水体悬浮颗粒物表面诺氟沙星的界面光化学行为

Environmental behavior and ecotoxicity of antibiotics are one of the research frontiers and hotspots in recent years. In environmental waters, some antibiotics can be adsorbed by aquatic suspended particulate matters (SPMs) and mainly exist in the complex states with different environmental behavior and ecological risk. In order to fully and accurately evaluate the environmental risk of antibiotics in various forms, it is necessary to study the adsorption interaction between antibiotics and SPMs, and investigate the environmental behavior of antibiotics on the surface of SPMs. This is also an important scientific issue to be revealed. Since photochemical transformation is an central factor in determining the environmental fate of antibiotics, this study will adopt norfloxacin (frequently detected antibiotic) as a case to investigate its adsorption and photochemical behavior on the surface of common mineral SPM, quartz, and two emerging particulate pollutants (nanomaterial g-C3N4, and microplastic polyamide-6) by computational and experimental methods. We finally aim to clarify the mechanisms of adsorption and interfacial photochemical reactions, and develop effective computational methods to predict the adsorption and photochemical behavior of antibiotics on the surface of aquatic SPMs. The results of this study will help to enrich the aquatic environmental photochemical theory, and provide basic data and methods for the comprehensive risk assessment of antibiotics in combined pollution waters.

抗生素的环境行为和生态毒理效应是近年国际研究的前沿和热点。水环境中一些抗生素可与水体悬浮颗粒物发生吸附作用，主要以具有不同环境行为和生态风险的复合态存在。为了全面准确地评价水环境中具有多种形态的抗生素的环境风险，有必要考察抗生素与水体悬浮颗粒物的吸附相互作用及其在颗粒物表面的环境行为，这也是有待阐明的重要科学问题。鉴于光化学转化是决定抗生素环境归趋的重要因素，本项目拟采用计算模拟与实验结合的方法，以水环境中经常检出的诺氟沙星为例，研究其与常见矿物悬浮颗粒物石英和两种新型颗粒污染物(g-C3N4纳米材料和聚酰胺-6型微塑料)的吸附作用及诺氟沙星在颗粒物表面的界面光化学行为。本项目旨在阐明诺氟沙星在水体悬浮颗粒物表面的吸附和光化学反应机制，建立相应的吸附和界面光化学行为预测模型。研究结果可丰富水环境光化学理论，并为复合污染水体中抗生素的全面风险评价提供基础数据和方法。

天然水中普遍存在的悬浮颗粒物是决定抗生素等共存有机污染物环境归趋的一个重要因素，考察两者的吸附相互作用及悬浮颗粒物表面有机污染物的环境行为是全面准确地评价其环境风险的必要环节。鉴于光解是水环境中抗生素的主要转化途径，本项目采用计算模拟与实验结合的方法，以新型颗粒污染物微塑料、纳米材料以及常见矿物悬浮物石英为例，研究了其与水环境中经常检出的加替沙星(GAT)等抗生素的吸附作用，阐明了典型水体悬浮颗粒物对抗生素光解的影响机制。实验结果表明老化前后的聚乙烯型(PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯型(PET)和聚酰胺-6型(PA-6)微塑料，纳米材料g-C3N4、Cu/g-C3N4和Ag/g-C3N4以及无机颗粒物SiO2都可与GAT等抗生素发生吸附作用，老化后的微塑料具有最强的吸附能力，其次是SiO2和纳米材料，未老化的微塑料吸附能力最弱。水体pH可通过改变悬浮颗粒物的表面电性和抗生素的解离形态结构基于静电作用影响两者的吸附。为了高效预测不同水环境中微塑料对有机污染物的吸附能力，分别基于线性自由能关系以及量子化学描述符和正辛醇/水分配系数构建了吸附平衡常数的定量构效关系模型；采用量子化学方法模拟了中性条件下GAT在g-C3N4表面和PE、PA-6、SiO2的(1 0 0)和(1 1 0)界面的吸附，计算的吸附能顺序与实验结果一致。理论计算从分子水平上阐明水体悬浮颗粒物对抗生素的吸附机制包括氢键作用、诱导偶极作用和空穴形成作用，对于含苯环的微塑料，π-π作用也是主要吸附驱动力。模拟日光照射下，不同形态GAT的光降解速率符合：纳米材料吸附态>SiO2吸附态>游离态>微塑料吸附态。除吸附作用外，水体悬浮颗粒物对抗生素光降解的影响是其光屏蔽、活性氧物种(ROS)淬灭和光致生成ROS氧化等作用的综合效应。本项目成果可为后续研究水体悬浮颗粒物吸附对共存有机物环境行为和生态风险的影响提供基础数据，丰富和发展复合污染水环境光化学理论，同时警示我们在基于实验室数据评价复合污染水体的环境风险时需要谨慎考虑污染物的实际存在形态对评价结果的影响。