近日，我校理學(xué)院季一兵、李瑞軍團(tuán)隊(duì)在共識(shí)期刊理學(xué)學(xué)科頂尖期刊Chemical Engineering Journal上連續(xù)發(fā)表了題為“Laccase-mimicking active inorganic organic hybrid covalent organic framework filtration membrane for rapid removal of drug pollutants”和“Exploring of laccase-like nanozyme and membrane filters for efficient removal of tetracycline hydrochloride”的最新研究成果。
由于藥物的持續(xù)使用，包括廢水和水生生態(tài)系統(tǒng)在內(nèi)的各種水環(huán)境中檢測(cè)到數(shù)種類(lèi)藥物。去除它們的傳統(tǒng)方法（如物理吸附、電化學(xué)過(guò)程和離子交換）通常需要大量的能源消耗并產(chǎn)生有毒副產(chǎn)物。相比之下，各種生物材料具有更高的去除效率并具有避免產(chǎn)生劇毒副產(chǎn)物的優(yōu)點(diǎn)。漆酶是該領(lǐng)域的“明星產(chǎn)品”，但其“易碎性”進(jìn)一步限制了規(guī)模化的實(shí)際應(yīng)用。設(shè)計(jì)出具有漆酶模擬活性的材料是克服惡劣操作條件和擴(kuò)大應(yīng)用模式的主要策略之一。
為解決上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)基于“原位”和“受限配位”的概念設(shè)計(jì)了一種具有顯著漆酶模擬活性的無(wú)機(jī)–有機(jī)雜化共價(jià)有機(jī)框架（Cu-BSA@COF）。牛血清白蛋白（BSA）與銅（Cu）的配位結(jié)合促進(jìn)了多銅活性中心的形成（圖1）。COF的骨架和孔隙結(jié)構(gòu)保護(hù)活性位點(diǎn)并增強(qiáng)底物吸附。它們之間的協(xié)同作用確保材料在各種惡劣操作條件下保持催化活性。研究表明Cu-BSA@COF具有和天然漆酶相接近的底物親和力（Km）和生物催化效率（Kcat/Km）。與天然漆酶和Cu-BSA相比，其生物催化效率分別增加了18.56%和168.57%，結(jié)果表明Cu-BSA@COF是天然漆酶的理想替代品?；谏鲜鰞?yōu)勢(shì)，研究團(tuán)隊(duì)成功將其與膜技術(shù)結(jié)合，在最佳工藝和應(yīng)用條件下，該膜一次過(guò)濾可去除90%以上的鹽酸四環(huán)素（TC）、對(duì)乙酰氨基酚（APAP）、卡馬西平（CBZ）和磺胺甲惡唑（SMZ）（環(huán)境中藥物污染物的主要成分）（圖2）。廣泛的適用性和有效規(guī)避對(duì)環(huán)境的次生污染風(fēng)險(xiǎn)為藥物污染物的去除提供了研究新范式。
本研究得到了江蘇省研究生科研與實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（KYCX25_1072）和江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（社會(huì)發(fā)展）項(xiàng)目（BE2019717）的資助。理學(xué)院2022級(jí)博士生穆琦瑄和2022級(jí)碩士生李心悅為本文共同第一作者，理學(xué)院季一兵教授、李瑞軍副教授為本文的共同通訊作者。
圖1：Cu-BSA@COF的合成及部分表征
圖2：Cu-BSA@COF膜去除藥物污染物示意圖
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.166344
另外，受天然漆酶活性中心的啟發(fā)，以Cu2+為活性中心，2-氨基咪唑及谷胱甘肽（GSH）為配體，設(shè)計(jì)了一種具有高活性、高穩(wěn)定性的類(lèi)漆酶活性納米酶（GA-Cu納米酶）。金屬納米酶在使用過(guò)程中存在回收困難、易造成二次污染等問(wèn)題。為了克服此問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)提出通過(guò)真空輔助抽濾的方式將GA-Cu納米酶負(fù)載到尼龍膜上，使用殼聚糖作為粘合劑，形成致密穩(wěn)定的復(fù)合膜（GA-Cu@CS/GA-Cu/nylon膜）（圖3）。使用復(fù)合膜對(duì)鹽酸四環(huán)素（TC）進(jìn)行降解研究。結(jié)果顯示，一次過(guò)濾可降解約80%TC。用LC-MS對(duì)主要轉(zhuǎn)化產(chǎn)物進(jìn)行鑒定，提出三種TC可能的生物轉(zhuǎn)化途徑（圖4）。與現(xiàn)有的污染物處理方法相比，GA-Cu@CS/GA-Cu/nylon膜有望在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低污染、低能耗和污染物的連續(xù)處理。中國(guó)藥科大學(xué)理學(xué)院碩士研究生王云為本文第一作者，理學(xué)院李瑞軍副教授和季一兵教授、中科院蘭州化學(xué)所海軍研究員為共同通訊作者，中國(guó)藥科大學(xué)為第一通訊單位。
圖3.GA-Cu@CS/GA-Cu/nylon膜的制備示意圖
圖4. GA-Cu 納米酶對(duì)TC的可能降解途徑
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https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158021
（供稿單位：理學(xué)院，撰寫(xiě)人：韓佳奇，審稿人：劉帆）
