《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Micro and Macro Interaction Behaviors Analysis Between Microplastics and Antibiotics in Complex Hydrodynamic Environment
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微塑料与抗生素复合污染物的界面相互作用机制研究：通过实验、结构建模和粒子流场模拟，发现老化处理显著增加聚苯乙烯（PS）比表面积和氧官能团含量，使其对磺胺甲噁唑（SMX）吸附能力提升1.17倍，主要受静电作用、疏水作用及π-π共轭影响；低水力能量下复合物在底部稳定聚集，高能量时发生扩散与部分解吸。
作者：史长亮、杨静静、杨磊、耿敬军、谢玉娟、王杰、彭一云
单位：河南理工大学化学与化学工程学院，焦作454003，中国
摘要
微塑料和抗生素在水环境中通常作为复合污染物共存，它们在流体作用力下的动态迁移和转化过程加剧了生态和健康风险。本研究在耦合老化和流体动力条件的作用下，探讨了聚苯乙烯（PS）微塑料与磺胺甲噁唑（SMX）作为模型污染物之间的界面相互作用。通过实验测试、结构建模和颗粒流场模拟，系统地阐明了其背后的机制。结果表明，老化处理显著粗糙了PS表面，增加了比表面积，并引入了含氧官能团。PS与SMX之间的相互作用主要受静电吸引、疏水作用、氢键和π-π共轭作用的影响，老化PS的吸附能力提高了约1.17倍。CFD-DEM模拟进一步显示，在低流体动力能量下，PS-SMX复合物主要积聚在底部并保持稳定；随着流体动力力的增加，复合物会发生扩散和重新分布，导致SMX的部分解吸。本研究为复杂流体动力条件下微塑料和抗生素的协同管理提供了理论支持。
引言
微塑料（MPs）和磺胺类抗生素（SAs）是水环境中新兴的污染物。到2030年，预计每年将有数百万吨塑料废物和抗生素进入水生生态系统[1] [4]。微塑料和磺胺类抗生素对生态完整性和人类健康构成严重威胁[24]。特别是微塑料由于其高比表面积和强疏水性，在水环境中容易与磺胺类抗生素形成复合污染物[20]（Wang, L.等人，2021年）。这些复合污染物可通过“特洛伊木马效应”增强对生物的毒性[17] [27] [30]。因此，研究微塑料与抗生素在共存系统中的相互作用机制具有重要意义。现有关于微塑料与抗生素相互作用行为的研究主要集中在吸附实验和吸附机制分析上[18] [19]（Wang, Y.等人，2021年）。研究发现，抗生素在微塑料上的吸附主要受pH值、盐度和浓度等因素的影响，其作用机制包括静电相互作用、孔隙填充、氢键、疏水相互作用和配位作用[10]，吸附效率在5%到12%之间。微塑料在环境中的老化行为也引起了学者的关注。酸碱腐蚀、紫外线辐射、物理磨损和流体冲击等环境因素显著加速了微塑料的老化[26] [29]。一些学者还通过热活化、不同类型的紫外线辐射等方法人工加速了微塑料的老化[13] [15]。Fan等人[5]证实，老化后的微塑料更容易与抗生素形成复合污染物。例如，聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）和聚酰胺（PA）对盐酸左氧氟沙星的吸附能力在紫外线老化后显著增加[11] [28]，表明老化是调节微塑料吸附性质的关键因素。此外，作为影响污染物迁移和转化的关键环境因素，流体动力条件对其与重金属或抗生素相互作用的影响也越来越受到关注。
根据现有报告，河流流态的变化可能导致污染物从吸附剂上重新释放，从而改变其浓度[9]。最近，史等人[16]的研究发现，在0.021–0.0705 J的低能量范围内，流体动力效应可以增强湍流并破坏边界层，提高Pb(II)的质量传递和吸附效率；然而，当能量超过0.106 J时，流体剪切力会克服MP-Pb之间的静电和物理吸附作用，导致Pb(II)解吸，降低吸附能力。这种动态释放过程不仅扩大了污染物在河流中的扩散范围，还通过增强抗性基因转移等机制对水生微生物群落构成生态威胁[21]。然而，目前的流体动力学研究尚未报道流体动力学对微塑料和抗生素在微塑料、抗生素和水共存系统中的吸附和解吸行为及机制的影响。
PS是一种广泛存在于环境中的微塑料，常见于包装材料中，并在各种环境介质中被频繁检测到[em]。其芳香苯环结构为研究π-π相互作用提供了理想的模型。在各种抗生素中，磺胺甲噁唑（SMX）因其高环境持久性、迁移性和与聚苯乙烯（PS）等芳香微塑料的强π-π相互作用潜力而特别值得关注。因此，本研究通过实验和微观模拟研究了PS和SMX的行为，探讨了老化和流体动力因素如何影响微塑料在微塑料、抗生素和水共存系统中对抗生素的吸附和解吸。这项研究为高质量去除复合污染物提供了基础性见解。
实验材料
聚苯乙烯（PS）购自广东济成塑料加工有限公司，密度范围为1.02至1.08 g/cm3。通过XRD测试确认其为聚苯乙烯，使用激光粒度分析仪测量其粒径分布，结果为62.4 ± 8.9 μm。磺胺甲噁唑（SMX）为分析纯度产品，购自山西同杰化学试剂有限公司。实验所需的其他材料包括硫酸（H?SO?）和盐酸。
老化前后PS对SMX的吸附
图1显示了原始PS和UV处理后的PS对SMX的吸附效率比较。随着pH值和盐离子浓度的增加，PS和UV-PS的吸附能力均下降（图1a和c），在pH=3、盐度=1%时达到最大值。图1b和d显示，PS和UV-PS的吸附能力最初随剂量和搅拌速度的增加而增加，然后在剂量为3 g/L、搅拌速度为...（原文此处数据缺失）时达到最大吸附值。结论
本研究通过实验和模拟相结合的方法，系统研究了老化过程和流体动力作用对聚苯乙烯（PS）微塑料吸附磺胺甲噁唑（SMX）行为的影响。在优化条件下（pH=3、SMX=10 mg/L、盐度=1%、PS=3 g/L、搅拌速度=160 rpm），老化PS的SMX吸附能力是原始PS的1.17倍。分子动力学模拟显示，老化改变了PS表面的能级。
作者贡献声明
史长亮：撰写初稿、方法学设计、数据分析、概念构建。杨磊：监督工作、资源调配、实验实施、数据分析。杨静静：资源调配、方法学设计。彭一云：撰写、审稿与编辑。王杰：撰写、审稿与编辑。谢玉娟：撰写、审稿与编辑。耿敬军：撰写、审稿与编辑、结果验证。利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了河南省重点科技项目（项目编号242102321041）、河南省高等教育机构青年骨干教师培训计划（项目编号2024GGJS037）以及河南省科技副省长项目的支持。利益声明
作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益冲突或个人关系。
