阳光与微生物老化对可生物降解微塑料吸附抗生素的差异化影响机制研究

针对可生物降解微塑料(BMPs)与抗生素在废水中的共存风险，研究人员系统比较了聚丁二酸丁二醇酯微塑料(PBS-MPs)经阳光(P-PBS-MPs)与污水微生物(B-PBS-MPs)老化后对磺胺二甲嘧啶(SM2)的吸附-解吸行为。发现阳光老化通过氢键和范德华力促进多层吸附(351.49 μg/g)，而微生物老化通过胞外聚合物(EPS)络合增强吸附稳定性，揭示了BMPs作为抗生素载体的差异化环境风险。

　　

随着全球塑料污染加剧，可生物降解塑料(Biodegradable Plastics, BPs)被视为传统塑料的环保替代品。然而最新研究发现，这些"绿色材料"在环境中会破碎成微塑料(Biodegradable Microplastics, BMPs)，且其降解速度远低于预期。更令人担忧的是，BMPs与抗生素等污染物在废水系统中的共现现象日益普遍，可能通过协同作用放大环境风险。其中，聚丁二酸丁二醇酯(Poly(butylene succinate), PBS)作为占全球生物降解聚合物产量3.4%的重要品类，其微塑料(PBS-MPs)在污水处理厂(WWTPs)等场景中与磺胺类抗生素的相互作用机制尚不明确。

针对这一科学盲区，同济大学环境科学与工程学院的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表创新性研究，首次系统比较了阳光老化和污水微生物老化对PBS-MPs吸附磺胺二甲嘧啶(Sulfamethazine, SM2)的影响差异。通过结合表面表征技术、动力学模型和分子相互作用分析，揭示了两种老化路径下截然不同的吸附机制与环境归趋特征。

研究采用机械粉碎法制备原始PBS-MPs，分别通过30天模拟阳光辐照和污水微生物暴露获得光老化(P-PBS-MPs)与微生物老化(B-PBS-MPs)样品。利用扫描电镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和比表面积分析(BET)表征材料特性，通过批次吸附实验构建动力学和等温线模型，结合解吸实验评估SM2滞留稳定性。

表面特性变化
SEM显示光老化使PBS-MPs表面产生龟裂和鳞片状剥落，比表面积增加2.4倍；微生物老化样品则覆盖生物膜，含大量微生物和胞外聚合物(EPS)。FTIR证实光老化引入羧基等含氧基团，而微生物老化主要增加蛋白质/多糖特征峰。

吸附动力学差异
所有MPs对SM2的吸附符合Elovich模型，表明液膜扩散和颗粒内扩散共同控制速率。光老化样品吸附速率常数(k₂)最高(0.024 g/(μg·h))，微生物老化样品次之(0.018 g/(μg·h))，原始样品最低(0.011 g/(μg·h))。

吸附容量与机制
Langmuir模型预测最大吸附量呈现：P-PBS-MPs(351.49 μg/g) > B-PBS-MPs(316.58 μg/g) > 原始PBS-MPs(76.52 μg/g)。机制分析发现：

1. 原始MPs通过非键相互作用单层吸附(Langmuir型)
2. 光老化MPs转为氢键驱动的多层吸附(Freundlich型)
3. 微生物老化MPs呈现双机制：低浓度时微孔填充主导，高浓度时SM2-EPS络合为主(Langmuir-Freundlich型)

解吸稳定性
微生物老化MPs因SM2-EPS化学键合作用显示最强滞留性(解吸率28.7%)，光老化样品则因弱结合力易再释放(解吸率64.3%)，提示阳光老化可能提升抗生素的迁移风险。

该研究创新性地揭示环境老化路径会定向调控BMPs的抗生素载体功能：微生物暴露通过生物膜-EPS复合体增强吸附稳定性和持久性，而光老化主要通过物理化学改性提高吸附容量但降低滞留强度。这一发现为准确评估BMPs在真实环境中的复合污染风险提供了理论框架，对制定差异化管控策略具有重要指导价值。研究结果警示，在评估BMPs的环境友好性时，需充分考虑其老化产物与污染物的协同效应，避免"绿色替代"引发次生环境问题。