抗生素在环境中残留会给人类健康带来危害，而在许多抗生素中，包括青霉素、阿莫西林、头孢氨苄等在内的β-内酰胺类抗生素用量占比约为70%。围绕水中β-内酰胺类抗生素的降解难题，近日，中国科学院化学研究所研究员马万红及合作者发现一种新型光催化体系，能够高效、高选择性地分解β-内酰胺类抗生素分子，并完全脱羧。相关研究成果发表于美国《国家科学院院刊》。
据了解，受抗生素分子本身固有的抗菌活性影响，目前常用的生物降解方法处理效率普遍偏低。β-内酰胺类抗生素的生物活性主要来源于β-内酰胺四元环，如何实现β-内酰胺四元环的经济、高效降解是亟待解决的难题。
最新研究中，研究人员利用过渡金属离子锚定在共价有机框架材料（COFs）上，制备了路易斯（Lewis）酸复合光催化剂，发展出一种新型光催化开环-脱羧体系。
研究人员介绍，作为一类常见的均相Lewis酸催化剂，Cu2+、Zn2+等过渡金属离子可催化酰胺键、酯键的水解反应，但由于常温下水解效率低，实际运行中很难通过加热庞大的污/废水体系来消除微量抗生素污染物。
针对这个问题，马万红团队发现，将Cu2+锚定在带有联吡啶基团的COF材料上，既可保证Cu2+的Lewis酸的催化特性，又拓展了COFs材料在可见光区的光热转化效应，将有限的热能最大限度集中在Cu2+催化位点上。可见光照射1分钟即可在气/固条件下将Cu2+位点从室温上升到211摄氏度以上。
这一催化体系在常温水介质中可将催化位点的局域温度升高到60摄氏度，提高了β-内酰胺键催化分解速率。实验显示，光照射10分钟即可完成几乎所有的β-内酰胺类抗生素的开环分解，速率比暗反应提高了24倍。
该团队表示，与传统的氧化矿化为主的降解路径不同，该催化体系有效避免了水中共存溶解性有机/无机物的干扰，分解产物的可生化性显著提高，可以并入传统生化处理系统中。同时，与传统的均相Lewis酸催化相比，该体系的开环分解产物是全脱羧的，具有更低的致畸、致癌以及内分泌干扰等毒性。
相关论文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2302761120
（原载于《中国科学报》 2024-01-05 第1版 要闻）
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