让活体材料动起来：Janus微凝胶机器人提高抗生素降解与回收效率

研究背景

抗生素在水体中的累积正加剧全球超级细菌耐药危机，亟需发展兼具高效率与可持续性的新型治理技术。现有的物理吸附与化学降解技术往往伴随着二次污染或难以满足环境友好要求。以微藻为代表的生物处理技术虽具有良好的生物相容性与环境友好潜力，却受限于较低的抗生素降解效率以及难以实现高效回收与循环利用。因此，设计能够同步实现高效降解与便捷回收的新型活体材料，为抗生素污染提供可持续的解决方案。

研究进展

杭州师范大学刘俊秋/吴柏衡团队与浙江大学张超团队合作，通过多尺度工程策略，成功构建了一种Janus微凝胶机器人（JMR），用于主动增强活体材料的降解效率，并赋予磁控传质强化与回收功能。

该工作首先对小球藻（C.pyrenoidosa）进行原位矿化，构建了TiO2-C.pyrenoidosa生物杂化体系。然后采用气体剪切微流控技术，将TiO₂-C.pyrenoidosa杂化体与Fe₃O₄磁性纳米颗粒精准构筑为Janus结构的微凝胶机器人。此设计有效隔离了Fe₃O₄对藻细胞的潜在毒性，同时赋予了机器人磁控传质强化和高效回收的能力。为进一步保障环境生物安全，JMR外层还进行了聚丙烯酰胺（PAAm）二次封装，有效防止细胞泄漏。

最后，作者对水体中典型抗生素左氧氟沙星（LEV）开展了降解实验，并对材料的降解性能与循环稳定性进行了系统评估。结果表明，在模拟日光下，JMR在10小时内对LEV的降解率达77%，其降解效率约为游离小球藻的10倍。在此基础上，施加旋转磁场可通过强化传质作用进一步提升降解效率10.6%。此外，JMR表现出优异的循环稳定性，在连续使用3次后，其降解性能仍能保持在初始效率的95%以上。

随后，研究团队深入探讨了JMR实现抗生素高效降解的协同增强机制。结果表明，TiO₂与C.pyrenoidosa通过构建生物杂化界面，实现了光催化与生物代谢的深度协同。一方面，TiO₂在光照下产生的光生电子能够有效地进入微藻的光合电子传递链，通过增强其代谢能力显著提升了微藻对LEV的生物降解效率。另一方面，TiO₂的光催化作用同时产生部分活性氧物种，通过强氧化作用直接攻击并降解抗生素分子。这种代谢增强与光催化氧化的双重协同作用，显著提升了JMR对抗生素的降解效率。

未来展望

本研究通过多尺度工程策略，构建了一种集光催化、生物降解、磁控传质强化与回收于一体的活体Janus微凝胶机器人，旨在改善微藻在环境修复中降解效率低和难以回收的问题。该工作为可持续活体材料的设计提供了新思路，也为构建无机-微生物杂化系统提供了参考，未来或有望在环境治理、靶向药物递送及高附加值化学品的绿色生物合成等多个领域进行探索。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.1167