综述：基于机制引导的磷酸酶类纳米酶工程，用于检测和修复有机磷酸酯

《ADVANCES IN COLLOID AND INTERFACE SCIENCE》：Mechanism-guided engineering of phosphatase-like nanozymes for sensing and remediation of organophosphate esters

磷酯酶-like纳米酶通过协同调控金属中心酸化、质子传递网络、亲核位点供应及微环境调控实现有机磷酯高效水解，其结构-活性关系可由颗粒尺寸、表面官能化及杂原子掺杂优化。该技术已拓展至环境传感（显色/荧光/电化学平台）和污染修复（水/土壤体系）。当前挑战包括反应机理不明确、选择性不足及规模化生产瓶颈，未来需结合原位表征、机器学习辅助设计和生物杂合策略推动应用转化。

　　

雷王|程东乐|王晨|刘晓青|刘华清|陈志杰|曹晓强|张龙龙|王彦龙|张健

中国山东省科技大学安全与环境工程学院黄河三角洲地表过程与生态完整性研究所，青岛266590

摘要

有机磷酸酯（OPEs）被广泛用作阻燃剂、增塑剂、农药和神经毒剂模拟物，由于其持久性、生物累积性和神经毒性，已成为全球关注的新兴污染物。因此，开发能够在温和且可扩展条件下催化其水解的人工酶具有重要意义。类磷酸酶纳米酶结合了无机催化剂的稳健性和酶的底物特异性，成为OPEs解毒和检测的有前景的平台。本综述系统阐明了控制磷酸酯水解的催化机制，提出了指导合理纳米酶设计的四个关键机制：(i) 金属中心上的路易斯酸极化以活化P-O键；(ii) 通用酸碱质子传递网络，将水活化与离去基团稳定相结合；(iii) 通过M-OH或μ-OH基团提供预活化的亲核试剂；(iv) 微环境和界面调控，通过氢键网络定向底物并稳定过渡态。我们还总结了通过调整粒径、控制形态、掺杂杂原子、表面功能化和混合构建得到的结构-活性关系，这些措施共同优化了活性位点的可及性和路易斯酸强度。这些原理随后被应用于环境监测领域，包括比色、荧光、电化学和可穿戴传感平台，以及用于水和土壤中有机磷酸酯降解的可扩展催化系统。最后，讨论了当前面临的挑战，如机制不明确、选择性有限和缺乏标准化基准测试，并展望了操作光谱学、机器学习辅助发现和生物混合集成等未来发展方向。通过将机制理解与材料工程相结合，类磷酸酶纳米酶可以从实验室奇观发展成为用于实际监测和修复有机磷酸酯污染物的多功能工具。

引言

有机磷化合物以碳-磷或磷酸衍生键为特征，广泛用于农药、增塑剂、阻燃剂和神经毒剂[1]，[2]。其中，有机磷酸酯（OPEs）由于全球产量的增加和在消费品及工业产品中的广泛应用，已成为普遍存在的环境污染物[3]，[4]。这些化合物通过挥发（图1a）、浸出和处理材料的磨损释放到空气、水和土壤中，导致持久性污染和严重的毒理学效应，如内分泌干扰、生殖毒性和神经毒性以及致癌性[5]，[6]，[7]。它们的化学稳定性和移动性使其能够长距离传输，因此迫切需要高效和可持续的解毒策略。

传统的物理化学方法，包括吸附、高级氧化、光解、电催化和微生物降解，虽然取得了一定成功，但往往存在能耗高、矿化不完全和二次污染等问题[8]，[9]，[10]。天然磷酸酶（如有机磷水解酶）对P-O键和P-F键的断裂具有显著的催化选择性[11]，[12]。然而，它们的实际应用受到复杂纯化过程、狭窄的操作pH/温度范围和有限重复使用性的限制。这些限制促进了基于纳米材料的人工酶纳米酶的发展，这类纳米酶结合了无机催化剂的稳健性和生物催化剂的选择性[13]。

自2007年发现具有过氧化物酶活性的Fe₃O₄纳米颗粒以来，纳米酶研究迅速发展[14]。然而，该领域仍主要集中在氧化还原反应上，占已发表研究的98%以上，而水解类纳米酶仅占一小部分[15]。在这一子集中，模拟磷酸酶活性的材料特别具有吸引力，因为它们可以直接断裂OPEs、有机磷农药和化学战模拟物中的P-O键或P-F键[16]。尽管如此，报道的此类系统很少，其设计通常依赖于将天然活性位点结构（例如Zn²⁺口袋）移植到无机基质中[15]。缺乏统一的机制理解阻碍了这些催化剂的合理优化。

最近发现的基于Ce、Zr、Ti、Zn、Au和Fe的纳米酶表现出高效的水解磷酸酯活性，表明机制指导的设计可以填补这一空白[16]，[17]，[18]。因此，本综述总结了支持类磷酸酶催化的新兴机制见解，并将其转化为可操作的工程原则。讨论从催化机制（第2节）展开，到结构-活性调控（第3节），再到环境监测和修复中的实际应用（第4节），最后探讨了未来的挑战和前景。

部分内容摘要

生物化学范式和一般反应路径

天然磷酸酶（如碱性磷酸酶（ALP）和磷酸三酯酶（PTE）为磷酸酯水解提供了生物化学蓝图[19]，[20]。这些酶利用双核Zn²⁺中心作为路易斯酸，极化P-O键并稳定五配位过渡态；同时，相邻残基（如组氨酸或天冬氨酸）参与质子转移和离去基团的稳定（图2a，b）[21]。模仿这一范式，类磷酸酶

催化活性的结构导向调控

类磷酸酶纳米酶的催化效率源于路易斯酸活化、质子传递耦合、亲核试剂供应和界面微环境的协同调控。结构和组成工程提供了直接调节这些因素的途径。本节总结了颗粒几何形状、表面化学、组成、杂原子掺杂、混合架构和反应条件如何共同决定水解性能（图4a）。

类磷酸酶纳米酶在环境监测和修复中的应用

在许多报告中，基于纳米酶的农药检测方法依赖于模拟氧化还原酶的反应，其中H₂O₂或溶解的O₂产生的ROS中间体（如•OH、O₂^•-和¹O₂）氧化显色/荧光底物，从而产生放大信号[80]。然而，在有机磷酸酯的情况下，本综述中强调的类磷酸酶纳米酶主要通过P-O（或P-F）键断裂来催化水解反应

挑战与未来展望

尽管取得了快速进展，但类磷酸酶纳米酶的发展仍远落后于氧化还原类纳米酶。现有系统仅证明了概念验证的可行性，但在广泛的环境应用之前仍面临重大科学和技术障碍。这些挑战可以大致分为四个相互关联的方面：(i) 机制不明确；(ii) 选择性和特异性；(iii) 可扩展性和重复性；(iv) 与先进技术的集成

CRediT作者贡献声明

雷王：撰写——原始草稿，监督，方法学，研究，形式分析，概念化。程东乐：撰写——审稿与编辑，监督，资源获取，方法学，资金申请。王晨：监督，研究。刘晓青：方法学，研究。刘华清：方法学。陈志杰：撰写——审稿与编辑，资源获取，方法学。曹晓强：研究。张龙龙：方法学，研究。王彦龙：方法学。张健：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号52300210）、山东省泰山学者计划（tsqn202211157）、山东省优秀青年科学基金项目（海外）（2023HWYQ-077）以及山东省高等教育青年创新人才引进与培养团队[废水处理与资源创新团队]（ZXQT20211216001）的支持。