南京师范大学张幸教授团队在Biotechnology Advances发文综述金属有机框架-微生物协同体系研究进展

微生物在生物制造、环境修复和能源转化中发挥着不可替代的作用，但极端pH、高温、有机溶剂及毒性物质等环境胁迫严重制约了其实际应用。金属有机框架（MOFs）是一类由金属离子与有机配体自组装形成的多孔材料，凭借超高比表面积、可调孔径和良好的生物相容性，为微生物的封装与功能强化提供了全新平台。该综述系统总结了MOFs与微生物协同体系的研究进展，涵盖MOFs作为物理屏障、代谢调控模块和催化单元的作用，并展示了其在环境保护、生物能源、代谢工程及微生物电化学系统中的广阔应用前景（图1）。

MOF外壳可显著提升微生物对恶劣环境的耐受性。例如，ZIF-8包封的酿酒酵母在裂解酶处理24小时后存活率仍达81%，而未包封的细胞3小时内死亡率高达95%；ZIF-90包封的大肠杆菌在抗生素或杀菌剂处理后仍能保持活性，去除外壳后恢复正常增殖。MOF封装技术还可使工程化芽孢杆菌孢子在不利条件下的存活率提高20倍以上。此外，利用Zr-MOF单层包封的严格厌氧菌Moorella thermoacetica在21%氧气环境中存活率提高5倍，并可连续2.5天光合成乙酸（图2）。

在环境污染修复方面，MOF-微生物协同体系大幅提升了污染物降解效率。针对有机污染物，卵磷脂修饰的磁性Fe-MOF固定化芽孢杆菌和假单胞菌可使稠油粘度降低76.9%（游离菌仅61.5%），化学需氧量去除率达78.6%，且可循环使用5次以上；ZIF-8包封的芽孢杆菌对多环芳烃菲的降解率高达94.14%（游离菌为49.1%），重复5次后效率仍保持在83%以上；MIL-125(Ti)固定化枯草芽孢杆菌通过细菌诱导MOF非晶化，可在2小时内去除99.8%的草甘膦。针对重金属污染，ZIF-8固定化菌群对镉的去除率可达99.91%；此外，Fe-MOF可作为固体电子受体，与金属还原菌Shewanella oneidensis协同，实现六价铬的高效多循环还原去除（图3）。

图3. 金属有机框架与微生物在污染修复中的协同机制示意图

在酶-细胞共固定化介导的代谢调控方面，MOFs展现出独特优势。研究人员将β-半乳糖苷酶与乳糖代谢缺陷型酵母共封装于ZIF-8中，MOF保护的酶在寡营养条件下水解环境中的乳糖为葡萄糖，为细胞提供持续营养。光催化ZIF-8结合纤维素酶包封的酪丁酸梭菌，在可见光照射下将稻草秸秆纤维素转化为葡萄糖并提供还原力，使丁酸产量提高14.23%，最终滴度达26.25 g/L。另外，有研究人员通过利用共价有机框架（COF）共固定化菊粉酶与大肠杆菌，实现了菊粉向D-阿洛酮糖的两步高效转化，时空产率高达161.28 g/L/天（图4）。

在微生物群落调控与微生物燃料电池方面，MOFs同样表现出色。向污泥厌氧消化系统中添加MOF-808后，甲烷产量提高26.7%，沼气中甲烷含量增加15.6%，产甲烷滞后期缩短50.8%。MOF-808富集了产氢菌Coprothermobacter和混合营养型产甲烷菌Methanosarcina（丰度增加35.5%），其丰富的羟基基团还作为质子供体促进质子耦合电子传递（图5）。此外，将可见光响应的Zn-MOF（ZTC@TiO₂）与电活性微生物共培养，在光照下能将CO₂高选择性地转化为甲醇。在微生物燃料电池中，有研究人员通过使用ZIF-67修饰Ti3C2 MXene构建复合阳极来辅助微生物的高效定殖，且MOF中的钴离子可作为氧化还原活性中心，接收细菌外膜细胞色素的电子，实现直接电子转移，从而获得5.7 W m^-3的最大功率密度（图6）。

图5. MOF添加剂通过优化微生物群落来提高厌氧消化效率的作用

尽管MOF-微生物杂合体系在实验室尺度取得了令人瞩目的进展，但迈向工业化仍面临以下挑战：（1）长期稳定性：MOFs在含磷酸盐、蛋白质或氨基酸的培养基中可能坍塌或被降解；（2）生物安全性：降解产物（如Zn2+、有机配体）对生态系统和人体健康的潜在风险需系统评估；（3）成本与规模化：MOFs的合成成本可能会限制其大规模应用；（4）界面机制解析：MOFs和微生物之间的电子传递机理和动力学匹配机制有待进一步研究。

未来，通过表面修饰提升MOF生物环境稳定性，开发可降解、低毒性、低成本的绿色MOF材料，建立标准化的制造和质量控制体系，解析MOF与微生物协同体系中底物、电子等传递机制，将有力推动MOF-微生物杂合系统在生物制造和环境修复等领域中的应用。

南京师范大学食品与制药工程学院硕士研究生李艳奇和刘芳媛为该文的共同第一作者，南京师范大学张幸、中国药科大学乔梦为该文共同通讯作者。该研究工作得到了江苏省杰出青年基金（BK20240032）、国家自然科学基金（U25D9012）和江苏省碳达峰碳中和科技创新专项（BE2025014）的资助。

文章信息：Metal-organic frameworks as versatile geobacter platforms for microbial protection and functionalization

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2026.108892