利用来自微藻的Fe单原子过二硫酸盐活化剂进行四环素的氧化处理，该过程产生的副产物毒性较低

《Journal of Environmental Sciences》：An oxidation process of tetracycline with low products toxicity by Fe single-atom peroxydisulfate activator from microalgae

BC-Fe催化剂通过低温浸渍法制备，高效活化过二硫酸钾降解四环素，速率常数达0.073 min?1，Fe-N?结构促进电子转移生成高活金属氧自由基，降解产物低毒。

　　在当前的水处理研究中，抗生素污染已成为一个备受关注的问题。尤其是四环素（tetracycline, TC）这类广泛使用的广谱抗生素，其在水体中的残留不仅影响生态环境，还可能对人体健康构成潜在威胁。由于TC在环境中难以自然降解，且其残留可能引发抗微生物耐药性（antimicrobial resistance, AMR）等严重后果，因此开发高效、经济且环境友好的降解技术显得尤为重要。近年来，基于单原子催化剂（single-atom catalysts, SACs）的高级氧化工艺（advanced oxidation processes, AOPs）因其卓越的催化性能和较低的环境影响，逐渐成为水处理领域的一个研究热点。

单原子催化剂因其独特的结构特性，能够提供更高的催化效率和更低的金属负载量，这在降解有机污染物方面具有显著优势。然而，如何实现单原子金属的有效负载与稳定分散仍然是一个技术难点。在此背景下，研究人员探索了多种方法，包括采用不同类型的载体材料和优化制备工艺。其中，生物炭（biochar, BC）作为一种低成本、高比表面积的碳基材料，因其丰富的氮含量和良好的吸附性能，被认为是支持单原子催化剂的理想选择。通过将铁单原子锚定在生物炭表面，可以有效提高催化剂的活性和选择性，同时降低金属残留和污泥生成的风险。

本研究提出了一种基于微藻衍生生物炭的铁单原子催化剂（BC-Fe），采用简便的常温浸渍法进行制备。该方法不仅操作条件温和，而且避免了高温或复杂化学处理过程，从而降低了制备成本和环境影响。通过X射线吸收近边结构（XANES）和傅里叶变换扩展X射线吸收精细结构（FT-EXAFS）分析，证实了Fe单原子在BC表面的均匀分散以及其与氮原子形成的Fe-N?活性中心。这些活性中心在激活过硫酸盐（peroxydisulfate, PDS）过程中发挥了关键作用，能够高效地传递电子，生成高价金属-氧（high-valent metal-oxo, HVMO）物种，作为主要的氧化活性物质参与反应。

在实际应用中，HVMO物种表现出对含电子丰富基团的有机物（如TC）的高选择性氧化能力，能够有效促进TC分子的环状结构断裂，逐步矿化为低毒性的中间产物。这一过程不仅提高了TC的降解效率，还减少了二次污染的风险。此外，TC作为电子供体，可以进一步促进HVMO物种的还原，形成有利的铁价态循环，从而提升催化剂的稳定性和重复使用性能。与传统的自由基氧化反应相比，这种基于单原子催化剂的氧化路径具有更高的选择性和更低的副产物生成率，为抗生素污染的治理提供了新的思路。

在实验验证方面，研究团队通过液相色谱-飞行时间质谱（liquid chromatography-time of flight mass spectrometry, LC-TOF-MS）和毒性评估软件工具（T.E.S.T.）模拟了TC的降解路径，并评估了其降解产物的毒性。结果表明，BC-Fe/PDS体系在30分钟内实现了高达91%的TC降解效率，且其降解产物的毒性显著降低。这不仅验证了该催化剂的高效性能，也展示了其在实际水处理中的应用潜力。

本研究还探讨了微藻作为生物炭原料的优势。微藻因其高生物产量、丰富的蛋白质含量以及多样的功能基团，被认为是制备高附加值生物炭的理想来源。此外，微藻衍生生物炭中富含氮元素，能够有效稳定铁单原子，防止其在反应过程中发生聚集，从而提高催化剂的寿命和性能。氮的存在还增强了生物炭的电子传导性，促进了电子的高效转移，进一步提升了催化反应的效率。通过合理设计生物炭的结构和表面性质，可以显著改善单原子催化剂与反应物之间的相互作用，增强其对特定污染物的吸附和活化能力。

在实际应用中，基于BC-Fe的PDS活化体系展现出了良好的环境适应性和经济性。相比于传统的热、光或超声波等活化方式，该体系无需额外的能源输入，降低了运行成本。同时，其对常见阴离子和天然有机物的抗干扰能力较强，能够在复杂水环境中保持较高的降解效率。这种特性使得BC-Fe/PDS体系在处理实际水样时具有更大的应用前景。

本研究的创新点在于将微藻废弃物转化为具有高催化性能的生物炭材料，并成功锚定铁单原子，构建了一种新型的单原子催化剂。这一策略不仅实现了微藻废弃物的资源化利用，还为抗生素污染的治理提供了一种可持续、高效且环境友好的解决方案。通过这种方法，研究人员能够以较低的成本获得具有优异性能的催化剂，从而推动AOPs技术在实际水处理中的应用。

从生态和经济角度来看，利用微藻废弃物制备生物炭，不仅减少了废弃物对环境的污染，还为生物炭的规模化生产提供了新的原料来源。同时，该方法避免了传统催化剂制备过程中可能产生的金属残留问题，使得整个水处理过程更加绿色和安全。此外，BC-Fe催化剂的可分离性也为其在实际工程中的应用提供了便利，减少了催化剂回收和再利用的成本。

未来的研究方向可以进一步优化BC-Fe催化剂的结构和性能，探索其在其他抗生素或有机污染物降解中的应用潜力。同时，可以结合其他辅助手段，如光催化或电催化，提高其在不同环境条件下的适用性。此外，研究团队还可以探索不同类型的单原子金属（如铜、锰等）在类似体系中的表现，以拓展该技术的应用范围。最后，考虑到实际水处理中污染物种类的多样性，有必要对BC-Fe催化剂进行更全面的性能评估，确保其在多种污染物处理中的有效性。

总之，这项研究通过开发一种基于微藻衍生生物炭的铁单原子催化剂，为抗生素污染的治理提供了一种新的技术路径。该催化剂不仅具有高效的氧化能力，还能显著降低二次污染的风险，同时实现了微藻废弃物的资源化利用。这些特性使其在水处理领域具有广阔的应用前景，为构建可持续、绿色的水处理体系提供了重要的理论和技术支持。