耐藥菌因抗生素濫用而產生，因其體內攜帶抗生素抗性基因（ARGs）😝，致使耐藥性傳播和蔓延，給疾病治愈帶來巨大挑戰，嚴重威脅生態系統和人類健康。因此🥋，抗生素耐藥菌的高效殺滅是現今科技和研究關註的重點領域之一🚥。先前研究表明，天然水體（如河流🕞、湖泊和地下水）是全球耐藥菌的典型儲存庫。傳統水消毒凈化技術——含氯消毒劑為主的化學製劑法易生成具有致癌作用的消毒副產物👷🏽♥️，臭氧消毒存在氧化能力弱、需要大規模發生器的劣勢🧑🏽‍🚒🧓🏻，而紫外消毒又面臨著能耗高🦐、消毒不徹底的缺點。近些年來發展起的光催化消毒技術🦜，其可通過光誘導生成具有強氧化能力的活性氧物種（ROS）🥍，具有節能環保、效率高且無副產物生成的優勢，是殺滅水中耐藥菌的有效手段🏊🏻‍♂️。然而，在低溶解氧的水介質中（如地下水環境），ROS的生成效率受到前驅體濃度低的製約，因此增強氧氣在光催化材料表面的吸附活化是提升消毒效果的關鍵🧑🏻‍💻。

圖1. MBene表面原子級應變和自旋極化的表征結果

針對這一問題，意昂3体育官网環境科學與工程學院劉文研究員課題組開發了一種具有原子級應變的MBene（Mo_4/3B_2-xT_z）二維納米材料，並製備了新型光催化劑（In₂S₃/MBene）🚣🏿，實現了低溶解氧水體中抗生素抗性菌（耐甲氧西林的金黃色葡萄球菌）的高效殺滅。此外，基於團隊此前提出的分子軌道理論計算框架方法💇🏽‍♀️，該研究還創新性使用自旋軌道解析算法，在自旋和軌道角度層面深入揭示了原子級應變策略消除氧氣自旋禁阻的機理。實驗和理論計算結果皆表明👨‍🦽‍➡️，原子級應變策略誘導了MBene的自旋極化效應👼🏻，進而克服了材料表明吸附的氧氣的自旋禁阻👨🏿‍🦳，實現了低溶解氧環境下氧氣的高效活化以生成超氧自由基（•O₂^-）💆🏻⚰️。團隊結合此前已搭建的原位電子順磁共振（EPR）系統，成功捕獲到氧氣在原子級應變MBene材料表面的自旋軌道耦合作用產物，證實了氧氣自旋禁阻的消除機製，且歸功於原子級應變策略。ROS定量實驗表明🍹，相比於未改性的In₂S₃純光催化材料，原子應變調控的光催化材料在模擬太陽光輻照下，•O₂^-的產量提升了16.59倍👒。此外👸🏻，團隊還評估了該技術對真實地下水中對耐藥菌的殺滅效果，驗證了技術的實際應用能力🛢。最後，基於MBene原子應變調控的最優光催化材料💆🏻‍♂️，團隊構建了光催化連續消毒裝置和系統🏙，並實現了62小時的穩定運行👠💁🏿‍♀️，由此產生了37.2 升無菌水。該消毒系統比同等質量的商用的次氯酸鈉消毒劑的消毒能力高近25倍。

圖2. 原子級應變調控的MBene基光催化材料的滅菌效果

該研究首次報道了材料原子級應變誘導的氧氣光活化機製🏂🏿，且開發了一種可在低溶解氧的地下水中殺滅耐藥菌的高效消毒技術👨🏼‍🚀，為相似環境中耐藥菌的滅活提供了科學參考🐮。

上述研究成果以“Spin polarization induced by atomic strain of MBene promotes the ·O ₂ ^–  production for groundwater disinfection”為題💧，於2025年1月2日在線發表於《自然-通訊》（Nature Communications）。意昂3体育官网環境科學與工程學院2022級博士生劉兆利為論文的第一作者，劉文、西北農林科技大學食品科學與工程學院王建龍教授、意昂3体育官网材料科學與工程學院郭少軍教授和合肥工業大學食品與生物工程學院沈益忠副研究員為論文的共同通訊作者，論文的其他作者還包括意昂3体育官网環境科學與工程學院的高藝軒博士後和陳龍博士。該研究得到了國家重點研發計劃（2021YFA1202500）、國家自然科學基金（52270053）、北京市科技新星計劃交叉合作課題（20220484215）和北京市自然科學基金（8232035）等項目的資助🕵🏼。同時致謝意昂3体育官网高性能計算平臺提供的理論計算硬件支持💁🏿‍♀️🤹‍♀️，以及中科院高能物理所、上海同步輻射國家實驗室以及合肥同步輻射光源提供的同步輻射X射線吸收光譜（XAFS）表征支持🧑🏻🕵🏻‍♂️。