综述：碳基催化剂在磺胺类药物降解的高级氧化过程中的应用：环境挑战与创新

磺胺类（SFA）抗生素在环境中广泛存在，带来诸多风险。本文聚焦利用碳基催化剂的高级氧化过程（AOPs）降解 SFA。阐述了碳基催化剂在其中的关键作用、影响因素等，还探讨了成本效益等问题，为相关研究提供全面参考。

　　

磺胺类抗生素的环境问题

磺胺类（SFA）抗生素在全球应用广泛，用于人类治疗、兽药及农业。其大量使用导致在环境中广泛传播，主要通过污水处理厂排放、农业径流和畜牧场淋溶等途径进入环境，在地表水、地下水和土壤等环境介质中均有残留。

SFA 抗生素在环境中持久存在，引发诸多严重问题。一方面，它促使微生物产生抗生素抗性，磺胺类化合物可对微生物群落施加选择压力，通过多种机制，如folP基因突变、获取抗性基因（sul1–sul4）、增加对氨基苯甲酸（PABA）生成，以及激活外排泵、降低膜通透性等，使微生物产生抗药性，这对公共健康构成严重威胁。另一方面，SFA 会破坏自然微生物过程，影响生态系统的养分循环和有机物分解等功能。而且，SFA 在环境中的存在还可能导致生物累积，对食物链顶端的生物包括人类产生潜在健康风险。

SFA 抗生素化学结构稳定，其中的芳香胺和 SFA 官能团使其难以被生物降解，在不同环境条件下，其降解时间从数月到数年不等。其主要来源包括制药生产、农业使用和医院废物。制药生产中，活性药物成分可能直接排放到水体，且常规处理难以完全去除；农业上，SFA 用于牲畜治疗和促生长，降雨后易随径流进入土壤和水体，造成污染。

磺胺类抗生素的修复技术

针对 SFA 抗生素的去除和降解，已开发多种修复技术，如吸附、高级氧化过程（AOPs）、生物修复和膜过滤等。AOPs 因其能产生高活性自由基，如羟基自由基（^•OH）、硫酸根自由基（SO₄^•? ）和超氧自由基（O₂^•? ），可将复杂的 SFA 分子分解为无毒副产物，降解效果比传统方法更显著。这些自由基具有强氧化能力，能快速非选择性地氧化分解水中和废水中的大多数有机化合物，实现污染物的氧化分解，转化为中性和低风险产物。

碳基催化剂在 AOPs 中的作用

碳基催化剂在 AOPs 降解 SFA 抗生素过程中发挥关键作用。它能产生活性氧物种（ROS），包括^•OH、SO₄^•?、O₂^•?自由基和非自由基单线态氧（¹O₂） ，还能促进电子（e^-）转移，从而高效分解 SFA 分子。其中，石墨烯基材料、碳纳米管、活性炭（AC）和生物炭（BC）等碳基催化剂尤为重要。

过硫酸盐，如过一硫酸盐（PMS，HSO₅^?）和过二硫酸盐（PDS，S₂O₈^2-） ，在碳基催化剂作用下被激活，产生 SO₄^•?自由基，这些自由基可攻击 SFA 结构中的富电子官能团，主要是芳香环和磺酰基，使化学键断裂，形成中间产物，随后进一步氧化为更小、更易生物降解的化合物，最终转化为 CO₂、H₂O 和无机离子等无毒副产物。

碳基催化剂的降解效率受多种因素影响。高比表面积的碳材料，如氧化石墨烯或活性炭，能提供更多过硫酸盐活化位点，加快 SFA 降解速率。对碳基催化剂进行表面修饰，如杂原子（如氮、硫）掺杂，可促进电子转移和自由基生成，提升催化性能。此外，环境因素也会影响碳催化活化过硫酸盐过程的效果，酸性或中性 pH 条件更有利于硫酸根自由基的生成，碱性环境会使反应向生成羟基自由基方向进行，改变降解动力学；高浓度的天然有机物或无机阴离子（如氯离子）会与 SFA 竞争硫酸根自由基，降低降解效率。

碳基催化剂的成本效益和处置考量

碳基催化剂，尤其是由废弃生物质、农业残留物或工业副产品制备的催化剂，被视为传统金属基催化剂在 AOPs 中的经济替代品。其合成成本低，前体材料丰富，且只需少量能量输入即可进行结构修饰，适合大规模用于有机污染物降解。

结论

本研究全面探讨了碳基催化剂在环境修复，特别是 SFA 抗生素降解方面的有效性和创新潜力。各类碳基催化材料在增强降解过程、应对 SFA 环境持久性和降低生态风险方面发挥了重要作用。碳催化研究展现出克服环境挑战的能力，为开发更高效的修复技术提供了方向，但仍存在一些研究空白，有待进一步探索。