超声降解水体中二苯甲酮-3的机制研究：转化产物、生态毒性及微塑料相互作用

研究人员针对防晒剂二苯甲酮-3（BP-3）在水环境中的污染问题，采用低频超声（20 kHz）开展降解研究。结果表明，71 W L?1功率下120分钟内可实现>97%的BP-3去除，并鉴定出12种以羟基化、脱甲基和开环反应为主的转化产物。研究首次揭示了微/纳米塑料通过消耗羟基自由基（HO•）抑制降解效率的机制，ECOSAR模型证实多数产物毒性低于母体化合物。该成果为复杂水体中新兴污染物的超声处理提供了理论依据和技术支撑。

　　

随着防晒产品的广泛使用，紫外线过滤剂二苯甲酮-3（BP-3）已成为全球水体中普遍检出的新兴污染物。这种具有内分泌干扰特性的化合物不仅会引发珊瑚白化，还能通过污水处理厂进入自然水体，在瑞士湖泊和西班牙海岸分别检测到125 ng L^?1和577 ng L^?1的残留。尽管欧盟已将其列入监测清单，但传统处理工艺难以有效去除这类持久性污染物。

希腊帕特拉斯大学（University of Patras）化学工程系的研究团队在《Science of The Total Environment》发表的研究中，创新性地采用20 kHz低频超声技术降解BP-3。通过系统考察功率密度（40-71 W L^?1）、pH（3-9）和基质成分（氯离子、腐殖酸等）的影响，结合电子顺磁共振（EPR）和超高液相色谱-飞行时间质谱（UHPLC-TOF/MS）等技术，揭示了超声处理BP-3的反应机制与环境风险。

关键技术方法包括：1）超声反应体系（20 kHz钛合金探头）；2）EPR检测羟基自由基；3）UHPLC-TOF/MS鉴定转化产物；4）ECOSAR生态毒性预测模型；5）扫描/透射电镜（SEM/TEM）表征微塑料形貌。

3.1 超声功率密度效应
71 W L^?1功率下120分钟降解率达97.6%，提高功率可增强空化气泡崩溃强度，促进HO•生成。BP-3因低亨利常数（1.5×10^?8 atm m³ mol^?1）主要在气泡界面被氧化。

3.2 pH影响机制
pH 3-9范围内降解差异不显著（k=0.029-0.041 min^?1），碱性条件下去质子化的酚酸盐形态更易被氧化。

3.4 真实水体挑战
二级出水使降解速率降低50%（k从0.030降至0.015 min^?1），腐殖酸（10 mg L^?1）和氯离子（250 mg L^?1）显著 scavenge HO•，而碳酸氢盐无显著影响。

3.5 微塑料相互作用
460 nm聚苯乙烯纳米塑料使HO•信号减弱，SEM显示20-50 μm微塑料表面产生裂纹，证实超声可引发塑料老化但未导致二次颗粒生成。

3.6 降解路径解析
发现12种转化产物，包括羟基化异构体（m/z 243.0651-243.0660）和开环产物苯甲酸（m/z 121.0290），主要途径涉及HO•攻击芳香环和脱甲基反应。

3.7 生态毒性评估
虽然部分羟基化产物对藻类急性毒性升高，但终产物2,4-二羟基苯甲酸（m/z 153.0185）和没食子酸（m/z 169.0138）对所有测试生物（鱼类、水蚤、藻类）的慢性毒性均低于BP-3。

该研究首次阐明超声处理BP-3在复杂水体中的适用性边界，证实微塑料通过竞争HO•抑制降解效率的新机制。提出的"羟基化-开环"降解路径为其他酚类污染物的处理提供参考，而毒性评估结果证明超声技术具有环境友好性。研究为开发无化学药剂添加的水处理工艺奠定了理论基础，对保护水生生态系统具有重要意义。