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一種天然生物聚合物海藻酸鈉基磁性多功能吸附劑，具有高效去除水中廣譜氟喹諾酮類抗生素的能力

《Journal of Environmental Management》：A natural-biopolymer sodium alginate magnetic multifunctional adsorbent with high capacity for broad-spectrum fluoroquinolone antibiotic removal from water

【字體：大中小】 時間：2026年02月28日 來源：Journal of Environmental Management 8.4

編輯推薦：

　　高效磁性海藻酸吸附劑對氟喹諾酮類藥物的去除研究。

歐陽二明|黃俊杰|劉子曦|楊宏偉|沈曉竹|趙瑞

教育部鄱陽湖環(huán)境與資源利用重點實驗室，南昌大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，中國南昌，330031

摘要

水體中持續(xù)存在的氟喹諾酮（FQ）類抗生素會增強細菌的耐藥性，危及水生生態(tài)系統(tǒng)，因此需要有效去除這些抗生素。本研究通過交聯(lián)和酰胺化反應(yīng)制備了一種基于天然生物聚合物海藻酸鈉的吸附劑（SA@Fe₃O₄-SPABS），在吸附劑骨架上引入了多個功能基團。選擇加替氟沙星（GAT）作為代表性氟喹諾酮化合物來評估其吸附性能。動力學(xué)數(shù)據(jù)可用偽一級模型很好地描述。根據(jù)朗繆爾模型，SA@Fe₃O₄-SPABS在288.15 K和pH 6.0條件下對GAT的吸附容量為857.97 mg g^?1，超過了大多數(shù)已報道的FQ吸附劑。此外，SA@Fe₃O₄-SPABS對其他氟喹諾酮類化合物也表現(xiàn)出較高的吸附能力，分別為左氧氟沙星693.4 mg g^?1、莫西沙星536.1 mg g^?1、氧氟沙星366.5 mg g^?1和環(huán)丙沙星362.3 mg g^?1。該吸附劑具有強磁性（飽和磁化強度為35.93 emu·g^?1），能夠快速從處理過的水中分離出來并重復(fù)使用，經(jīng)過八次再生循環(huán)后仍能保持約65%的初始吸附容量。表征結(jié)果顯示，SA@Fe₃O₄-SPABS通過多種機制與GAT結(jié)合，包括靜電吸引、陽離子交換、氫鍵作用以及π-π電子供體-受體相互作用。在模擬廢水中，SA@Fe₃O₄-SPABS的GAT去除效率高達86.7%。總之，SA@Fe₃O₄-SPABS是一種高容量、廣譜且易于回收的吸附劑，適用于去除水中的氟喹諾酮殘留物。

引言

隨著制藥和畜牧業(yè)等行業(yè)的快速發(fā)展，日常生活中和工業(yè)生產(chǎn)中使用了大量抗生素（Guo等人，2024年）。在各種抗生素中，氟喹諾酮類（FQs）因其廣譜抗菌性、持久療效和較低的副作用而被廣泛使用（Xie等人，2022年；Zhou等人，2023年）。2000年至2018年間，全球人類抗生素消耗量增加了46%（Ren等人，2025年）。在COVID-19大流行期間（2020–2022年），抗生素消耗量再次顯著增加。基于持續(xù)過度處方和醫(yī)療保健普及的預(yù)測，到2030年總消耗量可能達到2015年的兩倍（Nugraha等人，2025年）。由于氟喹諾酮類化合物的生物利用度較低，它們主要以原形或代謝物的形式通過市政廢水進入水環(huán)境。因此，這些化合物經(jīng)常在地表水、城市廢水系統(tǒng)和飲用水源中被檢測到（Al Masud等人，2024年；Ersan等人，2023年）。氟喹諾酮類化合物具有持久性、生物累積性，并可能對人體健康造成危害（McCorquodale-Bauer等人，2023年）。即使在微量水平下，它們也會削弱人體免疫力，引起惡心、嘔吐和腹瀉（Chen等人，2022年），同時通過急性或慢性毒性危害水生微生物、植物和動物，并加速耐藥細菌的傳播及其耐藥性的傳播（Ouyang等人，2025年）。因此，有效清除水環(huán)境中的氟喹諾酮類化合物對于保護生態(tài)系統(tǒng)和公共衛(wèi)生至關(guān)重要。

已經(jīng)開發(fā)了多種去除氟喹諾酮類的策略，包括生物降解、化學(xué)氧化和吸附（Hou等人，2021年；Peng等人，2024年）。其中，吸附技術(shù)因其成本效益、廣泛應(yīng)用性和無毒性而備受關(guān)注（Igwegbe等人，2021年；Peng等人，2018年）。已經(jīng)開發(fā)出多種用于去除氟喹諾酮類的吸附劑。Nguyen等人（Nguyen等人，2023年）通過磷酸活化葵花籽殼制備了生物炭（PSF），用于吸附和去除水中的各種抗生素。Bukhari等人（Bukhari等人，2023年）制備了一種由氧化石墨烯、MXene和殼聚糖組成的三元復(fù)合材料，用于同時去除水中的氟喹諾酮類和Cu²⁺。氟喹諾酮類化合物含有羥基和羰基等官能團，可以與水中的羥基、羧基等官能團形成氫鍵。鑒于這些性質(zhì)，含有豐富官能團的天然有機生物聚合物是設(shè)計吸附劑的理想候選材料。

海藻酸鈉是一種線性、天然存在的多陰離子多糖，來源于褐藻，可用于制備具有優(yōu)異吸附性能、良好生物相容性和環(huán)境友好性的吸附劑（Zhang等人，2022a）；此外，海藻酸鈉來源于豐富的褐藻資源，價格低廉且經(jīng)濟可行（Guo等人，2023年）。然而，許多研究表明，基于海藻酸鈉的吸附劑存在機械強度低、穩(wěn)定性差、重復(fù)使用性有限以及吸附位點不足的問題（Gao等人，2020年；Han等人，2025年）。因此，需要對吸附劑進行改性以解決這些問題（Liu等人，2025b；Zhang等人，2022b）。文獻表明，交聯(lián)可以顯著提高基于海藻酸鈉的吸附劑的機械性能（Wu等人，2024a）。值得注意的是，戊二醛是一種廣泛研究的化學(xué)交聯(lián)劑，其分子末端含有兩個醛基，可以在酸性條件下與其它分子的羥基發(fā)生縮醛反應(yīng)形成穩(wěn)定的化學(xué)交聯(lián)（Jiang等人，2023年）。同時，經(jīng)常在吸附劑上負載Fe₃O₄顆粒，以方便其從水中分離和回收（Yang等人，2025年）。為了進一步提高氟喹諾酮類的去除效率，還可以在吸附劑骨架上接枝額外的功能基團，增加活性吸附位點的密度。

總體而言，本研究的目標是：（1）通過戊二醛交聯(lián)和隨后的SPABS酰胺化改性SA@Fe₃O₄，以豐富其功能基團；（2）表征SA@Fe₃O₄-SPABS的性質(zhì)；（3）闡明其吸附機制（動力學(xué)、等溫線和熱力學(xué)）并評估其對多種氟喹諾酮類的廣譜去除效果及其在廢水處理中的應(yīng)用潛力。

材料

海藻酸鈉（SA，90%）、氧化鐵納米顆粒（Fe₃O₄，99.5%，50 nm）、戊二醛（C₅H₈O₂，50%溶于H₂O）、冰醋酸（C₂H₄O₂，99.5%）、無水乙醇（C₂H₆O，≥99.7%）、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亞胺鹽酸鹽（C₈H₁₈ClN₃，98%）、N-羥基琥珀酰亞胺（C₄H₅NO₃，98%）、磺胺酸鈉（C₆H₇NNaO₃S，97%）和加替氟沙星鹽酸鹽（GAT·HCl，98%）均購自上海麥克林生化科技有限公司。濃鹽酸（HCl，36%～38%）

表征

圖1b和c比較了SA@Fe₃O₄和SA@Fe₃O₄-SPABS的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。未經(jīng)改性的SA@Fe₃O₄表面相對光滑，而SA@Fe₃O₄-SPABS表面明顯粗糙，具有不規(guī)則的地形特征。這種增加的表面粗糙度擴大了可接觸面積，從而提供了更多的活性位點供加替氟沙星吸附，促進了整個吸附過程（Liao等人，2022年；Liu等人，2025a）。

結(jié)論

SA@Fe₃O₄-SPABS在去除水溶液中的氟喹諾酮類化合物（如加替氟沙星）方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。在288.15 K條件下，其最大朗繆爾吸附容量為857.97 mg g^?1，這種高效率源于磺酸基團和含氧官能團之間的協(xié)同作用，這些基團促進了與加替氟沙星的靜電吸引和氫鍵形成。在pH 6.0條件下，SA@Fe₃O₄-SPABS對加替氟沙星的吸附能力最強，這歸因于其負電荷結(jié)構(gòu)

CRediT作者貢獻聲明

歐陽二明：撰寫 – 審稿與編輯、監(jiān)督、方法論、概念設(shè)計。黃俊杰：撰寫 – 審稿與編輯、初稿撰寫、數(shù)據(jù)可視化、資源準備、方法論、實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)分析、概念設(shè)計。劉子曦：初稿撰寫、數(shù)據(jù)可視化、監(jiān)督、資源準備、方法論、實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)分析、概念設(shè)計。楊宏偉：撰寫 – 審稿與編輯、監(jiān)督、方法論