非热大气压等离子体射流高效降解卡马西平及其细胞毒性评估

【编辑推荐】本研究针对水体中难降解药物污染物卡马西平（CBZ），采用非热大气压等离子体射流（APPJ）技术，通过连续和占空比模式对比实验，实现30分钟内40 μg/mL CBZ完全降解（能量产率0.29 g/kWh），并证实处理后溶液对脑癌细胞（U87-MG）和正常星形胶质细胞的毒性显著降低。该技术为医药污染物治理提供了高效环保解决方案。

　　

卡马西平（Carbamazepine, CBZ）作为一种抗癫痫和精神类药物，在全球水体中广泛检出，其浓度从地表水的23 μg/L到污水厂出水的6300 ng/L不等。这种药物因结构稳定、半衰期长达100天，成为传统污水处理技术的"顽固分子"——活性污泥法仅能去除不足10%，膜生物反应器也仅截留6%。更严峻的是，CBZ可通过食物链富集，影响水生生物繁殖能力，甚至威胁人类健康。面对这一环境顽疾，韩国光云大学的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表论文，创新性地将大气压等离子体射流（Atmospheric Pressure Plasma Jet, APPJ）技术引入CBZ降解领域。

研究团队采用氩气驱动的APPJ系统，通过高精度液相色谱（HPLC）和质谱（MS）分析降解产物，结合细胞实验（U87-MG脑癌细胞和星形胶质细胞）和植物发芽实验评估毒性变化。关键发现包括：连续模式APPJ处理30分钟可使40 μg/mL CBZ完全降解，能量产率达0.29 g/kWh，显著优于占空比模式；处理后的CBZ溶液使癌细胞死亡率降低，小麦发芽率提升；降解机制主要依赖等离子体产生的羟基自由基（•OH）和过氧化氢（H₂O₂）。

主要技术方法
研究采用交流驱动APPJ系统，通过热成像仪监测等离子体温度，溶解臭氧测试仪（DOZ30）量化活性物质。利用高效液相色谱（HPLC）追踪CBZ降解动力学，质谱（MS）鉴定中间产物。细胞实验采用CCK-8法检测活力，流式细胞术分析死亡率。植物实验以发芽率和幼苗生物量评估生态毒性。

研究结果

1. 电学与光学特性：APPJ在连续模式下产生更稳定的放电波形，电流峰值达25 mA，而占空比模式（13.7%工作周期）的间歇放电导致活性物种产量降低。

2. 降解效率：40 μg/mL CBZ在去离子水中30分钟降解率达100%，自来水因杂质干扰降至87%。能量产率随浓度降低而下降，10 μg/mL样品需60分钟达到同等效果。

3. 毒性评估：APPJ处理后，U87-MG癌细胞存活率提升37%，星形胶质细胞凋亡率降低52%。小麦种子在处理液中发芽率恢复至对照组95%，证实毒性消除。

4. 机制解析：•OH和H₂O₂浓度与降解率呈正相关，占空比模式下NO_x自由基贡献率升高但效率较低。

结论与意义
该研究证实APPJ技术能同步实现CBZ高效降解和毒性消除，其连续操作模式更适合实际应用。相比传统等离子体反应器（如介质阻挡放电DBD），APPJ的能量效率提升53%，处理时间缩短33%。研究为医药污染物治理提供了新思路，特别是对医院废水等点源污染具有直接应用价值。未来研究可探索APPJ与其他AOP技术的联用，以及规模化处理的经济性优化。

（注：所有数据及结论均源自原文，作者包括Sohail Mumtaz、Juie Nahushkumar Rana等，研究受韩国国家研究基金会（NRF）资助）