文献速递|北林CEJ:环糊精支撑的硫化物零价铁作为PMS激活剂,可同时去除再生水中的诺氟沙星和ARGs:活性成分的活化和控制释放

文摘   2025-01-24 08:09   天津  
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第一作者:Hairui Lv

通讯作者:于雯超 讲师/王辉 教授

通讯单位:北京林业大学环境科学与工程学院

DOI:10.1016/j.cej.2025.159656









全文速览

nZVI 的快速钝化限制了其对过一硫酸盐(PMS)的持续活化,阻碍了其在环境污染物降解中的应用。本研究合成了一种核壳结构的环糊精负载硫修饰纳米零价铁(S-nZVI@CD),它在活化 PMS 以同时降解诺氟沙星(NOR)和抗生素耐药基因(ARGs)方面表现出了高效性和持久性。硫通过促进亚铁离子循环增强了 PMS 的活化,而环糊精(CD)则改善了硫的分散性,防止了活性物质的快速消耗,创造了一个高效的反应环境。动力学研究表明,S-nZVI@CD/PMS 系统按照伪一阶动力学降解 NOR(kobs = 0.0313 min-1)和 DNA(kobs = 0.224 min-1),而 nZVI/PMS 和 S-nZVI/PMS 系统更倾向于表现出两阶段动力学。空气暴露测试表明,在空气中暴露 60 天后,S-nZVI@CD 仍能有效降解 NOR(99.5%)和 DNA(99.2%)。此外,S-nZVI@CD 还在实际再生水中表现出稳定的 PMS 活化性能,对 NOR 的去除率达到 100%,对总 ARGs 的去除率达到 97.4%,对 1 级整合子 (IntI1) 的去除率达到 98.2%。淬火实验、定量分析和 EPR 测试证实,硫酸根自由基 (SO4--) 和羟基自由基 (-OH) 是 S-nZVI@CD/PMS 系统中的主要活性物种。理论计算确定了 NOR(喹诺酮环)和 DNA(C10、C16、N17 和 N18)上易受自由基攻击的位点,这是它们有效降解的主要机制。这种利用两亲空腔结构的 CD 改性方法为持续活化 PMS 和提高污染物去除率提供了一种策略。








图文摘要







引言

本研究的目的是 1)引入β-CD负载,设计合成具有核壳结构的S-nZVI@CD,实现PMS的高效活化和活性物质的缓释;2)系统评估S-nZVI@CD/PMS同时去除NOR和ARGs的效果,同时评估其在实际环境中的降解性能;3)确定降解过程中的主要ROS及其降解机理;4)评估S-nZVI@CD在实际应用中的稳定性和循环性能。本研究旨在开发一种可持续、长效控释的 nZVI 材料,用于高效活化 PMS,从而提高再生水的安全性,应对抗生素和 ARGs 带来的挑战。





同位素标记技术

图文导读

Fig. 1SEM images for (a) nZVI, (b) S-nZVI@CD. (c) TEM element mapping of the S-nZVI@CD. (d) TEM images of the S-nZVI@CD. (e) XRD spectra of the, nZVI, S-nZVI, and S-nZVI@CD catalysts. (f) Fe2p XPS spectra of the nZVI and S-nZVI@CD.

Fig. 2(a) NOR degradation by PMS without catalyst, nZVI/PMS, S-nZVI/PMS, and S-nZVI@CD/PMS, respectively. NOR degradation by S-nZVI@CD with different (b) β-CD loading ratio, (c) catalyst dosage, (d) PMS concentration, (e) NOR dosage, and (f) temperature. (Conditions: [NOR]0 = 1.6 μM, [PMS]0 = 16 μM, [S-nZVI@CD]0 = 0.05 g·L−1, initial pH = 7.0 ± 0.1, temperature at 25 ℃).

Fig. 3(a) Degradation of free DNA by various systems. Degradation of free DNA at various (b) catalyst dosage, (c) pH, (d) PMS dosage, (e) free DNA dosage, (f) Temperature. (Conditions: [DNA]0 = 2 ng·μL−1, [PMS]0 = 16 μM, [S-nZVI@CD]0 = 0.05 g·L−1, initial pH = 7.0 ± 0.1, temperature at 25 ℃).

Fig. 4(a) Removal efficiency of ARGs, MGEs, and NOR by nZVI/PMS, S-nZVI/PMS and S-nZVI@CD/PMS (The right red axis indicates the removal rate of NOR and ARGs). (b) Natural Water, nZVI, S-nZVI and S-nZVI@CD Column chart of community structure at the phylum level after processing. (c) Horizontal community structure heatmap. (d) The co-occurrence of ARGs, intI1, NOR, and bacterial communities based on network analysis. The nodes with different colors represent different phyla and ARGs. The nodes represent the bacteria at the genus level. The edges indicate strong significant (P < 0.05) correlations between unique ARGs and bacterial genera. (For interpretation of the references to colour in this figure legend, the reader is referred to the web version of this article.)

Fig. 5(a) Effect of nZVI/PMS, S-nZVI/PMS, and S-nZVI@CD/PMS system scavengers on the removal of total ARGs and NOR in control. (b) EPR spectra for radicals detection •OH and SO4•−. (c) ATR-FTIR spectra of S-nZVI@CD before and after reaction. (d) Raman spectra of PMS solution, S-nZVI@CD /H2O, and S-nZVI@CD /PMS. (e) Scheme of the reactive species generation from PMS activated by S-nZVI@CD. (Conditions: [NOR]0 = 1.6 μM, [DNA]0 = 2 ng·μL−1, [PMS]0 = 16 μM, [S-nZVI@CD]0 = 0.05 g·L−1, initial pH = 7.0 ± 0.1, temperature at 25 ℃, [MeOH] = 50 mM, [FFA] = 50 mM, [p-BQ] = 2.0 mM, [DMSO] = 0.1 mM).

Fig. 6(a) Optimized structure, (b) HOMO, (c) LUMO, (d) ESP of NOR. (e) Optimized structure, (f) HOMO, (g) LUMO, (h) ESP of dG. (h) Identified products and proposed pathways of NOR degradation in S-nZVI@CD /PMS system. (Conditions: [NOR]0 = 16 μM, [PMS]0 = 16 μM, [S-nZVI@CD]0 = 0.05 g·L−1, initial pH = 7.0 ± 0.1).








研究意义


成功合成了 S-nZVI@CD 催化剂,用于持续活化 PMS 并同时去除 NOR 和 ARGs。Fe0 是活化 PMS 的主要活性位点,而 S 的存在则加速了 PMS 的活化和 nZVI 表面离子的循环。β-CD 的空腔结构为 PMS 活化和铁离子循环提供了反应位点,确保了反应的快速进行。此外,β-CD 的外部负载为 nZVI 提供了抗氧化保护,延长了催化剂的使用寿命。与 nZVI/PMS 和 S-nZVI/PMS 系统相比,S-nZVI@CD/PMS 系统能在 120 分钟内同步降解 100% 的 NOR 和 DNA。EPR和自由基淬灭实验证实,PMS活化产生的SO4-和-OH是同时降解NOR和ARGs的主要活性物种。同时,网络分析表明,S-nZVI@CD/PMS 系统通过改变微生物群落结构,有效抑制了 ARGs 的增殖和扩散。在天然水中,S-nZVI@CD/PMS 系统表现出优异的同时去除能力,对 NOR、ARGs 和 IntI1 的去除率分别为 100%、97.4% 和 98.2%。理论模拟结果表明,在降解 NOR 的过程中,硫酸盐 SO4-- 主要氧化哌嗪环,而 -OH 则攻击喹诺酮环。在dG中,SO4--主要作用于C10和C16,而-OH主要与N17和N18相互作用。因此,S-nZVI@CD/PMS 系统为控制 NOR 和 ARGs 污染提供了一种新策略。
文献信息

Hairui Lv, Wenchao Yu, Yuyang Li, Xue Sun, Xiangting Hou, Zhaoyong Bian, Hui Wang, Yuansong Wei, Cyclodextrin-supported sulfide zero-valent iron as PMS activator for simultaneous removing norfloxacin and ARGs in reclaimed water: Activation and controlled release of active components, Chemical Engineering Journal, 2025, https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159656



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