新/微污染物廣泛存在于水環(huán)境中，由于其難降解特性對(duì)生態(tài)系統(tǒng)與人類(lèi)健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。酶催化生物降解因其高選擇性和環(huán)境友好特性被視為理想的水處理修復(fù)策略。然而，酶分子在實(shí)際應(yīng)用中面臨化學(xué)穩(wěn)定性差、水溶性強(qiáng)導(dǎo)致的快速失活和回收困難等挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)酶固定化方法雖能部分解決這些問(wèn)題，但常因載體與酶間作用力不當(dāng)（過(guò)強(qiáng)如共價(jià)鍵導(dǎo)致酶構(gòu)象變形失活，過(guò)弱則難以抵抗環(huán)境干擾）而難以平衡酶活性與穩(wěn)定性，成為限制其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。因此，如何建立高效的酶組裝策略并揭示其分子水平的作用機(jī)制，亟待深入探究，這對(duì)推動(dòng)酶催化技術(shù)在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用具有關(guān)鍵支撐作用。

CAHB作為一類(lèi)特殊的短強(qiáng)氫鍵，強(qiáng)度介于共價(jià)鍵與普通氫鍵之間，具有部分共價(jià)鍵特性，在作者前期工作中被發(fā)現(xiàn)存在于離子型有機(jī)污染物與碳質(zhì)材料界面（Environ. Sci. Technol. 2022, 56, 9356），有望成為新的酶固定化策略。但如何將該機(jī)制拓展至酶固定領(lǐng)域，并有效提升酶催化體系效能，仍面臨諸多挑戰(zhàn)。本研究創(chuàng)新性地拓展并延伸了CAHB的理論認(rèn)識(shí)，將其應(yīng)用于生物大分子與載體材料間的界面調(diào)控，成功實(shí)現(xiàn)了漆酶在材料表面的高效組裝與活性保護(hù)。研究開(kāi)發(fā)了多功能纖維素基水凝膠載體體系（集成β-環(huán)糊精疏水空腔富集新/微污染物、蒙脫石納米片通過(guò)配位鍵增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度），通過(guò)調(diào)控載體與漆酶間帶電基團(tuán)的質(zhì)子親和力或零電荷點(diǎn)差異，形成了強(qiáng)且穩(wěn)定的CAHB界面相互作用，并闡明和量化了酶中不同氨基酸的氫鍵作用位點(diǎn)、貢獻(xiàn)、強(qiáng)度和穩(wěn)定性。這種介于強(qiáng)弱之間的獨(dú)特界面作用既保證了高負(fù)載密度，又保留了酶的天然構(gòu)象和催化中心，克服了傳統(tǒng)固定化方法的理論瓶頸，且被證實(shí)可擴(kuò)展至其他酶類(lèi)體系。

基于CAHB的界面調(diào)控和底物捕獲顯著增強(qiáng)了漆酶的底物親和力、電子轉(zhuǎn)移和催化效率，使其對(duì)水中多種目標(biāo)新/微污染物（多環(huán)芳烴、抗生素、全氟化合物等）的去除降解能力顯著提升，在復(fù)雜環(huán)境條件、真實(shí)廢水體系、回收試驗(yàn)中仍保持優(yōu)異性能。研究還系統(tǒng)解析了污染物降解的分子路徑與產(chǎn)物毒性。本研究將CAHB從污染物吸附理論成功拓展至生物催化界面控制，深化了這一機(jī)制的科學(xué)認(rèn)識(shí)，為環(huán)境生物修復(fù)技術(shù)的發(fā)展提供一定思路，同時(shí)也為其他環(huán)境功能材料與創(chuàng)新生物催化劑（酶編輯工程、生物傳感器、生物燃料電池等）的靶向設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。應(yīng)當(dāng)注意的是，CAHB作為一種新型的分子間相互作用，也可能存在于自然環(huán)境中各類(lèi)帶電體系/污染物（如抗生素、全氟化合物PFAS、碳質(zhì)材料、微塑料、溶解性有機(jī)質(zhì)DOM、天然酶、類(lèi)酶物質(zhì)等）的界面過(guò)程中，這也為深入理解新/微污染物在自然環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化行為及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控提供新的理論視角。

圖1.酶組裝的CAHB機(jī)制

圖2. 組裝漆酶對(duì)污染物的去除性能、可重復(fù)使用性、降解機(jī)制與途徑、產(chǎn)物毒性評(píng)估

相關(guān)成果以"Advanced enzyme-assembled hydrogels for the remediation of contaminated water"為題發(fā)表于Nature Communications。論文第一作者為北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院博士研究生張金龍，通訊作者為北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院王喜龍教授。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持。文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-58338-9.