全球对抗生素的无控制使用显著增加了水源中的抗生素污染[1]。这些原本用于治疗感染的救命药物现在经常作为污染物出现在天然水体中。医院、工业排放和农业径流等多种因素加剧了这一环境危机[2]、[3]。
问题加剧的是传统污水处理厂的不足。这些系统设计用于处理传统污染物，往往无法有效去除顽固的抗生素化合物。因此，抗生素在河流、湖泊和含水层中积累，对水生生态系统造成化学和生物威胁[4]、[5]。
最令人担忧的后果之一是抗生素耐药细菌的增加。当细菌暴露于亚致死浓度的抗生素时，它们会经历选择压力，促使耐药性的进化。这使得抗生素的效果降低，曾经可治疗的感染可能变得无法治愈。如果不加以控制，我们可能会再次面临以前可以用抗生素治疗的疾病[6]、[7]。
此外，抗生素污染的生态影响同样令人担忧。对生物多样性和粮食安全至关重要的水生生态系统因微生物群落的变化而受到破坏[1]、[8]。细菌耐药性的增加不仅威胁生态平衡，还带来长期的环境风险[9]、[10]。
迫切需要一个全面的解决方案——结合先进的污水处理技术、严格的监测和负责任的抗生素使用。这种综合方法对于保护人类健康和环境完整性至关重要。
头孢克肟是一种第三代头孢菌素抗生素，广泛用于治疗细菌感染。由于其广泛的临床应用，它已成为全球水生环境中的主要污染物。这种普遍存在的情况引发了人们对水质和耐药性发展的严重担忧[11]、[12]。
头孢克肟作为一种广泛使用的第三代头孢菌素和常见的水生污染物，因其环境持久性、在水中的频繁出现以及复杂的分子结构而被选为模型化合物[13]。其结构包含一个独特的β-内酰胺环、一个氨基噻唑基团和一个羧酸官能团[14]。这些特征，包括多个极性官能团，影响了其在水中的行为、移动性和稳定性，并很大程度上决定了它与无机和有机化合物的相互作用[[14]、[15]、[16]]。由于这些官能团也存在于许多其他β-内酰胺抗生素（如头孢曲松、头孢噻肟）中，相关研究中确定的结构-性质关系通常适用于广泛的药物污染物[[17]、[18]]。这种在水生系统中的持久性导致了环境退化，并促进了抗生素耐药细菌的发展[[19]、[20]]，凸显了开发和实施有效去除方法以保护公共健康和环境的紧迫性。
在新兴技术中，石墨烯及其衍生物，特别是氧化石墨烯（GO），在环境修复领域受到了关注。这些材料具有出色的表面积、化学稳定性和功能多样性，使其成为有前景的吸附剂[[13]、[14]]。研究越来越多地集中在通过氮（N）、磷（P）和硫（S）等杂原子的修饰和掺杂来增强GO的吸附能力上。这些掺杂剂改变了GO的电子结构并引入了新的官能团，从而提高了其对多种污染物的吸附亲和力[21]、[22]、[23]。每种掺杂剂都有不同的作用：氮增强了GO的碱性，有助于吸附酸性污染物；磷改善了与带正电荷物种的静电相互作用；硫增加了疏水性，提高了非极性污染物的去除效果[22]、[23]、[24]。这些修饰使各种吸附机制（如氢键、π–π堆叠和静电吸引）更有效地发挥作用。杂原子掺杂的GO对包括重金属、染料和抗生素在内的多种污染物表现出更好的结合能力。通过调整掺杂类型和程度，可以使GO针对特定的修复任务进行定制，为更可持续和有效的环境解决方案铺平道路[25]、[26]、[27]、[28]。
本研究重点研究了头孢克肟在基于石墨烯的材料上的吸附行为，以及温度和浓度等环境因素对该过程的影响。在三个不同温度下进行了分子模拟以分析吸附行为。补充的实验数据和吉布斯自由能计算进一步阐明了头孢克肟吸附的热力学特性。
虽然GO上污染物的吸附已有充分记录，但在不依赖昂贵且耗时的实验试错的情况下合理设计高性能、功能化的吸附剂仍是一个重大挑战。此外，尽管分子动力学（MD）模拟常用于提出吸附机制，但其对热力学量的预测能力很少经过严格的实验数据验证。本研究通过将实验分析与经过验证的MD模拟框架相结合来填补这些空白。我们首先通过定量匹配头孢克肟在原始GO上的吸附模拟和实验吉布斯自由能值（ΔG）来确立MD模型的准确性。然后利用这个经过验证的模型作为预测工具，评估了各种掺杂GO表面（N-、S-、P-和BN-O）的吸附效果，提供了前所未有的分子层面的洞察，揭示了控制吸附性能的结构和能量因素。这种方法不仅阐明了机制，还为计算设计和优化下一代用于去除特定药物污染物的吸附剂提供了强大的策略。
