工程化金属有机框架光催化剂用于在多变环境条件下高效去除铜绿假单胞菌

《Bioresource Technology》：Engineered metal–organic framework photocatalyst for efficient M. Aeruginosa removal under variable environmental conditions

　　

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  CGU@PS增强了可见光利用率，并抑制了光生电子-空穴对的复合。
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  CGU@PS因活性氧（ROS）生成量增加而表现出更高的藻类去除效率。
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  CGU@PS在极端条件下控制藻华具有更优的能力。
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  CGU对MC-LR的降解需要较长时间的光催化过程。
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  O₂?^–是破坏藻类光合作用和代谢的主要自由基。

引言

有害藻华（HABs）是全球淡水生态系统水生环境和功能的重要威胁（Al Ketife and Al-Momani, 2025），尤其在营养盐富集、光照充足和气候变暖条件下更为严重（Hofioni et al., 2026）。蓝藻是常见的形成藻华的微生物，其特征为耗氧、营养盐竞争和光照衰减（Mauch et al., 2026），这些因素共同抑制了沉水高等植物的光合作用、好气性浮游动物的呼吸作用以及悬浮物的分解（Zhao et al., 2026）。此外，蓝藻分泌的微囊藻毒素（MCs）具有肝毒性、神经毒性和致癌性，可能通过食物链和皮肤接触对动物和人类构成健康风险（Annalakshmi et al., 2026, Ge et al., 2026, Zhang et al., 2025 & 2026a）。因此，水体中的藻类防控刻不容缓，以保护微生物多样性并保障公众健康。

物理方法（如机械打捞、絮凝沉降和超声破碎）、化学方法（如铜螯合物、铵盐表面活性剂和醛类氧化剂）以及生物方法被广泛应用于缓营养水体中藻华的治理（Chi et al., 2026, Sung and Gobler, 2026, Yuan et al., 2025）。机械打捞可应对藻生物质量巨大的爆发事件（Maredová et al., 2021），但其后续处理受制于劳动强度大和成本过高。尽管化学氧化剂能有效灭活藻细胞（Guo et al., 2016），但其应用可能导致二次污染并对非目标水生生物产生不利影响。生物措施可通过抑制代谢功能来抑制藻类生长（Zheng et al., 2023），但作用缓慢且易受环境变化影响。此外，这些策略因劳动密集、成本高昂或环境不友好而限制了其广泛应用的可能性。因此，对经济有效的藻类去除方法的进一步研究可能大大减轻水生栖息地的退化和水生物多样性下降。

光催化作为一种前景广阔的先进氧化技术（Wafi et al., 2025, Wu et al., 2022），具有光活性优良、环境可持续和生物相容性高等优势。光催化剂由高能价带（VB）、低能导带（CB）及介于两者之间的带隙组成，该带隙决定了光吸收波长（Cheng et al., 2026）。当受到能量超过吸收阈值的光照射时，价带中的电子被激发至导带，形成光生电子（e^–）和空穴（h⁺）。e^–和h⁺与氧气、水或溶解物质发生氧化还原反应，生成超氧阴离子（O₂?^–）和羟基自由基（·OH）等活性氧物种（ROS）。这些ROS可降解污染水体中的大多数有机污染物（Zhang et al., 2026a）。氮化碳（g-C₃N₄）在电子-空穴对生成和光催化降解效率方面展现出潜力（Abo El-Khair et al., 2026）。然而，由于g-C₃N₄的宽带隙，其只能在紫外照射下被激发。这一局限性导致在实际应用中可见光利用效率较低，因为藻华往往发生在光照不足的环境中。金属有机框架（MOFs）如UIO-66-NH₂由金属离子与有机配体键合而成，因其比表面积大和热稳定性优异而被广泛用于藻类去除（Fan et al., 2021, Li and Wang, 2024）。然而，光生电子-空穴对在MOFs内部或表面经常发生复合，显著限制了其光催化能力。综上所述，缩小光催化剂的带隙宽度和抑制电子-空穴对复合是提升藻类修复中光催化性能的关键策略。尽管Cu²⁺改性光催化纳米材料在制氢和废水净化方面已得到广泛认可（Zhang et al., 2024 & 2026b），但其扩大可见光利用范围和抑制电子-空穴复合的基本作用在很大程度上尚未得到探索，而基于ROS的藻类去除效率也未被关注。

为弥补这些知识空白，本研究有目的地合成了Cu²⁺改性的g-C₃N₄与UIO-66-NH₂纳米复合材料，以克服光催化过程中可见光利用率和电子-空穴复合的局限性。研究目标为：（i）通过光谱方法表征光催化剂的形貌结构和光电性能；（ii）确定光催化剂在藻类修复中的去除效率和光催化机理；（iii）界定光催化剂在不同环境条件下的适用条件和结构稳定性。这些成果共同提供了一个系统的框架以促进污染水体中的藻类控制，并为优化光催化剂合成和保护水生生态系统提供了有价值的见解。

章节摘要

藻类筛选与培养

Microcystis aeruginosa（M. aeruginosa）是常见的形成藻华的蓝藻之一（Gao et al., 2015），本研究采用的藻种来自中国湖北省中国科学院水生生物研究所淡水藻类培养室（武汉，中国）（表1）。在紫外照射的层流超净工作台无菌条件下，将M. aeruginosa接种至含有标准蓝藻培养基（BG11）的锥形瓶中（Fu et al., 2025）。随后，M. aeruginosa被

光催化剂的形貌结构

如图2a和2b所示，g-C₃N₄呈现具有二维纳米片层状褶皱的平面结构，而UIO-66-NH₂则呈现均匀的聚集立方晶体。图2c中显示出附着在片层上的颗粒，表明g-C₃N₄与UIO-66-NH₂结合形成了g-C₃N₄@UIO-66-NH₂。为了更好地观察g-C₃N₄@UIO-66-NH₂，透射电镜（TEM）图像显示了一个结构清晰的分层结构，其中浅色的g-C₃N₄被深色的UIO-66-NH₂修饰（图2g、h）。

结论

本研究开发了一种合成Cu²⁺改性MOF纳米材料（CGU）的策略，该策略有效提高了光催化过程中可见光的利用率并抑制了电子-空穴对复合。因此，添加CGU后实现了更高的藻类去除效率，而MC-LR的降解则需要较长时间的光催化过程。这一改善归因于O₂?^–和·OH等ROS生成量的增加。此外，CGU在

作者贡献声明

崔湖：撰写——初稿，可视化，验证。付晨军：方法论，调查研究。王欣怡：指导。侯盛楠：指导。欧阳：撰写——审阅与编辑。朱辉：撰写——审阅与编辑，资金获取，概念构思。

未引用参考文献

Zhu et al. (2022)。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到科技基础资源调查专项项目（编号：2025FY101303）和吉林省科技发展规划项目（编号：YDZJ202501ZYTS521）的资助。

崔湖|付晨军|王欣怡|侯盛楠|欧阳|朱辉