图1. 菌株对四环素的生物降解机制
近日，石河子大学化学化工学院的合成生物与生物制造团队成员-范建华、徐小琳、安雄芳教授成功开发了一种新型生物炭-酵母复合材料（FeBC-LUK1），该材料不仅能高效降解水体中的四环素抗生素，还能将残留药物转化为低毒产物，最终矿化为二氧化碳和水，为实现抗生素污染物的“无害化”与“资源化处理提供了全新的技术路径。相关成果（In-situ assembled biochar-yeast hybrid for tetracycline detoxification: Unparalleled robustness, toxicity assessment, and multi-omics analysis，DOI: 10.1016/j.cej.2025.171170）发表于《Chemical Engineering Journal》期刊，合作单位包括华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室及其新疆基地，本研究得到了国家自然科学基金青年科学基金项目、石河子大学科研启动项目及新疆维吾尔自治区重点研发计划等项目的支持。
四环素作为一种广泛使用的抗生素，其环境残留带来的生态风险与耐药基因扩散问题日益严峻。针对此问题，研究团队巧妙地将可降解四环素的酵母菌（Meyerozyma guilliermondii LUK1）与富含铁元素的生物炭载体相结合，构建了兼具吸附与生物降解功能的FeBC-LUK1复合材料。该材料通过三重协同机制实现高效降解：首先，菌株在生物炭表面形成生物膜，构建了介孔网络，将比表面积从1.70提升至3.68 m²/g，极大改善了传质效率；其次，微生物分泌的胞外聚合物提供了丰富的活性位点；最关键的是，材料中稳定的Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原循环（Fe²⁺占比57.28%-60.50%）构建了一条高效的电子传递“高速公路”，显著加速了降解反应。
图2.新型炭基-酵母复合杂化材料形貌与界面作用分析
该系统展现出优异的降解性能与环境适应性。实验数据表明，FeBC-LUK1在168小时内对四环素的降解率达到99.09%，较游离LUK1的半衰期缩短40.90%，矿化率提升至81.10%。该材料在极端环境条件下仍保持优异性能：在pH 3-8范围内，降解效率达46.69%-89.70%在15-40℃条件下，降解效率保持在68.93%-97.66%，5%盐度下仍保持58.23%的降解效率，在5 mmol/L重金属离子共存下，对Cr和Co的降解效率分别提升62.9%和80.0%。
图3. 新型炭基-酵母复合杂化材料对三氯生降解与机制解析
通过代谢产物分析，研究团队鉴定出14种中间产物，并提出了三条四环素降解路径：C4位点修饰（脱甲基化、脱酰胺化反应）、C6位点氧化裂解（涉及脱羟基化和开环反应）和协同脱官能团化（多步骤协同去除活性基团）。最终，四环素被转化为低毒性的直链化合物，并进一步矿化为CO₂和H₂O。生态毒性评估系统证实了降解过程的高效解毒效果。结果表明，代表性终产物P13（直链化合物）对鱼类的急性毒性较母体四环素大幅降低，其半数致死浓度（LC50）从78.5 mg/L提升至511 mg/L，根据分类标准已由“有毒”降至“无害”。同时，对绿藻的慢性毒性评估也显示，慢性毒性值（ChV）从0.789 mg/L提升至29.6 mg/L，表明其对水生生态系统的长期风险已得到有效控制。此外，降解产物对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的抑菌圈直径分别减小了78.33%和82.47%，证明其固有的抗生素活性已基本被破坏。
图4. 生物毒性测试
多组学分析揭示了酵母菌LUK1应对四环素胁迫的精细调控机制。转录组、蛋白组与代谢组的联合分析表明，菌株通过广泛的代谢重编程响应胁迫，其中脂质代谢（如脂肪酸β-氧化）被显著激活，作为替代能源，为细胞解毒过程持续供应ATP与还原力NAD(P)H。在解毒途径方面，细胞色素P450等氧化还原酶负责催化四环素的羟基化与脱甲基化等化学修饰反应，而MFS等转运蛋白则可能介导底物摄入与产物外排，两者协同构成了一条高效的“摄入 – 修饰 – 外排”功能链。该途径的活跃进一步得到代谢组学数据的支持，脂质类代谢物积累与芳香环裂解中间体的检出相互印证，共同描绘出四环素从开环裂解直至最终矿化的完整代谢路径。
图5. 基因组、转录组和蛋白质组分析
该研究成果兼具显著的应用潜力与深远的科学价值。所开发的复合材料以棉秆等农业废弃物为原料，成本低廉且环境友好；在连续5次循环使用后仍保持83.57%的降解效率，展现出优异的操作稳定性与工程化潜力；该技术广泛适用于污水处理厂、畜牧养殖及制药废水等场景，为复杂环境下的抗生素污染治理提供了绿色解决方案。此外，研究通过多组学技术系统阐释了微生物应对抗生素胁迫的代谢重塑机制，为环境微生物学与合成生物制造领域提供了理论范式。
图文：安雄芳 初审：张海洋 复审：刘平 终审：徐炜杰
