CREST/RECT | 中国农业大学李洁明团队:磺胺类药物绿色酶催化修复与环境风险解析
近日，中国农业大学资源与环境学院李洁明教授课题组围绕典型药物类新污染物——磺胺类药物（Sulfonamides，SAs）的绿色削减与环境风险开展系统研究，在环境领域权威期刊Critical Reviews in Environmental Science and Technology和Reviews of Environmental Contamination and Toxicology连续发表2篇综述文章，从绿色酶催化治理和全球环境风险解析两个维度，共同构建了“污染识别—风险解析—绿色削减—智能治理”的全过程研究框架，为磺胺类药物污染的风险管控与可持续治理提供了理论依据和技术路径。两篇文章分别是《酶催化作为磺胺类环境修复的可持续途径：进展、机制、挑战与未来展望》（Enzymatic catalysis as a sustainable approach toward environmental remediation of sulfonamides: advances, mechanisms, challenges and future perspectives）和《磺胺类污染作为全球生态挑战：环境赋存、环境归趋、毒理效应与抗生素抗性基因传播综述》（Sulfonamide pollution as a global eco-challenge: an overview of occurrence, environmental fate, toxicological effects, and the dissemination of antibiotic resistance genes）。文章聚焦漆酶、单加氧酶、过氧化物酶及工程化酶的催化机制、转化路径、产物毒性与性能强化策略，并系统梳理了磺胺类药物在水体、土壤、沉积物和生物体中的赋存特征、迁移转化过程、生态毒性及抗生素抗性基因传播风险。酶催化修复方面，系统归纳了多类型酶催化降解磺胺类药物的机制与应用进展。针对传统吸附、膜分离和高级氧化技术可能存在能耗较高、污染物转移及副产物风险等问题，重点总结了漆酶、单加氧酶、过氧化物酶及工程化酶在磺胺类药物绿色修复中的作用。漆酶和过氧化物酶主要通过电子转移及自由基介导的氧化反应促进污染物转化，单加氧酶则可通过氧插入和ipso-羟基化等反应选择性破坏关键化学结构。图1 漆酶、单加氧酶和过氧化物酶的结构及催化降解机制研究指出磺胺类分子中的磺酰胺键（—SO2—NH—）是酶催化反应的重要作用位点，不同取代基结构会显著影响酶—底物结合模式、降解效率和产物形成路径。不同酶体系可促进污染物发生羟基化、氧化、脱氨、偶联以及化学键断裂等反应。此外，污染物浓度降低并不等同于环境风险完全消除，因此需要同步关注转化产物的结构、环境归趋及生态毒性。基于毒性预测工具的综合分析表明，大多数酶促降解产物的预测毒性较母体化合物明显降低，部分产物的毒性可基本消除，表明酶催化技术具有实现污染物降解与生态脱毒协同的潜力。针对游离酶稳定性不足、回收利用率低、复杂环境适应性较弱和规模化成本较高等瓶颈，文章系统总结了培养条件优化、酶固定化、定向进化和蛋白质工程等性能强化策略。在此基础上，提出将AlphaFold等蛋白质结构预测工具与分子对接、分子动力学、量子化学计算及机器学习相结合，识别影响酶催化活性、底物选择性和结构稳定性的关键位点，建立“计算设计—实验构建—性能测试—数据反馈”的闭环优化体系。同时，可将高性能酶与合成生物学、智能材料和连续流生物反应器相结合，构建具备“感知—响应—降解—自限”功能的智能生物修复系统，推动磺胺类药物治理由污染物末端去除向精准降解、风险削减和源头预防转变。图3 磺胺类药物酶催化修复的性能强化策略与工程应用框架在系统总结绿色酶催化治理路径的基础上，文章进一步从全球尺度梳理了磺胺类药物的环境赋存、迁移转化及复合生态风险，为酶催化修复技术的研发与应用提供了污染背景和风险依据。环境风险方面，系统梳理了复杂环境条件下磺胺类药物的跨介质迁移与协同转化过程。研究整合了12种代表性磺胺类药物的全球监测数据，表明其已广泛存在于水体、土壤、沉积物及生物体中。磺胺类药物具有较高的水溶性、较强的化学稳定性和明显的酸碱解离特征，可以中性分子或离子形态存在于环境中，并在水体、土壤、沉积物和生物体之间发生迁移、吸附、解吸和重新分配。其环境归趋受到pH、溶解性有机质、矿物组成、光照条件、水动力过程及微生物群落等多种因素的共同调控。极端降雨、洪水、干旱和高温等环境事件还可能改变地表冲刷、沉积物再悬浮、光化学反应和生物降解过程，进一步增强环境暴露的时空不确定性。由此突破了单一环境介质的分析视角，提出应从水体—土壤—沉积物—生物体多介质耦合的角度认识磺胺类药物的环境行为。图4 磺磺胺类药物的环境来源、迁移转化及生态健康风险文章进一步系统总结了磺胺类药物引发的“污染—耐药”复合生态风险。磺胺类药物不仅能够诱导藻类、植物、无脊椎动物、鱼类及土壤微生物产生氧化应激、生长抑制、生殖损伤和代谢紊乱，还可能在生物体内积累并沿食物链迁移。更值得关注的是，环境中的低剂量抗生素残留会对微生物产生持续选择压力，促进耐药菌以及sul1、sul2等磺胺类抗性基因的富集与水平转移。部分磺胺类代谢产物还可能通过提高活性氧水平、改变细胞膜通透性和增强细菌接合转移，表现出比母体化合物更强的抗性基因传播能力，进而形成“抗生素残留—抗性基因扩散—微生物功能退化”的恶性循环。中国农业大学为上述文章的第一完成单位，资环学院在读博士生张伟康为第一作者，已于Critical Reviews in Environmental Science and Technology、Journal of Hazardous Materials、Reviews of Environmental Contamination and Toxicology、Journal of Inorganic Biochemistry等期刊发表多篇文章，李洁明教授为通讯（或共同通讯）作者。上述文章得到国家自然科学基金项目资助。论文链接:
https://doi.org/10.1080/10643389.2026.2675940https://doi.org/10.1007/s44169-026-00112-z
