2021年10月22日，Chemical Engineering Journal发表题为“Characteristics of algae-derived biochars and their sorption and remediation performance for sulfamethoxazole in marine environment”的研究论文（DOI：10.1016/j.cej.2021.133092），从分子水平上揭示了不同热解温度制备的海藻类生物炭（ABCs）的多级结构特征，评价了ABCs在抗生素污染的海水和沉积物中的吸附和修复性能，阐明了ABCs对海水中抗生素的主要吸附机制。研究成果为建立基于海洋废弃生物质资源化利用和海洋沉积物（如海水养殖场）抗生素污染阻控和原位修复的ABCs技术提供了基础数据和理论依据。
水产养殖在全球粮食安全和脱贫方面发挥着至关重要的作用。集约化海水养殖中抗生素的过度使用导致其在养殖水体和沉积物中持久性富集，对非靶标生物产生生态毒性，诱导细菌产生耐药性，对近海生态系统产生严重危害。因此，开发近海环境中抗生素的污染阻控和原位修复技术，是确保近海水质安全和生态系统健康的重要保障。生物炭具有改善土壤性质、增加土壤碳固存能力、缓解温室气体排放、修复污染水体和土壤/沉积物等功效。水体富营养化导致大规模的藻华和赤潮在世界范围内频繁发生，其产生的藻类生物质的资源化利用是亟待解决的难题。然而，以海藻废弃物为原料制备的生物炭（ABCs）在分子水平上的化学结构与陆生植物生物炭的差异尚不清楚。在复杂水化学条件的海水环境中，ABCs对抗生素吸附的效果和机制尚也不明确。此外，仅有少量研究报道了ABCs在难降解有机物（如多环芳烃、酚类化合物、邻苯二甲酸酯）污染的沉积物修复中的应用，但对海洋沉积物中抗生素等可解离化合物的修复尚未见研究报道。因此，该研究利用浒苔和废弃海藻渣两种海洋藻类废弃生物质为原料在不同热解温度（300~700 ºC）下制备ABCs，表征其分子水平上的化学结构，探究其对海水养殖环境中典型抗生素磺胺甲恶唑（SMX）的吸附性能和机制，评估其对受SMX污染的海洋沉积物的修复效果。本研究旨在评估ABCs修复海洋环境中抗生素污染的可行性，研究成果将有助于扩大生物炭的原料供应及其在环境修复中的应用范围。
研究结果表明，与陆地植物为原料的生物炭相比，ABCs的C含量和比表面积较低，但含氧和含氮官能团更为丰富，且表面粗糙离散分布较多的不规则的Ca、Mg、S结晶矿物。ABCs在海水环境中对SMX表现出优异的吸附能力。高温ABCs对SMX的最大饱和吸附量（Qm）（4874–4879 mg kg−1）最高，且高于文献中报道的碳质材料对SMX的Qm（250~4755 mg kg−1）。主要吸附机制是阳离子架桥，其次是负电荷辅助氢键（(−)CAHB）、π-π电子供体-受体（π-π EDA）相互作用和孔填充。筛选的具有高吸附量的ABC以混合或覆盖的方式添加到受SMX污染的海洋沉积物中，显著降低了沉积物上覆海水（35.4%~90.4%）和孔隙水（74.8%~90.3%）中SMX浓度（图7a~7e）。这证实了ABCs修复受抗生素污染的海洋沉积物的可行性。此外，ABC对受SMX污染沉积物的修复效果与商品化活性炭的效果相当，这进一步表明ABC在海洋沉积物修复中替代活性炭可行性。该研究将藻类生物质废弃物转变为具有高附加值的可用于抗生素吸附碳质吸附剂，提供了一种能够实现海洋生物质资源化利用、海洋污染修复和海洋碳固存的“三赢”技术。
该文章主要由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硕士毕业生赵曼、博士研究生马小涵同学为文章共同第一作者，郑浩副教授和美国麻省大学安姆斯特分校Baoshan Xing（邢宝山）教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（42077115，41406085）和山东省自然科学基金（ZR2019MD017，ZR202102280041）等项目的资助。
图1. 本文的图形摘要
论文引用：
M. Zhao, X. Ma, X. Liao, S. Cheng, Q. Liu, H. Wang, H. Zheng, X. Li, X. Luo, J. Zhao, F. Li, B. Xing, Characteristics of algae-derived biochars and their sorption and remediation performance for sulfamethoxazole in marine environment, Chem. Eng. J., (2021) 133092, DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.120051.
文章链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721046684#f0015
通讯员：郑浩（zhenghao2013@ouc.edu.cn)