李锋民团队在光催化-微藻生物联合技术去除水中抗生素污染方面取得新进展
2021年12月19日，中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室、近海环境污染控制研究所李锋民教授团队在环境领域顶级期刊Water Research发表题为“Sequential combination of photocatalysis and microalgae technology for promoting the degradation and detoxification of typical antibiotics”的研究论文（DOI：10.1016/j.watres.2021.117985）。论文第一作者为李晨光博士后，通讯作者为郑浩教授和李锋民教授。
近几十年来，抗生素在预防和治疗微生物感染、维持人类和动物身体健康发挥了至关重要的作用。然而，生物体较低的吸收利用效率导致大量的抗生素以母体的形式排出体外，且传统的污水处理设施无法完全消除抗生素污染，从而导致抗生素不可避免地进入自然水环境。抗生素不仅对水生生物产生生态毒性，更严重的是会诱导抗生素抗性细菌和抗性基因（ARGs）的产生，从而引起更大的生态和健康风险。因此，开发能够有效去除水中抗生素并降低其环境风险的技术尤为重要。光催化技术具有绿色高效和低成本的特点，在抗生素处理方面展现出良好应用前景。类石墨相氮化碳（g-C3N4）相较于传统的光催化剂（如TiO2）具有更高的太阳能利用率且化学性质稳定、易合成、成本低，得到了广泛的关注。然而，g-C3N4光催化处理抗生素时，矿化效率往往较低且易产生大量毒性较强的反应中间体。微藻生物处理技术具有太阳能驱动、低成本、碳固定和资源化潜力等众多优势，但将光催化与微藻生物处理技术联合用于去除水中抗生素及其反应中间体的设想是否可行尚不清楚。因此，本研究在制备和表征g-C3N4的基础上，系统考察了其对三种典型抗生素（诺氟沙星（NOR）、土霉素（OTC）和磺胺甲恶唑（SMX））的光解动力学和光催化机理；最后，利用斜生栅藻和蛋白核小球藻处理NOR光催化反应液，评估了反应产物的生态毒性。
研究结果表明，合成的g-C3N4材料呈现纳米片层结构，具有较大的比表面积、介孔结构和较窄带隙宽度（~2.6 eV）。g-C3N4纳米片可以有效地光催化去除水中三种典型抗生素（NOR、OTC和SMX）。辐照波长和溶液pH对g-C3N4光催化降解NOR的效率产生较大的影响，前者主要是由于辐照波长影响了g-C3N4光催化产生反应活性物种的量和种类，而后者主要是改变了g-C3N4的表面电位和NOR的存在形态。此外，g-C3N4纳米片在较高浓度的溶解性有机质（DOM）和较低浓度NOR（20 μg/L）条件下也表现出了良好的光催化性能，并且具有良好的稳定性和可重复使用性。依据能带特征、电子顺磁共振分析和淬灭实验，揭示了g-C3N4光催化降解抗生素的反应机制，即光催化产生的•O2−、h+和•OH均参与了三种抗生素的降解过程，但•O2−占主导作用。依据高分辨质谱（QTOF-MS）和理论计算分析，阐明了抗生素的光催化降解途径包括羟基取代反应、氧化反应和脱羧反应。在此基础上，发现斜生栅藻和蛋白核小球藻可以进一步去除抗生素光降解产物，且蛋白核小球藻处理组降低了反应溶液的毒性。本研究为建立水中抗生素污染去除的光催化-微藻联合技术提供了基础数据和理论依据。
该研究得到了国家重点研发计划项目（2018YFC0406300）和山东省重大科技创新工程（2019JZZY020302，2018CXGC0304）等项目的资助。
图1. 本文的图形摘要
论文引用：
Chenguang Li, Qian Tian, Yanlei Zhang, Yuanyuan Li, Xiaoman Yang, Hao Zheng, Lingyun Chen, Fengmin Li. Sequential combination of photocatalysis and microalgae technology for promoting the degradation and detoxification of typical antibiotics. Water Research, 2022, 210, 117985. DOI: 10.1016/j.watres.2021.117985.
文章链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135421011799?via%3Dihub.
本团队发表的抗生素和抗性基因相关研究论文链接：
1.https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133092
2. https://doi.org/10.1016/j.envint.2020.106158
3. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.148962
通讯员：郑浩（zhenghao2013@ouc.edu.cn），李晨光（lichenguang@ouc.edu.cn）