针铁矿/有机质界面过程对典型抗生素吸附和光解的影响机制

Antibiotics are excreted into the aquatic and terrestrial environmental in the parent form or its metabolite forms along with urine and feces, which will induce negative effect on aquatic and terrestrial organisms and human health. Therefore, it is critical to reveal the migration and transformation mechanisms for the risk assessment of antibiotics in the ecological environment. Previous studies mainly focused on the sorption and photolysis of antibiotics in various soils or in a single component and interface of soils. However, the effects of multiple medium interfaces on the sorption and photolysis features and mechanism of antibioltics are still unclear. To explore the effects of the interface process on the sorption and photolysis of antibiotics in the environmental, the macrolides and sulfonamides antibiotics are chosen as the sorbates. The goethite and organic matters as two actives of the environmental geochemistry are the foundation. The blue map of this work is the “interface process - sorption features - photolysis characteristics”. Firstly, the interfacial interaction features and mechanisms between the organic matter (i.e., humic acid, kerogen and black carbon) and goethite will be investigated. Furthermore, the sorption/desorption characteristics and mechanisms are studied in each organic matter and its complexes with goethite. Then the photolysis behaviors of antibiotics in the complexs were investigated. Finally, the effects of interaction and interface process of multimedium and multi-interface on the sorption and photolysis of antibiotics are explored. Base on these results, we will assess the environmental risk of antibiotics and then provide suggestions for environmental management of antibiotics.

鉴于抗生素进入环境后会给人类健康和生态环境带来一系列的危害，开展其在环境中迁移转化的研究是评价抗生素生态环境风险的基础。以往的研究主要集中在抗生素在土壤及其单一组分和界面作用下的吸附和光解，而对多介质多界面作用下抗生素吸附和光解的特性和机制仍不明了。因此，本项目以大环内酯和磺胺类药物为研究对象，以针铁矿和有机质这两类环境地球化学过程活跃的物质为基础，以“界面特性—吸附特性—光解特性”为研究主线，系统研究不同形态有机质（腐殖酸、干酪根和碳黑）与针铁矿之间的微观界面作用特性和机制，考察抗生素在不同有机质及其与针铁矿复合体上的吸附/解吸特性和机制，明确针铁矿与不同有机质复合体对抗生素的光解特性和机理，探讨多介质多界面作用下抗生素的吸附和光解特性及土壤活性物质之间的界面过程与抗生素吸附光解的内在联系。本项目的研究有助于正确评估抗生素的潜在环境风险，为保障人体健康和生态环境安全提供科学依据。

经过三年的持续研究，本项目基本上实现了预期的科研目标，并在此基础上，针对发现的新问题，将研究内容进行了有效扩展；因此，在保证项目完成的前提下，也体现了科学研究中发现新问题、解决问题的思路。本项目执行中重点解决的问题包括：有机质与针铁矿的相互作用特性和机制，有机质与针铁矿的相互作用对典型抗生素吸附与光解的影响，自然水体中微污染抗生素的高效吸附及光催化降解去除的特性和机制。在本项目的支持下，以第一作者/通讯作者发表学术论文19篇，其中SCI收录论文13篇，中科院二区以上论文6篇。本研究的主要结果为： 1. 针铁矿通过其表面上的活性位点及活性基团和腐殖酸进行结合，这种结合方式以化学方式为主。当腐殖酸存在时，针铁矿对抗生素的吸附速率和能力都明显提高，负载腐殖酸后的针铁矿对抗生素的吸附主要表现为疏水性的分配作用、氢键作用、离子交换和表面络合机制为主。且腐殖酸的存在也有利于针铁矿对TYL和SMT的光解。针铁矿与腐殖酸形成的复合物配体，在氧化TYL和SMT的同时针铁矿发生了溶解，生成了大量的Fe2+，Fe2+在液相中与腐殖酸可以再次进行络合，生成的配体可以再次参与氧化还原反应，又可形成高价铁的络合物，从而通过铁离子的循环促使光化学反应循环从而提高催化降解的效率。2.针铁矿、铁锰氧化物和硫化物改性后的玉米秸秆能够显著提高秸秆对TYL的吸附去除，TYL复合材料上的吸附机制主要有静电作用、氢键作用和疏水性作用和表面络合作用的影响。3. 通过制备高效光催化剂，分析所制备复合催化剂的理化性质。结合光解特性、 pH影响、自由基捕获及循环实验等，明确了复合光催化剂对泰乐菌素的光解性能及光解机理。本研究结果不仅有助于正确评估抗生素的生态环境风险，保障人体健康和生态环境安全，还可以全面明确抗生素的环境地球化学行为并对其污染治理提供科学依据。