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2024年4月22日，国际期刊《ACS EST Engineering》在线发表了题为“Biochar-Based Strategies for Antibiotics
Removal: Mechanisms, Factors, and Application”的综述性论文。本文综述讨论了基于抗生素类别的各种去除机制、生物炭在抗生素去除中的功效以及关键参数对抗生素去除的影响，强调了生物炭在处理抗生素污染液流中的应用前景和挑战。《ACS ESTl Engineering》是《Environmental Science & Technology》姊妹刊，致力于报道环境领域的工程科学研究，涉及工程材料、技术、工艺、模拟等研究方向的最新进展。
第一作者：Yanyan Jia通讯作者：Samir Kumar Khanal Hui Lu
通讯单位：美国夏威夷大学马诺阿分校
中国中山大学
https://doi.org/10.1021/acsestengg.3c00605
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抗生素使用的增加导致抗生素抗性基因（ARG）在环境中的传播，严重威胁着自然生态系统和人类健康。减少环境中的抗生素至关重要。生物炭作为一种经济高效、环保、富碳的多孔材料，具有循环经济前景，在环境抗生素修复方面显示出巨大的潜力。吸附机制（如静电相互作用、氢键相互作用、疏水相互作用、π-π电子供体-受体（EDA）相互作用和孔扩散）和生物作用（如生物炭作为微生物庇护所、载体和电子介质）协同促进抗生素从水相中去除。本文批判性地讨论了基于抗生素类别的各种去除机制、生物炭在抗生素去除中的功效以及关键参数对抗生素去除的影响。此外，该综述对生物炭的工程应用进行了批判性讨论。最后，该综述强调了生物炭在处理抗生素污染液流中的应用前景和挑战。
图1 生物炭对各类抗生素的吸附性能（a），吸附机制的报告频率（b）和影响其去除的因素（c）（TC、SA、ML、FQ和BLA分别代表四环素类、磺胺类、大环内酯类、喹诺酮类和β-内酰胺类）
图2 影响生物炭性能的因素示意图
表2 在连续系统中实现高生物炭截留策略
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生物炭具有低成本和环境友好等固有优点，已被证明是一种很有前途的解决方案，通过不同的机制，包括吸附和生物作用，促进抗生素从水相中去除。生物炭的效率受到各种因素的影响，如原料、热解条件和改性。生物炭在处理抗生素污染的液流中的工程应用需要进行批判性的讨论，以应对现场应用的挑战和前景。总的来说，生物炭在减轻环境中抗生素污染的液体流相关风险方面显示出巨大的潜力。
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生物炭由于其独特的物理化学特性，包括高SBET、多孔结构和多种官能团，在修复含有抗生素的废水方面具有巨大的潜力。尽管如此，使用生物炭去除抗生素仍然面临各种挑战，例如回收困难和再生后性能不稳定等。![]()
生物炭去除各种抗生素机制由生物炭的特定物理化学性质、热解条件和原料类型等决定。与其他抗生素去除方法相比，通过生物炭吸附去除具有高吸附效率、高选择性和绿色环保等优点。然而，单独使用生物炭不足以彻底去水中抗生素，未来的研究需要将生物炭吸附与其他抗生素去除方法相结合。适当对生物炭进行酸碱改性、金属氧化物改性和金属盐改性，可以进一步提高其对抗生素吸附性能。![]()
作为一种生物废物衍生产品，生物炭具有潜在的环境效益，可以促进循环经济。生物炭的成本取决于许多因素，如原料、热解条件和生产过程。根据常用吸附剂的估算，总生产成本排名如下：生物炭<活性炭<离子交换树脂<多壁碳纳米管<单壁碳纳米管。为了实现农业残留物、粪肥和污水污泥的“废物资源化”。![]()
未来研究应重点关注吸附在生物炭上的污染物（如抗生素和重金属）是否会随着时间的推移而解吸到水相中，从而可能引起二次污染源。![]()
生物炭的再生和回收有助于减少资源消耗和废物产生，但有效的生物炭再生和回收仍然是一个挑战。通过控制生物炭颗粒尺寸和对生物炭进行磁化改性，可以实现有效的固液分离。磁选是回收磁性生物炭的有效方法。外部磁场可以快速浓缩水溶液中回收的生物炭，降低能源成本和时间。如何在吸附性能和磁回收之间取得平衡仍面临挑战。![]()
吸附剂再生采用了多种方法，包括热再生、溶剂辅助再生、微波辐射再生和超临界流体再生，但并非所有方法都适用于生物炭再生。例如，再生过程中的高温和化学物质可能会影响生物炭的特性，如改变孔隙体积和破坏官能团，可能导致其吸附能力的变化；再生效率在几个循环之后显著降低。![]()
探索吸附饱和生物炭的再利用，例如用于土壤改良和固体燃料原材料，似乎是可行的。然而，由于缺乏关于这一主题的相关数据，需要进一步研究以验证其可行性和有效性。Y.
Jia, Y. Ou, S. K. Khanal, L. Sun, W.-s. Shu, H. Lu. Biochar-Based Strategies for Antibiotics Removal: Mechanisms, Factors, and Application. ACS
EST Engg. 2024, 4, 6, 1256–1274. https://doi.org/10.1021/acsestengg.3c00605.
编辑：环境与能源功能材料
Samir Kumar Khanal - Department of Molecular Biosciences and Bioengineering, University of Hawaii at Manoa, Honolulu, Hawaii 96822, United States; Department of Environmental Engineering, Korea University Sejong Campus, Sejong-ro 2511, Sejong 30019, Korea (Affiliate Faculty); https://orcid.org/0000-0001-6680-5846; Email: khanal@hawaii.edu
Hui Lu - School of Environmental Science and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China;
https://orcid.org/0000-0002-0084-9229; Email: lvhui3@mail.sysu.edu.cn
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