【专家视角】浙江大学侯杰/林道辉团队PNAS：多功能生物分子冠启发的纳米修复技术用于抗生素污染治理|纳米_新浪财经

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第一作者：侯杰

通讯作者：林道辉

通讯单位：浙江大学环境与资源学院

图片摘要

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成果简介

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近日，浙江大学环境与资源学院侯杰副研究员/林道辉教授团队在权威综合性期刊PNAS上发表了题为“Multifunctionalbiomolecular corona-inspired nanoremediation of antibiotic residues”的论文。该研究针对水产养殖尾水中的卤代抗生素污染问题，深入揭示了纳米零价铁（nZVI）与水蚯蚓体表界面的分子互作机制，获得了具备智能响应、界面富集和强化还原等多功能纳米材料表面修饰灵感。此项工作推动了纳米材料修饰从物理化学策略向生物化学策略的范式转变，凸显了纳米-生物协同修复技术的巨大潜力。

引言

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化学工业的蓬勃发展导致了复杂多变的新兴污染，给全球社会带来了重大挑战，其中抗生素污染已成为最受关注的环境问题之一。发展中国家是抗生素的最大生产国和消费国，过度使用会导致大量抗生素释放到环境中，引发生态毒性和耐药性双重风险。与许多传统污染物不同，一些抗生素通过卤代等方式强化结构稳定性，并能够对微生物产生强烈的抑制作用，导致当前高度依赖氯消毒和生物降解的传统尾水处理工艺效果不佳，亟需开发安全高效的去除技术。

工程纳米材料在治理抗生素污染方面具有巨大应用潜力。nZVI可通过吸附、还原和氧化作用去除卤代抗生素，从而降低其抗菌活性和毒性。然而在实际应用（如土壤/地下水修复）中，nZVI的性能往往与实验室条件下存在差距。为了提高材料的稳定性、选择性和反应性，在过去的三十年里人们开发了多种基于物理化学原理的nZVI表面功能化策略，例如羧甲基纤维素（CMC）改性、草酸盐改性等。然而传统的功能材料开发是一个“试错”过程，需要长达数年的时间和经济成本。此外，不同的材料特性，如稳定性和反应活性之间存在固有矛盾，使得构筑协调的多功能材料面临巨大的技术挑战。

生物分子冠是自然介导材料改性的一种基本形式，它包含各种蛋白质和代谢物，可为设计多功能纳米材料提供启发。目前的研究主要集中在医疗应用或纳米毒性评估，而由土著生物介导的体外生物分子冠却鲜有报道。值得注意的是，一些生物特别是耐污染物种具有独特的能力，可通过生化过程强化纳米修复。例如，土壤线虫通过分泌半胱氨酸和其他还原成分，增强nZVI对五氯苯酚的还原降解。水稻和紫花苜蓿等植物可以分泌酪氨酸和酚嗪等多功能代谢物，提高铁基纳米材料对五氯苯酚和多氯联苯的氧化还原能力。然而，目前对这些生物大分子与纳米材料之间的界面互作过程仍缺乏了解；生物分子冠在污染条件下的动态组成及其对纳米材料结构和功能的调控机制有待阐明。

本研究发现污染耐受生物水蚯蚓（Tubifex tubifex）与nZVI对养殖业抗生素尾水的协同修复作用，进一步以氟苯尼考（FF）为代表性污染物，揭示了nZVI-水蚯蚓复合体系的界面互作和协同修复机制。结合多种组学技术系统解析了生物分子冠中蛋白质和代谢物的组成，在基因转录水平上阐明了生化通路介导nZVI污染物智能响应性的原理，并通过分子模拟和相关验证实验，阐明关键代谢物实现污染物界面富集和材料强化还原能力的分子机制，以期为合理设计用于环境治理的多功能纳米材料提供启迪。

图文导读

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nZVI与水蚯蚓界面互作协同去除尾水中的卤代抗生素

图1. nZVI-水蚯蚓对抗生素的协同去除。(A) 有无水蚯蚓存在下不同nZVIs处理7 d后的卤代抗生素浓度和去除率。(B) 不同剂量 nZVI100、水蚯蚓及其共处理7 d后的FF浓度。(C) nZVI-水蚯蚓复合体系的设计思路及其抗生素污染修复潜力。

研究团队前期观察到水蚯蚓（Tubifex tubifex）自然分布于水产养殖场出水口池塘中，因此选用尾水来测试nZVI-水蚯蚓复合体系用于抗生素修复的可行性。尾水中检测到17种抗生素，其中氯霉素、氟苯尼考（FF）和甲砜霉素是主要化合物。微宇宙实验表明，在没有水蚯蚓的情况下，不同nZVI处理7 d后的抗生素浓度为0.67-0.75 μmol/L，去除率为10-19%。单独使用水蚯蚓的抗生素去除率为13%，与对照值（10%）相比没有显著差异。重要的是，nZVIs和水蚯蚓的共同作用可将抗生素的浓度显著降低19-58%。为了进一步优化nZVI-水蚯蚓复合材料协同修复抗生素的比例，设计了4×4析因实验。结果表明最佳比例为1 g/L nZVI100和每升104个水蚯蚓，7 d内FF去除率达到86%，证明nZVI可与水蚯蚓结合，实现抗生素污染水体的协同修复。

纳米生物界面是FF富集和还原降解的热区

图2. nZVI100与水蚯蚓界面互作对FF的协同降解过程。(A) FF污染水体中nZVI100与水蚯蚓7 d内的表观变化。(B) nZVI100的傅立叶变换红外光谱分析。(C) nZVI100-水蚯蚓复合材料的SEM-EDS图像。FF及其降解产物在(D) 水中、(E) 纳米生物界面、以及(F) 水蚯蚓体内的浓度。(G) 描述nZVI和FF在水中、纳米生物界面和体内转化过程示意图。

通过7 d微孔板实验进一步研究了nZVI-水蚯蚓界面相互作用与FF降解之间的耦合关系。结果表明，水蚯蚓对FF暴露的反应与nZVI100的活化密切相关，伴随着Fe3+离子的释放，溶液呈棕黄色（图 2A）。傅立叶变换红外光谱分析显示，7 d后nZVI100表面出现了C-H、CO-NH和C-O等特征峰（图 2B），表明生物分子介导了nZVI100修饰。扫描电子显微镜结合能量色散X射线光谱（SEM-EDS）进一步证实，靠近水蚯蚓表皮（62.6±16.4 μm）的nZVI100颗粒高度氧化（图 2C）。进一步测定了FF及其降解产物在水中、纳米生物界面和生物体内的含量（图 2D-F）。由于表面钝化层的阻挡作用，1 g/L nZVI100无法在7 d内有效吸附或降解FF（图 2D）。水蚯蚓单独作用下仅能将FF缓慢降解为氟苯尼考胺（FFA）。重要的是，水蚯蚓表皮界面的分泌物中检测到大量的FF脱氯产物，包括FF-Cl和FF-2Cl（图 2E）。因此进一步利用多组学技术对生物分子冠的成分进行了探究。

结构蛋白和功能蛋白介导生物分子冠的形成

图3. 蛋白质组学分析和关键蛋白质定位。(A) 蛋白质分类的Sankey图。(B) 共聚焦显微镜观察的蛋白分布，(C) Western印迹分析，以及(D) 各处理下水蚯蚓中微管蛋白、肌动蛋白、丙酰辅酶A羧化酶（Pccb）和硫氧还蛋白的相对含量。(E) 共聚焦观察生物分子冠的形成过程。(F) 水蚯蚓对nZVI100、FF及其共暴露响应的示意图。

通过蛋白组学分析，从水蚯蚓分泌物中鉴定出了52种蛋白质（图 3A），其中42种已被注释。研究发现，包括微管蛋白、肌动蛋白等在内的结构蛋白以及包括ATP合酶、丙酰-CoA羧化酶（Pccb）和硫氧还蛋白在内的功能蛋白都存在于nZVI100表面的分泌物中。使用免疫荧光进一步研究了具有代表性的结构和功能蛋白质—微管蛋白（绿色）、肌动蛋白（红色）、Pccb（蓝色）和硫氧还蛋白（粉色）的分布情况。这些结构蛋白和功能蛋白分别位于水蚯蚓表皮的外部和内部（图 3B）。有趣的是，暴露于nZVI100会诱导结构蛋白（微管蛋白和肌动蛋白）的分泌，从而形成生物分子冠，而功能蛋白（Pccb和硫氧还原蛋白）则会在nZVI-FF的共同暴露下以微管蛋白包裹囊泡的形式释放出来，与表皮上的nZVI团聚体相互作用（图 3E）。微管蛋白是一种异源二聚体蛋白，能自我组装成微管，深度参与囊泡运输，会受到FF诱导（图 3F），从而实现对污染物的响应性。虽然蛋白质本身缺乏化学反应活性，但它可催化反应产生代谢物，进而介导nZVI的化学修饰。因此通过代谢组学进一步分析了生物分子冠中的代谢物。

有机酸和尿素是生物分子冠的主要代谢物

图4. 代谢组学分析和生物分子冠的代谢合成与分泌途径。(A) 代谢物分类的循环网络。(B) 富集代谢途径概览及富集比。不同处理组水蚯蚓体内(C) 琥珀酸、(D) 乳酸、(E) 尿素和(F) L-丙氨酸的含量和分泌量。(G) 不同处理后水蚯蚓基因表达的热图。(H) 不同处理下生物分子冠代谢合成和分泌相关基因表达示意图。

代谢组学显示，水蚯蚓分泌物中的主要代谢物为氨基酸、羧酸、糖类、醇类和胺类等（图 4A），其中50%以上是有机酸。nZVI100-FF共处理增加了分泌物中的有机酸和尿素。这些成分与人体汗液中的代谢废物相似，在保护皮肤角质层方面发挥着重要作用。对富集途径的分析表明，这些代谢物主要参与葡萄糖-丙氨酸循环、氨基酸（丙氨酸等）代谢和降解以及尿素循环。代谢物的合成和分泌在一定程度上依赖于nZVI100和FF的暴露（图 4G）。在基因水平，achr、gsk和cmd表现出显著的FF依赖性上调，在nZVI-FF共同暴露下表达量最大。FF暴露激活了神经兴奋和信号传导，从而通过乙酰胆碱受体介导代谢物分泌，导致一些与糖酵解相关的基因，如pdh和enol，出现了FF依赖性上调，而大多数参与氨基转移（atr）、TCA循环（ldh、frd）和囊泡组装（bactin、tbb）的基因则出现了nZVI依赖性上调。这表明nZVI-水蚯蚓复合体对FF污染的反应能力高度依赖于对代谢物合成和分泌的精确调控（图 4H）。

代谢物在nZVI表面功能化中的作用

图5. 代谢物在促进nZVI100降解FF中的作用。(A) 基于Hirshfeld分区的独立梯度模型（IGMH）分析了乳酸-FF和尿素-FF的相互作用。(B) 乳酸和(C) 尿素与FF的ITC结合曲线；红色区域表示95%的置信区间。(D) 通过DFT计算得出的琥珀酸/乳酸-nZVI的变形电荷密度。(E) 1 g/L nZVI100与10-5 mol/L乳酸、琥珀酸、尿素、L-丙氨酸和盐酸处理后24小时内的FF残余率；饼图为电子效率。

为了了解生物分子冠中的代谢物如何促进FF界面富集和nZVI活化，分析了代谢物-FF相互作用模型（图 5A）。发现乳酸和尿素上的氧原子通过强烈的静电作用与FF中的氢原子结合，存在多个氢键。等温滴定量热法（ITC）结合曲线显示，虽然乳酸-FF和尿素-FF的反应分别为放热和吸热反应，但乳酸-FF和尿素-FF的ΔG值分别为-24.35和-8.10 kJ/mol，表明存在自发化学结合（图 4B和C）。进一步分析证实，随着乳酸和尿素浓度的增加，FF的溶解度分别增加了7.1倍和7.5倍，解释了FF在非均相界面富集的原因。另一方面，分子模拟显示琥珀酸根和乳酸根也在nZVI的改性过程中发挥了重要作用。密度泛函理论（DFT）计算表明，虽然FF与nZVI之间的相互作用很弱，但琥珀酸和乳酸倾向于通过羧基与钝化nZVI100表面的羟基共轭，吸附能（Eads）分别为-1.85 eV和-0.94 eV（图5D）。材料表面共轭作用可能会导致电子云分布密度高于钝化的nZVI，从而促进电子从内部Fe0向FF转移。在24h的模拟测试中，琥珀酸/乳酸对nZVI降解FF的促进作用比盐酸更为显著（图 5E），电子效率分别高达39.4%和55.6%，分别是盐酸的6.5倍和9.1倍。鉴于生物分子冠中活性物质的合成和分泌机制在各种无脊椎动物和脊椎动物中高度保守，广泛分布的土著生物与纳米材料之间可能存在类似的修饰策略。重要的是，这种利用生物分子冠增强纳米技术的新方法为复杂环境基质中的污染治理提供了新思路，有望大幅缩短纳米技术开发所需的时间和研发成本，促进环境、材料、生物等学科的交叉融合与协同发展。

小结

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纳米材料表面工程是一项前景广阔的环境修复材料设计策略，但多功能纳米材料的修饰面临高昂的试错成本和纳米材料特性间难以平衡的瓶颈。本研究发现生物体可通过特定功能蛋白和代谢物的定向合成与分泌，实现生物分子冠介导的材料表面修饰，赋予材料对新兴污染物的智能响应、界面富集以及强化降解功能，为未来纳米材料表面功能化提供了师法自然的设计理念。

本研究得到国家自然科学基金项目(42192573、22193061、U21A20163、22376181)、国家重点研发计划项目(2022YFC3702100)、浙江省重点研发计划项目(2024C03228)资助。

作者简介

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侯杰: 浙江大学环境与资源学院副研究员，硕士生导师。主要研究方向为环境纳米生物技术，近年来从功能材料与生物的相互作用中获取灵感，实现纳米技术在环境领域的绿色高效应用。在PNAS、ACS Nano、Environ. Sci. & Technol.等刊物发表论文40余篇，其中一作/通讯SCI论文20篇，主持国家自然科学基金面上和青年基金、国家重点研发计划子课题、浙江省重点研发计划等6项国家/省部级科研项目。

(生态修复网)

（转自：生态修复网）

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