全文速览

基于对海洋微生物腐蚀现象的创新性思考，本研究利用腐蚀微生物Shewanella algae的异化硫酸盐还原及其生物矿化能力，成功制备了一种新型钴基催化材料（SA@CoS）。该材料具有独特的纳米花结构与丰富的硫空位，在过一硫酸盐活化体系中，对多种有机污染物的降解效率优于化学合成的CoS材料，并表现出极低的钴离子浸出率。该研究不仅为微生物腐蚀过程的功能化利用提供了范例，也为开发高效、环境友好的水处理技术提供了新思路。

研究背景

随着工业化进程的不断推进，大量难降解有机污染物（如染料、抗生素）被排放至水体环境，对生态系统和公众健康构成了严重威胁。基于过一硫酸盐的高级氧化工艺因具备强氧化性及较宽的pH适用范围，被视为一类具有重要应用前景的水处理技术。在该技术体系中，钴基材料是活化过一硫酸盐的高效催化剂之一。然而，传统物理化学方法合成的钴基催化剂往往面临合成能耗高、易产生有害副产物，以及在使用过程中钴离子易浸出等问题，其潜在的生物毒性和环境风险制约了其大规模应用。在此背景下，微生物腐蚀过程所展现的独特界面反应与生物矿化能力，为钴基催化材料的绿色合成提供了新思路。通过模拟或利用此类自然过程，可在催化剂的合成与应用阶段实现绿色化的协同优化，从而推动高级氧化技术向环境友好与可持续方向纵深发展。

本文亮点

图文解析

本研究利用腐蚀微生物Shewanella algae的生物代谢过程，原位自组装制备了生物分子修饰的SA@CoS纳米花。这一绿色合成策略赋予了材料优异的结构稳定性（极低的钴浸出）和高效的催化活性，可用于活化过一硫酸盐高效降解水体环境污染物。 

图1. (A) CoS与SA@CoS的XRD图谱；(B、C) CoS及(D–F) SA@CoS的SEM图像；(G) CoS与SA@CoS的EDS能谱；(H) CoS与SA@CoS的FT-IR图谱；(I) SA@CoS与CoS的硫空位对比分析。

图2. (A) CoS/PMS与SA@CoS/PMS体系对RhB和TC的降解效率对比图；(B, C) SA@CoS添加量及 (D, E) PMS浓度对RhB效率降解的影响；(F, G) SA@CoS添加量及 (H, I) PMS浓度对TC降解效率的影响。

图3. (A, B) 不同淬灭剂对RhB与TC降解效率的影响；(C)活性物种的贡献对比分析；(D) TEMP-¹O₂, (E) DMPO-·OH/SO₄·⁻, (F) DMPO-·O₂⁻的ESR谱图分析；(G)降解过程中的自由基与非自由基路径。

图4. SA@CoS/PMS 体系中 (A) RhB 与 (B) TC 的降解路径分析。

图5. RhB与TC及其降解中间产物的急性毒性评估：(A, D) 大型溞半数致死浓度；(B, E) 黑头呆鱼半数致死浓度；(C, F) 发育毒性。

总结与展望

本研究通过腐蚀微生物Shewanella algae介导合成了一种SA@CoS催化剂。该材料具有独特的纳米花结构、丰富的硫空位及表面包覆的生物分子，展现出高比表面积、优异的电子传递能力与结构稳定性。在过一硫酸盐活化体系中，SA@CoS对多种染料及抗生素均表现出优异的降解性能，在较宽的pH与温度范围内均能在10分钟内实现高效去除效率，其作用机制以单线态氧主导的非自由基路径为主。在实际水体环境中，该体系仍保持优异的催化活性，且钴离子浸出浓度远低于安全排放标准，展现出良好的环境适用性与实际应用潜力。未来研究将聚焦于探索纳米材料的生物合成机制、拓展其在新兴污染物治理中的应用、并推进连续流反应器中的工艺集成，为发展绿色高效的水处理技术提供新途径。

作者介绍

侯保荣（共同通讯作者）：中国工程院院士，中国科学院海洋研究所研究员，中国海洋防腐蚀产业技术创新战略联盟理事长。我国海洋腐蚀与防护学科学术带头人，作为首席科学家承担“十一五”、“十二五”国家科技支撑计划、973重点研发计划、基金委国家重大科研仪器研制项目、中国科学院战略先导专项（A类）等。先后荣获2021年联合国世界腐蚀组织(首届)“腐蚀成就奖”、2021年中国科学院杰出科技成就奖、国家科技进步二等奖、山东省科学技术最高奖、何梁何利科学与技术奖、山东省技术发明一等奖等重大奖项。

翟晓凡（共同通讯作者）：中国科学院海洋研究所副研究员，入选中国科协青托人才项目。主要从事海洋环境微生物腐蚀机制与防护技术研究。以第一/通讯作者在AFM、JMST等期刊发表SCI论文47篇，主持中国科学院先导专项课题、NSFC面上项目等科研项目，获山东省自然科学二等奖、青岛市青年科技奖、山东省腐蚀与防护学会自然科学一等奖等奖励，担任中国腐蚀与防护学会青工委/女工委委员、山东省腐蚀与防护学会理事。

杨静（第一作者）：中国科学院海洋研究所博士研究生，导师为侯保荣院士与翟晓凡副研究员，主要研究方向为“腐蚀微生物介导功能纳米材料的生物制备及其应用研究”。

引用本文