掺锰（Mn）和氮（N）的碳气凝胶可加速四环素类抗生素在土壤中的去除：揭示其作用机制及微生物群落演变的奥秘

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Mn-N-doped carbon aerogels accelerate tetracycline antibiotic removal from soil: Insights into underlying mechanisms and microbial community evolution

本研究开发Mn-N共掺杂碳气凝胶（MNCA）用于高效去除土壤中四环素类抗生素（TC、OTC、CTC）共污染，3% MNCA在90天培养中实现TC（72.58%）、OTC（91.93%）、CTC（95.37%）高效降解，同时改善土壤理化性质和微生物群落结构。

　　在当前的环境问题中，抗生素污染已经成为一个不容忽视的挑战。特别是在农业和畜牧业中，由于抗生素的广泛使用，土壤和水体中抗生素残留的问题日益严重。这类残留物不仅影响土壤的生态平衡，还可能通过食物链进入人体，带来一系列健康风险。因此，寻找一种高效且可持续的抗生素污染土壤修复技术显得尤为重要。本研究围绕这一主题，提出了一种新型的材料——Mn-N掺杂碳气凝胶（MNCA），并对其在土壤修复中的应用进行了深入探讨。

### 抗生素污染的现状与挑战

抗生素的使用在现代医学和农业中具有重要意义。它们不仅用于治疗疾病，还在促进动物生长、预防感染等方面发挥着关键作用。然而，由于抗生素的广泛使用，其在环境中的残留问题逐渐显现。据统计，约有30%-90%的抗生素未能被动物完全吸收，最终通过动物排泄物或农业废弃物进入土壤和水体。这些残留物不仅在环境中长期存在，还可能通过土壤微生物的代谢过程产生更复杂的化合物，从而加剧污染程度。特别是在中国，虽然近年来出台了一系列关于抗生素使用的政策，如《国家遏制抗生素耐药性行动计划（2022-2025）》，但针对土壤中抗生素残留的环境质量标准尚未完善，这使得土壤修复工作面临更大的困难。

此外，抗生素在土壤中的残留往往与土壤的物理化学特性密切相关。例如，土壤的pH值、有机质含量、微生物群落结构等都会影响抗生素的迁移、转化和降解过程。目前，许多传统的土壤修复技术，如过氧化氢氧化、生物炭吸附、光催化降解和厌氧生物降解等，虽然在一定程度上能够去除土壤中的抗生素，但它们普遍存在成本高、去除效率低或使用寿命短等问题，限制了其在大规模环境治理中的应用。因此，开发一种既高效又经济的土壤修复材料，成为解决抗生素污染问题的关键。

### Mn-N掺杂碳气凝胶（MNCA）的特性与优势

碳气凝胶作为一种新型的多孔材料，因其独特的三维互联多孔结构和巨大的比表面积，被广泛应用于水体和土壤中有机污染物及重金属的去除。然而，原始碳气凝胶材料在去除持久性抗生素方面存在一定的局限性，如吸附能力不足、选择性较差以及再生稳定性不佳等问题。为了解决这些问题，研究者们开始探索通过掺杂策略来提升碳气凝胶的性能。其中，氮和锰的共掺杂被认为是一种有效的改进手段。

氮掺杂可以引入多种氮物种，如吡啶氮、吡咯氮和石墨氮，这些氮物种能够改变碳气凝胶的表面化学性质，提高其碱性，并增强对芳香族污染物的吸附能力。同时，氮的引入还可以促进电子转移过程，从而增强材料在污染物转化中的催化作用。而锰的掺杂则可以提供丰富的表面羟基和金属中心，支持多种氧化反应路径，如自由基氧化和非自由基氧化。通过调控锰的价态和分布，可以进一步优化其在污染物降解中的性能。

MNCA材料通过将氮和锰两种元素共同掺杂于碳气凝胶中，结合了氮和锰各自的优点，形成了一种具有多功能性的土壤修复材料。它不仅能够通过其多孔结构和表面官能团对抗生素进行吸附，还能够借助锰和氮的协同作用，促进抗生素的非生物氧化降解。这种材料的综合性能使其在土壤修复领域展现出巨大的潜力。

### MNCA在抗生素污染土壤修复中的应用效果

在本研究中，研究人员对MNCA在去除土壤中四环素类抗生素（TC、OTC和CTC）方面的效果进行了系统评估。实验结果显示，在25℃条件下进行90天的培养后，添加3%（w/w）MNCA的土壤中，TC、OTC和CTC的去除率分别达到了72.58%、91.93%和95.37%。这些数据表明，MNCA在去除多种四环素类抗生素方面表现出较高的效率，尤其是在去除CTC方面，其去除率接近95%。这一结果对于实际应用具有重要意义，因为CTC是四环素类抗生素中较为常见的一种，其在土壤中的残留问题尤为突出。

除了对抗生素的高效去除，MNCA还显著改善了土壤的物理化学性质。研究发现，MNCA的添加能够提高土壤的有机碳含量，调节土壤的pH值，并增强土壤的持水能力。这些变化不仅有助于抗生素的去除，还可能对土壤的生态功能产生积极影响。此外，MNCA的使用还改变了土壤微生物群落的结构，增加了微生物的多样性。这一现象表明，MNCA不仅在物理化学层面发挥作用，还可能通过影响微生物的活动，进一步促进抗生素的生物降解过程。

### MNCA的多机制协同作用

MNCA在去除四环素类抗生素的过程中，表现出多种机制的协同作用。首先，其多孔结构和丰富的表面官能团能够有效吸附抗生素，从而减少其在土壤中的扩散。其次，氮和锰的掺杂使得MNCA具备一定的催化能力，能够促进抗生素的非生物氧化降解。这种催化作用主要依赖于锰和氮的氧化还原特性，以及它们在材料表面的分布情况。此外，MNCA的使用还可能通过改变土壤的环境条件，如pH值和氧化还原电位，来促进微生物的活性，从而增强抗生素的生物降解效率。

研究还发现，MNCA的添加能够显著提高土壤中与抗生素降解相关的微生物种类的丰度。这表明，MNCA不仅通过物理吸附和化学氧化作用去除抗生素，还可能通过提供适宜的环境条件，促进微生物的生长和代谢活动，从而形成一种“吸附-氧化-生物降解”的多机制协同作用。这种协同效应可能是MNCA在土壤修复中表现出高效去除能力的重要原因之一。

### 土壤的选取与实验设计

为了评估MNCA在实际土壤环境中的应用效果，研究人员选取了来自中国武汉洛嘉山的土壤作为实验对象。这种土壤具有一定的代表性，能够反映中国农业土壤的典型特征。实验前，研究人员对土壤进行了预处理，包括风干、研磨、过筛等步骤，以确保土壤的均匀性和可操作性。同时，通过基线分析确认了土壤中未存在四环素类抗生素的原始污染，从而保证实验结果的准确性。

在实验过程中，研究人员采用不同的MNCA添加比例，以评估其对不同抗生素去除效果的影响。实验结果显示，3%（w/w）的MNCA添加量在去除效率和土壤稳定性之间取得了良好的平衡。这一比例不仅能够有效去除TC、OTC和CTC，还不会对土壤的结构和功能造成显著破坏。因此，3%的添加量被认为是MNCA在土壤修复中的一个较为理想的浓度。

### 材料的表征与性能优化

为了进一步了解MNCA的结构和性能，研究人员对其进行了详细的表征分析。通过调整合成温度和锰/氮共掺杂比例，研究人员优化了MNCA的吸附性能和催化活性。实验表明，适当的合成条件能够显著提高MNCA的比表面积和孔隙结构，从而增强其对抗生素的吸附能力。同时，锰和氮的共掺杂使得MNCA在氧化降解过程中表现出更高的效率。

在表征过程中，研究人员还关注了MNCA在土壤中的稳定性。通过长期的实验观察，他们发现MNCA在土壤中能够保持其结构和功能特性，不会发生明显的降解或失活现象。这一结果表明，MNCA具有良好的环境适应性和长期使用潜力。此外，研究还探讨了MNCA在土壤中的可能释放行为，以评估其对环境和生态系统的潜在影响。实验结果表明，MNCA在土壤中的释放量较低，且释放的锰和氮元素对环境的影响较小，这进一步验证了其在土壤修复中的安全性。

### 实验结果与意义

本研究的实验结果不仅证实了MNCA在去除四环素类抗生素方面的有效性，还揭示了其在改善土壤环境和促进微生物活动方面的潜力。这些发现为开发新型土壤修复材料提供了重要的理论依据和实践指导。通过结合吸附、氧化和生物降解等多种机制，MNCA能够在复杂的土壤环境中实现对多种抗生素的高效去除，这对于解决抗生素污染问题具有重要的现实意义。

此外，本研究还强调了MNCA在实际应用中的优势。与传统的土壤修复技术相比，MNCA不仅具有较高的去除效率，还能够显著改善土壤的理化性质，促进微生物的生长和代谢活动。这种综合性能使其在土壤修复领域具有广阔的应用前景。同时，研究还指出，MNCA的使用需要考虑其长期稳定性和安全性，以确保其在实际环境中的有效性和可持续性。

### 结论与展望

综上所述，MNCA作为一种新型的土壤修复材料，表现出优异的抗生素去除能力。其多孔结构和表面官能团使其能够有效吸附四环素类抗生素，而锰和氮的共掺杂则增强了其催化氧化能力，从而实现了对多种抗生素的高效去除。此外，MNCA的使用还能够改善土壤的理化性质，促进微生物的活动，形成一种多机制协同的修复效果。

未来的研究可以进一步探讨MNCA在不同土壤类型和环境条件下的应用效果，以及其在实际环境中的长期稳定性和安全性。同时，也可以尝试将MNCA与其他修复技术相结合，以实现更高效的抗生素污染治理。随着对MNCA研究的深入，其在土壤修复中的应用有望得到更广泛的认可和推广，为解决抗生素污染问题提供新的思路和方法。