真菌发酵棉籽壳生物炭高效降解磺胺类药物：活性位点调控与非自由基途径机制

针对抗生素污染治理难题，研究人员通过真菌发酵预处理棉籽壳生物残渣，开发出高活性生物炭催化剂CSH-BC80 –800。该材料通过优化C=O/C-O比例和石墨化程度，显著提升过一硫酸盐（PMS）活化效率，实现磺胺（SA）84.8%的降解率，揭示非自由基途径（1 O2 氧化与直接电子转移）主导反应机制，为绿色水处理技术提供新策略。

　　

抗生素污染已成为全球水环境治理的严峻挑战，其中磺胺类药物因其在医疗、畜牧业的广泛应用及环境持久性备受关注。这类化合物不仅难以被传统污水处理工艺有效去除，还会对微生物群落和生态系统产生毒性效应。尽管基于硫酸根自由基（SO₄
^•-
）和羟基自由基（^•
OH）的高级氧化技术（AOPs）被广泛研究，但其实际应用常受限于水体中淬灭剂干扰。相比之下，单线态氧（¹
O₂
）因其选择性氧化特性展现出独特优势，但如何绿色高效地制备能定向产生¹
O₂
的催化剂仍是难题。

针对这一科学问题，中国的研究团队创新性地将真菌生物技术与生物炭工程相结合，以平菇（Pleurotus ostreatus）发酵处理的棉籽壳为前驱体，通过热解制备出金属自由的高效催化剂CSH-BC₈₀
–800。该研究发表于《Journal of Water Process Engineering》，揭示了微生物预处理对生物炭活性位点的精准调控机制。

关键技术方法包括：80天真菌发酵预处理破坏木质纤维素结构，800℃高温热解优化材料石墨化程度，结合电子顺磁共振（ESR）和猝灭实验鉴定活性氧物种（ROS），通过动力学分析评估磺胺（SA）降解效率。

材料表征
扫描电镜显示真菌发酵使生物质形成三维网状孔隙结构（CSH-BM₈₀
），热解后获得的CSH-BC₈₀
–800保留了该多孔框架。拉曼光谱证实其石墨化程度提升，X射线光电子能谱（XPS）显示C=O/C-O比例优化，这些特性共同促进了电子转移速率。

降解性能
在CSH-BC₈₀
–800/PMS体系中，120分钟内SA降解率达84.8%，较原始生物炭提升43.9%。动力学分析表明该过程符合准二级动力学模型，表观速率常数显著提高。

机制解析
ESR检测和猝灭实验证实反应主要由非自由基途径驱动：一方面，生物炭表面富集的C=O基团通过电子转移直接氧化SA；另一方面，PMS活化产生¹
O₂
（E⁰
=1.52 eV）选择性攻击SA的富电子基团。这种双途径机制赋予体系抗水质干扰能力。

该研究通过微生物代谢工程实现了生物炭催化性能的定向调控，避免了传统化学修饰的高成本与环境污染问题。所开发的CSH-BC₈₀
–800不仅为抗生素污染治理提供了绿色解决方案，其“发酵-热解”协同策略更为功能化碳材料设计开辟了新途径。研究结果对推动基于生物质的可持续环境技术发展具有重要启示意义。