负载白腐菌（*Phanerochaete chrysosporium*）和还原氧化石墨烯的磁性微珠用于增强磺胺甲噁唑降解

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Magnetic microbial beads encapsulating Phanerochaete chrysosporium and reduced graphene oxide for enhanced sulfamethoxazole degradation

　　

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  构建了一种磁性微生物微珠（BW-mFe?O?-RGO）。
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  RGO与Fe?O?协同增强了SMX的生物降解。
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  该复合材料表现出优异的循环再生能力和实际水体适用性。

引言

抗生素污染对生态系统完整性和公共健康构成了日益严峻的威胁。磺胺甲恶唑（SMX）是一种广泛使用的磺胺类抗生素，由于其在中国医学和畜牧业中的广泛应用，加之其具有较高的代谢稳定性，经常在水体环境中被检出[1]。SMX分子中的共轭苯环和磺酰胺基使其天然难以被生物降解。传统处理工艺（如臭氧氧化、生物炭吸附）只能部分去除SMX，但这类方法面临矿化率低（通常低于40%）、副产物毒性高（如硝化中间产物）以及运行成本上升等瓶颈[2]、[3]、[4]。这些挑战在生态脆弱地区尤为突出。例如，在青藏高原，残留SMX浓度（1.17–552 ng/L）已接近生态毒理阈值，构成多重风险：(i) 对水生生物造成内分泌干扰；(ii) 加速微生物群落中抗生素抗性基因（ARGs）的水平转移，可能通过食物链扩散耐药性；以及(iii) 通过生物富集对人体健康产生潜在影响，因为高原水体是下游数亿居民的饮用水源[5]、[6]。因此，亟需开发兼具环境适应性、深度降解能力和生态安全性的新型修复策略。

黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）是白腐菌（WRF）的典型代表（以下简称为WRF），是自然界中木质素降解的关键驱动者，能分泌非特异性胞外氧化酶系统（如漆酶、木质素过氧化物酶）。这些酶可通过电子转移驱动产生自由基，从而裂解SMX的芳香环和C-S键，实现对污染物的深度矿化[7]、[8]。然而，游离菌体系存在三大主要缺陷。第一是物理不稳定性：湍流剪切力（>0.8 W/m3）会导致菌丝断裂，造成生物量损失超过45%。第二是环境敏感性：当pH偏离5.0–6.5的最适范围时，锰过氧化物酶（MnP）活性急剧下降。第三是不可持续性：连续处理三批后降解效率下降，主要归因于胞外酶失活和真菌难以回收[9]、[10]、[11]。

海藻酸钠（SA）包埋技术将真菌细胞限制在Ca²⁺交联网络内，从而提高了其机械耐受性。例如，SA固定化实现对2,4,6-三氯苯酚94.7%的去除率，显著优于游离粗酶62.1%的去除率[12]。然而，纯SA载体在表面水应用中存在缺陷，包括高离子强度导致的凝胶溶解，以及受限于低电子转移效率的缓慢酶-底物反应动力学[13]、[14]、[15]、[16]。其他现有生物修复技术也各有局限。例如，细菌修复受到以SMX作为抗生素直接针对细菌、且抗微生物耐药（AMR）效率降低的限制。真菌修复展现出潜力，但多数研究仍停留在实验室阶段，依赖人工培养基，而实际地表水的复杂基质（包含多种污染物、营养差异等）可能显著影响真菌活性和降解效率[17]。

值得注意的是，中试研究表明，CuO-RGO（还原氧化石墨烯）-真菌界面相互作用可激活抗氧化应激通路，但过量负载CuO和RGO可能通过ROS对真菌膜结构造成损伤[18]。与本研究更为相关的是，最近有研究报道Fe?O?/RGO-SA体系可实现四环素超过90%的降解[19]。

然而，以往的Fe?O?/RGO基体系主要依赖物理化学去除机制，包括吸附和活性氧（ROS）介导的氧化，而导电纳米材料与真菌代谢过程之间的相互作用仍未得到充分理解。以往RGO辅助催化体系主要侧重于通过增强吸附容量、催化活性以及在类Fenton反应中产生ROS来提升污染物去除能力[20]。同时，白腐菌已被报道可通过胞外氧化酶和ROS相关过程与石墨烯基材料相互作用[21]。然而，导电碳材料、磁性催化组分与真菌代谢调控之间的协同作用仍缺乏深入探索。表S1对代表性RGO辅助、Fe?O?基以及真菌-纳米材料杂化降解体系进行了详细对比，突出了以往报道体系与本研究所提出的BW-mFe?O?-RGO平台在特性与局限方面的差异。

特别是，真菌-纳米材料杂化体系中胞外电子转移、氧化应激调控和酶分泌的作用尚未得到系统阐明。在此基础上，本研究通过在海藻酸钠基质中整合WRF、RGO和Fe?O?，开发了一种三元复合体系，命名为BW-mFe?O?-RGO。在该杂化体系中，RGO作为吸附平台和导电界面，有助于促进纳米材料与真菌代谢过程之间的相互作用；mFe?O?作为氧化还原活性组分，参与ROS的产生，同时其超顺磁性使复合材料能够快速磁性回收。该复合材料在多种条件下的性能得到了系统评估，并通过酶活性测定、氧化应激分析、电化学测量、LC-MS分析以及转录组学分析对潜在机制进行了研究。

各部分摘要

微生物与材料

WRF菌株（BKMF-1767）购自广州微生物菌种保藏中心。其他试剂的详细信息见补充材料（正文S1）。白腐菌（WRF）的培养遵循我们先前报道的方法[8]、[22]。制备BW-mFe?O?-RGO时，将3%（w/v）海藻酸钠与RGO及微米级Fe?O?（mFe?O?）一同溶解于50 mL无菌蒸馏水中。通过轻轻刮取表面制备WRF孢子悬浮液

BW-mFe₃O₄-RGO的表征

采用SEM和EDS对BW-mFe?O?-RGO复合微珠进行了表征。原始BW-mFe?O?-RGO呈现典型的三维球形结构，粒径分布为3–4 mm（图1a）。经WRF定殖后（图1d），材料表面形成了致密的菌丝网络，粒径显著增大至5–6 mm，证实了真菌生物量在载体表面成功定殖。EDS分析确认了BW-mFe?O?-RGO的元素组成，

结论

本研究通过将WRF、RGO和磁性Fe₃O₄固定于SA中，成功开发了一种新型磁性微生物复合微珠（BW-mFe₃O₄-RGO），实现了水溶液中SMX的高效、可循环降解。在优化条件下（0.7% RGO，0.7% mFe₃O₄，1.0 × 10⁵孢子/mL，1000颗/L），该体系在5天内实现了91.4%的SMX降解率，伪一级速率常数为0.53 d^-1。该复合材料表现出良好的磁性回收性能（去除率99.1%，在

未被引用的参考文献

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CRediT作者贡献声明

Xian Wu：研究方法。Yuan Gao：资源、研究方法。Ming Qiu：调查研究。Yunyi Tang：调查研究。Xiting Wang：初稿撰写、调查研究。Yang Sheng-Tao：审阅与编辑、监督、经费获取、概念构思。Yue Yuan：审阅与编辑、监督、经费获取、概念构思。Wancheng Wang：调查研究。Yunxuan Hu：初稿撰写、调查研究。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所报道工作的已知竞争性经济利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号52370087）、四川省科技计划（编号2026YFHZ0242）、阿坝州应用技术研发基金（R25YYJSYJ0019）以及西南民族大学青藏高原研究科技创新团队（编号2024CXTD07）的资助。

Xiting Wang|Yunxuan Hu|Wancheng Wang|Yue Yuan|Yunyi Tang|Ming Qiu|Yuan Gao|Xian Wu|Yang Sheng-Tao