导读

抗生素污染治理难题取得新进展！近日，中山大学土木工程学院尹启东和贺凯课题组在国际知名期刊《ACS ES&T Engineering》发表了题为《Encapsulated Hydrogels Enhance Sulfamethoxazole Removal via Structure-Driven Microbial Metabolisms》的正封面研究论文。该研究聚焦于抗生素污染治理中的关键问题，提出通过调控水凝胶微结构以引导微生物代谢路径的新策略，显著提升了磺胺甲噁唑（SMX）的去除效率与系统稳定性。在该研究中，尹老师课题组与岛津分析中心携手合作，基于成像质谱显微镜iMScope QT对生物水凝胶内部结构与磺胺甲噁唑（SMX）的吸附与降解行为进行表征，验证了生物水凝胶促进SMX废水降解的能力，为进一步解析水凝胶的作用机制、调控水凝胶微结构以提升对SMX的去除效率提供了强有力技术支持。

ACS EST Engg. 2025, 5, 9, 2401–2412

https://doi.org/10.1021/acsestengg.5c00342

文章封面图片

生物水凝胶抗生素污染治理的新钥匙？

当前，抗生素污染已成为全球水环境治理中的一项紧迫难题。磺胺甲噁唑（SMX）作为一类广泛用于医疗与畜牧行业的广谱抗生素，在各类废水中频繁检出，对生态系统安全和公众健康构成显著风险。导电生物水凝胶是一种具有多维网络结构的亲水性高分子材料，含有导电活性炭并可以封装厌氧微生物，其结构特性和厌氧微生物对物质的降解特性，使之展现出增强污染物去除的能力，在抗生素等污水治理中具有广阔的应用前景。然而，水凝胶结构复杂，不同结构的水凝胶如何通过调控微生物群落组成和代谢功能来促进抗生素降解，目前仍缺乏系统研究。

研究成果快览

本研究构建了两种不同聚合物浓度（7.5% PVA-1% SA 与 9% PVA-1% SA）的生物水凝胶系统（gel7.5 与 gel9），并通过封装厌氧污泥形成微生物功能载体。相较于对照组（67.7%），两种凝胶系统均显著提升了SMX的去除效率，分别达到90.2% 和 87.7%。

为进一步解析其作用机制，研究结合冷冻扫描电镜（SEM）和质谱成像（MSI）技术，对水凝胶内部结构与SMX空间分布特征进行表征，验证了生物水凝胶促进SMX废水降解的能力。宏基因组分析表明，凝胶结构差异驱动了关键SMX降解菌属的选择性富集：gel7.5 中慢微菌属（Lentimicrobium）占优势，而gel9中假单胞菌属（Pseudomonas）和不动杆菌属（Acinetobacter）占优势。功能基因分析进一步表明，gel7.5 和 gel9 促进了不同的单加氧酶途径来实现 SMX 的转化。研究表明，生物水凝胶为增强SMX的去除效果提供了一个多功能平台，其通过吸附与微生物降解相结合的方式发挥作用；水凝胶的结构会影响微生物群落功能与生物降解机制，为处理抗生素污染的废水提供了一种有效且灵活的解决方案，同时还能降低耐药基因传播的风险。

图1.生物水凝胶促进磺胺甲噁唑（SMX）降解的机制

iMScope QT对生物水凝胶中SMX的吸附与降解行为进行表征

质谱成像（MSI）作为一种集高灵敏度质谱分析和高精度空间分辨率成像于一体的新技术，能够在不破坏样品结构的前提下，直接从样品表面采集和鉴定分子信息，近年来已成为环境分析和毒理学研究中最具前景的新技术之一，为水、大气及土壤污染的监测，特别是污染物的原位识别与毒性效应研究提供了全新的技术视角。为了直观地观察生物水凝胶对抗生素的吸附特性及微生物的降解效果，本研究应用成像质谱显微镜iMScope QT直接对水凝胶切片gel7.5和gel9进行了检测。首先通过冷冻切片机制备冷冻切片，随后使用岛津全自动基质升华仪和基质喷雾仪在切片表面采用两步基质涂敷法涂敷基质，该方法可获得均匀且精细的基质结晶，有效提高质谱成像的空间分辨率与实验重复性，最后将处理后的切片放入iMScope QT中进行分析。

图2.生物水凝胶质谱成像检测流程

成像结果显示，SMX在整体水凝胶中均有分布，即生物水凝胶对废水中的抗生素（SMX）具有吸附作用；对于gel7.5和gel9，在降解（添加厌氧微生物进行反应）之后，废水中SMX含量明显降低，得到有效降解，验证了生物水凝胶促进SMX废水降解的能力。同时，MSI结果进一步揭示，SMX在gel7.5中的渗透和分布更均匀，该结构有利于SMX的生物可利用性和微生物接触效率。这一结构特征可能是gel7.5表现出更高去除效率和产甲烷性能的机制基础之一。

图3.生物水凝胶切片微观结构与分布分析

(a) 磺胺甲噁唑的分子结构;(b) gel7.5与gel9吸附和降解后半定量结果;(c) gel7.5吸附和降解后的光学图像、质谱成像及融合图像;(d) gel9吸附和降解后的光学图像、质谱成像及融合图像

专家心声

中山大学土木工程学院尹启东老师表示：我们在开展厌氧生物水凝胶结构对磺胺甲噁唑（SMX）去除的增强机制研究中，使用岛津成像质谱显微镜iMScope QT对生物水凝胶中SMX的的空间分布信息进行了表征，为深入解析水凝胶对SMX去除的作用机制提供了有力的数据支撑。该方法无需化合物提取，直接对完整水凝胶切片进行检测，简便快速，为水凝胶的制备工艺优化和废水处理效果评估提供了新思路。本项目的顺利推进，离不开岛津广州分析中心质谱成像仪器平台的大力支持，以及应用工程师团队提供的专业技术保障。我们非常期待未来能与岛津开展更多合作！

参考文献

Xinrui Lin, Zhipeng Xu, et al. Encapsulated Hydrogels Enhance Sulfamethoxazole Removal via Structure-Driven Microbial Metabolisms. ACS EST Engg. 2025, 5, 9, 2401–2412.

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