《Journal of Environmental Chemical Engineering》：BiOI/microbial coupled system for the degradation of ciprofloxacin: Construction, performance and mechanism
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本研究开发了一种BiOI/microbial耦合系统，通过光催化和生物降解协同作用高效去除环丙沙星（94.10%），揭示自由基（·OH/·O??）及关键菌群（如Acinetobacter、Rhodococcus）的协同降解机制。
Xinkui Wang|Jiani Zhang|Guanlong Yu|Yongqi Wang|Anni Zheng|Yuxi Cheng|Songcheng He
长沙理工大学水利与海洋工程学院，中国长沙410014
摘要
环丙沙星（CIP）是一种常用的氟喹诺酮类抗生素，由于其持久性和生物累积性，对环境构成了重大风险。为了克服传统降解方法的局限性，本研究开发了一种BiOI/微生物耦合系统（即光催化与生物降解的紧密结合，ICPB），该系统将光催化与生物降解相结合。该系统使用固定在海绵载体上的BiOI光催化剂来增强微生物的定殖，并在可见光下实现CIP的有效降解，去除率为94.10%。机理分析表明，羟基自由基（·OH）和超氧自由基（·O2?）是负责CIP降解的主要活性物质。微生物群落分析确定了关键的功能性细菌属（如鲍曼不动杆菌、红球菌），它们对降解过程起到了协同作用。这项研究突显了光催化-微生物耦合系统作为抗生素废水处理的有效和可持续方法的潜力。
引言
作为水中的广泛存在的有机污染物，抗生素对环境可持续性和人类健康构成了严重威胁[23]，[24]。环丙沙星（CIP）是一种广谱氟喹诺酮类抗生素，广泛用于治疗呼吸道、泌尿系统、消化系统以及皮肤或软组织感染[3]。然而，由于其结构稳定性和生物累积潜力，CIP无法通过传统的生物处理方法或物理吸附方法有效去除[19]。其强烈的抗菌活性意味着CIP在环境中的残留物可能严重破坏水生生态系统并威胁生物多样性。此外，CIP可以通过饮用水或食物链进入人体，长期暴露可能带来显著的健康风险[28]。因此，开发高效的CIP降解技术对于实现污染控制和环境保护的目标尤为重要[2]，[6]。
目前，CIP污染废水的处理方法大致分为五类：物理方法、化学方法、生物方法、光催化方法以及光催化-微生物耦合方法[26]。其中，光催化技术被认为是污染物降解中最有前景的技术之一。其基本原理是在光照下半导体材料中产生电子-空穴对，从而引发氧化还原反应来降解污染物[6]。尽管光催化技术高效且环保，但在实际的水处理应用中仍面临一些挑战，如催化剂回收率低、可见光活性有限、矿化效率低下以及中间产物的潜在毒性[25]。
光催化与生物降解的紧密结合（ICPB）是一种极具潜力的污水处理技术，最初由Marsolek等人提出[12]，[17]。其原理是将光催化剂置于多孔载体上，在光照下激活光催化剂，将难降解的污染物转化为可生物降解的物质，然后微生物分解这些中间产物，实现高效降解和完全矿化[32]。ICPB结合了光催化和微生物降解的优点，能够更彻底地分解复杂污染物。光催化剂在光照下产生活性氧物种，快速降解污染物，而微生物则可以进一步矿化中间产物，减少有害副产物的生成，使整个过程更加环保。近年来，ICPB已广泛应用于废水处理、黑臭水处理、农业废水处理和工业废水处理[11]，[4]。
在构建ICPB系统时，载体的选择是直接影响光催化与生物降解耦合效率的关键环节；目前最常用的载体类型是聚氨酯海绵和各种生物质材料[8]。其中，聚氨酯海绵因其优异的高比表面积和结构稳定性而备受青睐[7]。这种材料不仅具有丰富的孔结构和大比表面积，能够显著提高系统对水中污染物的吸附能力，还为微生物提供了足够的附着位点以促进生物膜的形成；其良好的机械强度和弹性确保了在长期废水处理条件下的结构稳定性，不易损坏或变形；同时，聚氨酯海绵具有很强的化学稳定性，能够抵抗酸碱环境和大多数有机溶剂的侵蚀，适用于复杂多样的废水处理场景；此外，这种材料的良好生物相容性可以有效促进功能性微生物的方向性附着和增殖，从而大幅提高系统的生物降解效率。然而，ICPB在实际应用中仍面临一些挑战，如废水成分复杂、光催化剂稳定性和光利用效率有待提高，以及大规模应用的成本较高。尽管ICPB具有巨大潜力，但仍需进一步优化以提高处理效率和经济效益。
值得注意的是，本研究有三个主要创新点：（1）使用BiOI/海绵复合材料来稳定催化剂性能并增强微生物附着[31]；（2）基于ESR分析、自由基淬灭、中间产物鉴定和微生物群落分析的全面机理阐明；（3）对系统稳定性和微生物适应性的深入评估。这些进展共同凸显了BiOI/微生物系统在可持续处理抗生素污染废水方面的实际潜力[22]。
材料
本研究使用的所有化学品均为分析纯试剂级，无需进一步纯化。新鲜活性污泥来自湖南乐丹海洋湖再生水有限公司的二次沉淀池。所有实验均使用超纯去离子水。
载体和涂层工艺
作为载体使用了商用聚氨酯海绵，平均边长为3毫米，比表面积为6000平方米/克，孔隙率为97.00%。BiOI光催化剂是通过特定方法合成的
光催化剂的表征
图1a展示了BiOI粉末的XRD图谱，显示出2θ值为28.5°、31.6°、37.0°、45.4°和55.0°时的明显衍射峰，分别对应于（002）、（101）、（102）、（110）、（111）、（103）、（201）、（104）、（202）和（212）晶面，符合JCPDS卡片编号10-0445。这些清晰明确的峰表明了高结晶度和相纯度。高结晶度减少了光诱导电子-空穴对的复合，从而增强了
结论
本研究成功开发了一种BiOI/微生物耦合系统，将光催化与生物降解相结合，有效解决了废水中环丙沙星（CIP）降解不足的问题。通过利用BiOI光催化剂和微生物活性的协同效应，实现了污染物的有效去除，并减少了有害副产物的产生。微生物分析表明，功能性菌群的丰富性在降解过程中起到了关键作用
作者贡献声明
Guanlong Yu：方法学设计、数据管理、概念构思。Xinkui Wang：撰写——审稿与编辑、验证、数据管理。Jiani Zhang：撰写——初稿撰写、可视化、形式分析。Yongqi Wang：撰写——审稿与编辑、数据管理。Anni Zheng：撰写——审稿与编辑、验证。Yuxi Cheng：可视化、验证。Songcheng He：验证。
利益冲突声明
我们声明与本文的发表不存在任何已知的利益冲突或个人关系。
致谢
感谢湖南省水利科学技术项目（XSKJ2023059-37）、湖南省自然科学基金（2025JJ60264）和国家创新人才博士后计划（GZC20232242）的财政支持。
