在自供电光生物电化学系统中，多巴胺/BiOBr修饰的光阴极协同促进抗生素的降解

《Bioresource Technology》：Synergistic antibiotic degradation by polydopamine/BiOBr-modified photocathode in self-powered photo-bio-electrochemical system

自供电光生物电化学系统（PBES）通过聚多巴胺/钒酸溴改性光阴极实现磺胺类抗生素（SA）高效降解，产电密度达119.2 mA/m2，机理涉及PDA促进电子转移及BiOBr生成自由基氧化SA键合位点，中间体毒性降低5倍。

　　本研究提出了一种新型的自供电光电生物电化学系统（PBES），其核心在于采用聚多巴胺/溴氧化铋（PDA/BiOBr）修饰的光电阴极，用于去除磺胺类抗生素（SA）。该系统在可见光驱动下，实现了高达96.5?±?1.1%的SA去除效率，去除速率为21.2?±?0.1?g/m3·d，同时能够产生119.2?±?10.4?mA/m2的电流密度，显著优于未修饰和PBES-BiOBr系统的性能（分别为2.0?±?0.4%和64.5?±?6.1%）。这一成果不仅展现了PDA/BiOBr复合材料在SA降解方面的高效性，也为抗生素废水的可持续处理提供了新的思路。

磺胺类抗生素，如磺胺（SA）作为其代表，因其难以降解的特性而成为水环境中普遍存在的污染物。这类抗生素广泛存在于污水处理厂的排放物中，其残留物在环境中长期存在，不仅对水生生态系统构成威胁，还可能促进抗生素耐药基因的传播，从而影响人类健康。因此，开发一种高效、可持续且环保的抗生素去除技术显得尤为重要。传统的去除方法，如吸附、芬顿氧化、电催化等，虽然在某些情况下表现出良好的去除效果，但往往伴随着高成本、二次污染或降解不彻底等问题。因此，寻找一种既能高效去除污染物，又能实现能源回收的技术成为当前研究的热点。

光电生物电化学系统（PBES）作为一种结合了微生物电活性与半导体光催化作用的新型技术，近年来受到了广泛关注。在PBES中，生物阳极通过氧化有机物产生电子，这些电子被输送到光电阴极，进而驱动抗生素的降解过程。同时，光电阴极在降解污染物的过程中还能产生电能，实现污染物去除与能源回收的双重目标。然而，当前PBES的性能仍受限于光电阴极的效率，尤其是在可见光范围内的响应能力。因此，如何提升光电阴极的性能成为该技术发展的关键。

在众多半导体材料中，BiOBr因其独特的层状结构而备受关注。该结构由[Bi?O?]2+层板夹在双溴化层之间，能够促进光生电子-空穴对的定向分离，从而提高光催化效率。此外，BiOBr在可见光下的量子效率比TiO?高68%，表明其在光催化反应中具有显著的优势。然而，BiOBr在可见光范围内的吸收能力有限，导致其在实际应用中仍存在一定的不足。为了解决这一问题，研究者们尝试通过引入其他材料来增强其光响应能力，同时提高电子转移效率。

聚多巴胺（PDA）作为一种具有广泛应用前景的生物模拟材料，因其优异的附着性能和丰富的官能团（如儿茶酚基团和氨基）而成为一种理想的修饰剂。PDA能够均匀地覆盖在多种基材表面，包括金属、氧化物和聚合物，这使其在电化学和光催化领域具有巨大的潜力。其丰富的官能团不仅有助于增强材料表面的电子转移能力，还能通过物理吸附作用稳定金属离子，从而提高系统的整体性能。近年来，已有研究表明，PDA修饰的阳极和光阳极在污染物降解和电力生成方面表现出显著的提升，这为PDA在光电阴极中的应用提供了理论支持。

在本研究中，研究人员构建了一种基于碳布（CC）支撑的PDA/BiOBr光电阴极，并将其应用于自供电的PBES系统中，以实现SA的高效去除。通过材料表征、物理化学分析、电化学测试和降解路径鉴定，研究团队系统地揭示了PDA/BiOBr光电阴极在SA降解中的协同作用机制。研究发现，PDA在促进电子转移和增强光催化性能方面起到了关键作用。在PBES系统中，生物阳极产生的电子通过PDA的介导作用被高效地传递到光电阴极，从而加速SA的降解过程。同时，BiOBr在可见光照射下产生的光生空穴能够氧化表面吸附的水分子或羟基离子，生成具有强氧化性的羟基自由基（·OH），这些自由基能够攻击SA分子中高电子密度的C-S和C-N键，从而实现污染物的高效分解。

除了降解效率的提升，该系统在环境友好性方面也表现出显著的优势。通过生态毒理评估，研究团队发现SA降解后的中间产物的毒性仅为原始SA的五分之一，表明该系统在降解过程中能够有效减少有毒副产物的生成。这不仅有助于提高系统的安全性，也降低了后续处理的难度，为抗生素废水的处理提供了更环保的解决方案。

在实际应用中，PBES系统能够充分利用太阳能资源，实现自供电运行，从而降低对传统能源的依赖。这种特性使得PBES在处理低能耗、难降解的废水时具有独特的优势。此外，由于PBES系统能够在降解污染物的同时产生电能，其在废水处理领域的应用前景广阔，特别是在偏远地区或资源有限的环境中，能够为可持续的废水处理提供新的途径。

本研究不仅为PDA/BiOBr复合材料在光催化领域的应用提供了新的视角，也为PBES系统的优化设计提供了理论依据。通过引入PDA作为修饰剂，研究人员成功地提高了BiOBr的光响应能力和电子转移效率，从而显著提升了整个系统的性能。这种新型光电阴极的设计思路可以拓展到其他类型的污染物处理，为开发更高效的光电生物电化学系统奠定基础。

此外，研究团队还对PDA/BiOBr光电阴极的结构进行了深入分析。通过扫描电子显微镜（SEM）等手段，研究人员观察到PDA修饰后的BiOBr纳米片表面形成了均匀的包覆层，这一结构变化有助于增强材料的稳定性和表面活性。同时，PDA的引入还促进了BiOBr纳米片的有序排列，使其在光催化反应中能够更有效地利用光能，提高反应效率。这些结构上的优化为提升系统的整体性能提供了重要的支持。

在实际运行过程中，PBES系统展现出良好的适应性和稳定性。研究团队通过实验验证了该系统在不同水质条件下的性能表现，表明其对复杂水体中的SA具有较高的去除效率。同时，系统的自供电特性也使其在长期运行中具备较强的可持续性。这一结果对于推动PBES技术在实际废水处理中的应用具有重要意义，尤其是在需要长期稳定运行的环境中。

值得注意的是，本研究的成果还为未来相关技术的发展提供了新的方向。例如，PDA/BiOBr复合材料可以与其他半导体材料或催化剂结合，进一步提升系统的光响应能力和污染物去除效率。此外，该系统还可以与生物膜技术相结合，以提高微生物的固定效率和系统稳定性。这些可能的改进方向为后续研究提供了丰富的思路，有助于推动PBES技术的进一步发展。

本研究的作者团队由多位在环境科学和材料工程领域具有丰富经验的科学家组成，他们分别承担了不同的研究任务。Mei-Qi Ren负责撰写原始稿件、研究方法设计、实验分析和概念提出；Hong-Li Lu、Zhuo-Chao Liu、Tao Hou、Shuai Wang主要负责实验设计和数据收集；Dan Cui负责稿件的审阅与编辑、项目管理、研究方法设计和概念提出；Yong-Zhen Peng则负责项目的整体规划和概念设计。这样的分工体现了团队在科研合作中的高效性和专业性，也为研究的顺利开展提供了保障。

研究团队还声明了其在该研究中不存在任何竞争性利益关系，这表明研究结果的客观性和可信度。同时，该研究的创新点在于将PDA与BiOBr结合，构建了一种高效的光电阴极，并成功应用于PBES系统中。这种材料组合不仅提升了系统的性能，还为未来相关技术的开发提供了新的思路。

综上所述，本研究通过构建一种新型的PDA/BiOBr光电阴极，成功开发出一种自供电的PBES系统，实现了对磺胺类抗生素的高效去除和电能回收。该系统在可见光驱动下表现出优异的性能，不仅在去除效率上远超传统方法，还在环境友好性和可持续性方面具有显著优势。这一成果为抗生素废水处理技术的发展提供了重要的参考，同时也为未来相关研究的深入探索奠定了坚实的基础。