为新兴的环境污染物，抗生素残留物引发了严重的关注，这凸显了开发高效漆酶-介质系统（LMS）以促进其去除的迫切需求。然而，高性能介质的筛选和设计在很大程度上仍基于经验，缺乏坚实的理论指导。在这项研究中，我们系统评估了在腐木霉（Trametes versicolor）漆酶与19种氧化还原介质耦合体系在腐殖酸（HA）存在下对磺胺甲噁唑（SMX）的降解动力学性能。在测试的介质中，丁香醛（SA）表现出优异的降解效率。通过促进漆酶催化的苯氧基自由基的生成，抗生素的去除动力学得到了改善。毒性评估显示，在含有HA的SA介导的LMS体系中，SMX的降解产物具有较低的生态风险。该系统在各种实际水环境中保持了较高的SMX降解性能（去除率高达95%，反应速率高达0.11 min?1），证明了其在环境相关场景中的适用性。此外，我们建立了天然介质的电子性质与SMX去除效率之间的结构-活性关系，表明催化性能与前沿分子轨道能级以及HOMO（最高占据分子轨道）-LUMO（最低未占据分子轨道）间隙密切相关。高效介质通常具有较高的HOMO能级和较窄的能隙。本研究为开发高效介质提供了分子层面的见解和设计原则，推动了LMS技术在新兴污染物修复中的应用。
引言
由于磺胺类抗生素具有广谱抗菌活性、成本效益和环境持久性，它们在全球范围内被广泛使用（Chen等人，2021；Cheng等人，2020；Li等人，2025a）。这些化合物中有很大一部分以母体分子或活性代谢物的形式进入水环境，主要通过废水排放和农业径流（Danner等人，2019）。磺胺甲噁唑（SMX）是一种代表性的磺胺类药物，被广泛用于治疗尿路、呼吸道和其他细菌感染。其环境中的普遍存在已有充分记录；例如，在意大利多个大城市的废水进水和出水中检测到SMX的浓度高达246 ng/L（Zuccato等人，2010），在中国辽河流域和辽东湾的浓度范围为6.7至173.2 ng/L（Jia等人，2011）。鉴于其持久性和生物累积潜力，迫切需要有效的SMX去除策略。
物理化学方法如吸附（Li等人，2025b；Tian等人，2019）、光降解（Yang等人，2025）和电化学氧化（Lv等人，2025）在效率、可扩展性和经济可行性方面存在局限性，通常受到材料选择、能量输入和操作复杂性的限制。相比之下，生物方法，特别是利用酶转化的方法，由于反应条件温和、高特异性和环境兼容性而具有很大的潜力（Cao等人，2019；Lloret等人，2013；Yu等人，2018）。漆酶是一种多铜氧化酶，它使用分子氧作为最终电子受体来催化各种酚类和非酚类底物的氧化，产生的唯一副产品是水（Chen等人，2019；Feng等人，2019；Lin等人，2023；Zhang等人，2020）。由于环保、无需添加过氧化物等强氧化剂以及底物范围广泛等优点，漆酶已被应用于造纸和印刷、纺织品漂白、生物转化、染料脱色和抗生素去除等多种工业过程（Bilal等人，2019；Coria-Oriundo等人，2021；Fillat等人，2015；Zou等人，2023）。然而，其应用受到高氧化电位污染物或空间位阻的限制。
为克服这一瓶颈，当前的研究主要朝两个方向进行：一是开发具有漆酶模拟活性的纳米酶作为替代方案，因为它们具有高稳定性和可设计性（Liu等人，2025；Wang等人，2020）；二是构建高效的漆酶-介质系统来介导电子转移。在漆酶的氧化作用下，介质形成高活性自由基，这些自由基从酶中扩散出去并氧化难降解化合物（Asif等人，2018；Gutiérrez等人，2007；Murugesan等人，2010；Sharma等人，2018）。后者被广泛使用，因为它能够保留并充分利用天然漆酶的优异内在催化活性和精确选择性（Xie等人，2022）。然而，漆酶-介质系统（LMS）在天然水环境中的性能仍知之甚少，特别是在存在溶解有机物质（DOM）的情况下。DOM（如腐殖酸和富里酸）可能通过多种途径干扰：在酶活性位点的竞争性结合（Li等人，2017）、自由基清除（Shi等人，2016）、空间位阻（Yang等人，2021a）或甚至催化逆转（Shi等人，2016）。此外，当前的介质筛选主要依赖于经验性的试错方法（Chen和Meng，2025；Marino等人，2022），对介质效率的电子和结构决定因素缺乏足够的机制理解。尽管已提出氧化还原电位作为预测参数（Cindy等人，2025；Mateljak等人，2019），但仍然缺乏将分子性质与催化性能联系起来的综合框架。
在这项研究中，研究了Trametes versicolor漆酶和19种氧化还原介质在含有腐殖酸（HA）的DOM存在下对SMX的去除动力学效应。本研究的主要目标是识别有效的介质，阐明所选介质与HA在降解过程中的相互作用，并探讨介质的电子结构在漆酶激活中的作用。总体目标是建立在HA存在下选择介质的合理设计原则，促进LMS技术在抗生素去除中的应用。
材料
用于本研究的Trametes versicolor漆酶（活性≥0.5 U/mg）购自Sigma Aldrich Trading Co., Ltd（美国）（参考编号38429，Sigma）。该漆酶的比活性为0.5 U/mg，由制造商（Sigma-Aldrich Co.）提供。商用酶为浅棕色粉末，未经进一步纯化即直接使用。整个研究过程中使用超纯水（18.25 M Ω· cm）制备所有水溶液。
不同介质对LMS去除SMX的影响
仅含有漆酶的系统在3小时内对SMX的去除效率非常低，低于10%（图1a）。引入HA对仅含漆酶的系统的去除效率影响不大，但在不同的LMS系统中效果有所不同。当使用4-HBA、2-AP、2,6-DMP、4-AP、4-HA、AA、1-HBT和HQ等介质时，HA的存在增强了LMS对SMX的去除效果。值得注意的是，SA、AS、SAL和CAT表现出极高的去除能力，接近100%
结论
本研究表明，SA是一种高效的天然介质，可以增强漆酶催化的SMX降解，特别是在考虑实际条件（即存在HA）的情况下。通过促进苯氧基自由基的生成，反应动力学在短时间内得到加速，SMX的去除效率得到提高。生态风险评估证实，转化产物的毒性降低，进一步强调了...
CRediT作者贡献声明
黄天音：撰写——原始草稿、方法学、研究、概念化。余一凡：撰写——原始草稿、方法学、研究、概念化。张文涛：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、项目管理、数据分析。赵月：可视化、研究。陶一良：可视化、研究。黄文光：撰写——审稿与编辑、验证、项目管理、资金获取、数据分析。吴秉堂：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号21906078、52070137）、姑苏创新创业领军人才计划（项目编号ZXL2022500）以及中华人民共和国中央公共利益科学机构基础研究基金（项目编号PM-zx703-202204-104）的支持。
