四环素污染土壤的可持续修复：一种基于Fe-g-C?N?纳米酶的非生物-生物协同策略

《Environmental Research》：Sustainable Remediation of Tetracycline-Contaminated Soil: A Fe-g-C 3N 4 Nanozyme Driven Abiotic-Biotic Strategy

本研究开发Fe-C3N4纳米酶，通过光催化芬顿反应降解土壤四环素，并促进微生物群落多样性提升，实现可持续修复。

　　

李欣|杨婷婷|何世英|徐慧|陈晨|刘青|姜倩|冯艳芳|薛丽红

南京林业大学化学工程学院，中国江苏省南京市210037

摘要

四环素污染的农业土壤修复面临一个根本性挑战，因为传统方法往往无法同时实现高效降解和生态恢复。本文开发了一种沉积了铁的石墨碳氮化物（Fe-C₃N₄）纳米酶，它通过协同的非生物-生物过程实现可持续的土壤修复。Fe-C₃N₄对盐酸四环素（TCH）的去除效率达到了32.79%，其降解速率常数是原始g-C₃N₄的2.3倍。机制研究表明，这种纳米酶具有双重功能：首先作为强大的光芬顿催化剂，通过自维持的Fe²⁺/Fe³⁺循环持续产生活性氧（•OH和•O₂^-），从而氧化降解TCH；其次作为生物地球化学调节剂，积极重塑土壤微生物群落。这种调节作用显著增加了关键抗生素降解菌属（如Bacillus增加了230%，Sphingomonas增加了180%），提升了关键酶活性（脱氢酶增加了301%，过氧化氢酶增加了214%），并增强了微生物多样性（香农指数增加了246%）。本研究建立了一种可持续的纳米酶介导策略，有效结合了催化氧化和微生物代谢，为受抗生素污染土壤的修复提供了有前景的解决方案，同时恢复了生态健康。

引言

抗生素在农业中的广泛滥用是一个严重的全球环境问题。作为世界上最大的抗生素生产和消费国，中国面临尤为严峻的挑战。四环素（TCs）因其广谱效力和低成本而被广泛使用[1]，是农业土壤中最常检测到的抗生素残留物之一，尤其是在江苏省等地[2]。四环素具有显著的环境持久性，其吸附系数（Kd）范围从4.2×10⁴到1.03×10⁵ mg·kg^-1，并且对有机物具有高亲和力，导致在农业生态系统中长期积累[4]。这种持久性破坏了土壤微生物群落，影响了生态系统功能，并促进了抗生素抗性基因（ARGs）的传播[5]。长期接触四环素会对土壤动植物产生不利影响，而作物中的生物累积会将这些污染物引入食物链，对人类健康构成潜在风险[6]。鉴于这些多方面的威胁，迫切需要开发成本效益高且可持续的TC污染土壤修复策略。

目前的修复技术包括物理、化学和生物方法。物理方法（如吸附和过滤）成本效益高，但仅能转移污染物而不能将其降解[7]。生物处理方法环保，但通常需要较长的处理时间，对环境条件敏感，并且对于像四环素这样的难降解化合物效果不佳。高级氧化过程（AOPs），特别是光催化和芬顿反应，为将抗生素转化为无毒物质提供了更有效的解决方案。然而，尽管这些方法在废水处理领域得到了广泛研究，但在土壤中的原位应用仍面临诸多挑战。复杂的土壤基质限制了氧化剂与目标污染物的接触，光照不足降低了光催化效率，而土壤中的中性/碱性pH条件通常会抑制传统的芬顿反应[8]。尽管基于生物炭的材料在土壤应用中得到了广泛探索，但它们主要通过吸附作用转移污染物而非降解[9]。因此，需要创新策略来协同激活非生物和生物过程，以实现高效和可持续的土壤原位修复。

纳米酶是一种具有酶样特性的纳米材料，最近成为环境修复的一个有前景的平台。这些合成催化剂具有许多优势，包括高催化活性、可调的功能性以及独特的化学和生物转化路径之间的桥梁作用。它们的修复机制通过两条相互关联的途径实现：首先，作为强效的非生物催化剂，它们激活过氧化物或溶解氧等底物，生成活性氧（ROS），包括羟基自由基、超氧阴离子和硫酸根自由基[10]；这些高氧化性的ROS可以有效降解多种环境污染物，如有机染料、酚类、抗生素和纳米/微塑料[11],[12]。除了直接氧化作用外，纳米酶还通过促进细胞外电子转移、作为合成电子穿梭体以及通过H₂O₂分解缓解氧化应激，从而增强微生物的代谢活性和功能韧性。这种生物-非生物协同作用显著促进了持久性化合物（如四环素）的生物降解，实现了更完全的污染物矿化。

在各种纳米酶中，基于g-C₃N₄的纳米材料因其类过氧化氢酶活性和优异的生物相容性而展现出巨大潜力。我们之前的研究[13]表明，在石墨碳氮化物（g-C₃N₄）上沉积FeCl₃可显著提升其催化性能，实现了超过90%的抗生素污染物去除效率。Fe-C₃N₄的独特性质包括：（1）稳定的碳氮化物框架，最小化铁的浸出同时促进电子转移[14]；（2）对可见光响应的带结构，实现太阳能驱动的激活；（3）耐pH的催化位点，在典型土壤条件下保持活性；（4）优异的电子导电性，增强与微生物的界面接触，促进双向电子转移和协同解毒[15],[16]。

因此，四环素在土壤中的持久性构成了一个多方面的环境挑战，需要创新性的修复策略来克服传统方法的局限性。在这种情况下，Fe-C₃N₄纳米酶成为了一个特别有前景的候选者，理论上可以作为一种长期的、不可恢复的土壤改良剂。然而，从理论潜力到实际应用需要对其在真实复杂土壤环境中的性能和生态影响进行彻底研究。本研究旨在通过系统评估Fe-C₃N₄用于原位修复盐酸四环素（TCH）污染土壤的可行性来解决这一关键问题，特别关注非生物催化和微生物生态过程之间的协同作用。我们的研究围绕三个主要目标展开：（1）量化TCH的降解效率并确定生成的转化中间体；（2）阐明潜在的催化机制，特别是ROS（如•OH和•O₂^-）的生成以及自维持的Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原循环；（3）通过监测关键土壤酶活性和评估微生物群落结构及多样性的变化，全面评估纳米酶处理的生态影响。通过结合催化性能分析与微生物生态响应的分析，本研究旨在提供基础和机制性的理解，推动纳米酶技术在农业生态系统中可持续、兼容太阳能的抗生素污染修复方面的发展。

材料与试剂

四环素、磷酸二氢钠-柠檬酸缓冲液（McIlvaine）（pH=6.8±0.05）、Na2EDTA-McIlvaine-甲醇提取液（pH=7.20±0.05）、乙二胺四乙酸二钠、磷酸二氢钠、柠檬酸、氢氧化钠、盐酸、草酸、乙腈和过氧化氢均购自McLean公司，均为分析级。土壤样本取自江苏省农业科学院的实验基地。

Fe-C₃N₄的特性分析

对Fe-C₃N₄的微观结构、电子行为、光学响应和表面化学进行了表征，以阐明其类似光芬顿的协同活性的起源。TEM图像（图1a, d）显示其具有数百纳米的横向尺寸和约10–20纳米的厚度。值得注意的是，铁物种以纳米簇的形式均匀分布在g-C₃N₄表面，这种配置有助于显著增强...

结论

本研究表明，Fe-C₃N₄纳米酶通过耦合的光芬顿和微生物途径实现了四环素污染土壤的可持续修复。通过一次应用和一次初始H₂O₂剂量，Fe-C₃N₄在35天内保持了稳定的催化活性，降解动力学常数为0.086 day^-1。其机制涉及持续的ROS生成和Fe²⁺/Fe³⁺循环，最初将TCH分解为可生物降解的中间体，从而减轻了抗生素的污染...

CRediT作者贡献声明

徐慧：撰写 – 审稿与编辑，监督。 杨婷婷：撰写 – 初稿，项目管理，数据分析，概念化。 何世英：撰写 – 审稿与编辑，方法学，研究，资金获取，概念化。 李欣：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，数据分析。 薛丽红：验证，监督，概念化。 姜倩：方法学，研究。 冯艳芳：数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性

数据可根据要求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（项目编号：2023YFD1702103）的支持。