当TiO2遇上药物：光催化降解与环境安全性的揭示

《Ecosystem Services》：When TiO2 meets pharmaceuticals: Photocatalytic degradation and environmental safety unveiled

　　

基于研究人员先前关于电化学合成锐钛矿TiO₂纳米颗粒（NPs）的工作，本研究通过将药物光催化降解与转化产物鉴定和毒性导向评估相结合，评价了其环境相关性。废水处理厂中药物去除不完全引发了对原始化合物和高级处理过程中形成的转化产物的担忧。在这里，研究人员将合成的TiO₂ NPs应用于在紫外A（UVA）照射下光催化降解布洛芬（IBU）和对乙酰氨基酚（PCT）。TiO₂ NPs表现出比商业P25更高的降解效率，IBU的K_obs为10.82?×?10^?3 min^?1，PCT的K_obs为10.75?×?10^?3 min^?1，并且在UVA照射4小时后，两种污染物的去除率约为95%。液相色谱串联质谱（LC-MS/MS）鉴定出IBU的8种转化产物和PCT的9种转化产物，表明降解途径涉及羟基化、脱羧、键断裂和较小含氧产物的形成。研究人员使用A549肺细胞和HepG2肝细胞进行体外实验。在A549细胞中，TiO₂ NPs在1–100 μg/mL浓度下处理24和48小时后，未引起脱氢酶活性的显著降低。在HepG2细胞中，TiO₂ NPs显示出比P25更低的细胞毒性，在250 μg/mL下处理48小时后，细胞活力约为68%，而P25约为60%。IBU和PCT溶液在光催化处理前后（4小时）均维持HepG2细胞活力在90%以上。补充了生态结构活性关系（ECOSAR）软件预测的毒性导向评估表明，进一步转化可能降低预测的生态关注度。

论文解读文章

非甾体抗炎药（NSAIDs）如布洛芬（IBU）和对乙酰氨基酚（PCT）作为典型新兴污染物，因广泛使用和在常规污水处理厂（WWTPs）中去除不完全而引发持续环境风险。传统处理无法完全消除这些母体化合物，而高级氧化过程（AOPs）如光催化可能生成毒性更高、更持久的转化产物。因此，仅依赖去除率评估处理效果存在局限，需要结合转化产物鉴定和毒性分析。本研究基于研究人员前期电化学合成锐钛矿TiO₂纳米颗粒（NPs）的工作，旨在通过将光催化降解性能与转化产物形成和毒性导向评估联系起来，综合评价该材料的环境相关性。论文发表在《Ecosystem Services》上。

研究人员开展了以下研究：采用电化学阳极氧化法合成TiO₂ NPs，并应用于UVA光催化降解IBU和PCT；通过液相色谱串联质谱（LC-MS/MS）鉴定转化产物；利用A549肺细胞和HepG2肝细胞进行体外毒性评估；并采用生态结构活性关系（ECOSAR）软件预测中间产物的水生生态毒性。样本来源：A549细胞购自ATCC（Manassas, VA, USA）；HepG2细胞来自斯洛伐克科学院（Bratislava, Slovakia）。主要关键技术方法包括：（1）TiO₂ NPs的电化学合成与表征（场发射扫描电子显微镜FESEM、X射线衍射XRD、扫描透射电子显微镜S/TEM）；（2）自组装反应器中的UVA光催化降解实验；（3）LC-MS/MS检测转化产物；（4）体外细胞毒性测试（WST-1法、GSH法、MTT法）；（5）ECOSAR软件预测急慢性毒性。

研究结果如下：

**3.1 光催化降解性能**：TiO₂ NPs对IBU和PCT的降解遵循准一级动力学，K_obs分别为10.82×10^?3 min^?1和10.75×10^?3 min^?1，4小时后去除率分别约80%和95%，均高于商业P25（约49%和80%）。暗吸附和光解对照实验显示去除率低于10%，证实降解主要由UVA/TiO₂光催化过程驱动。增强的降解性能归因于合成的TiO₂ NPs具有更高的比表面积（74.2 m²/g，P25为45.7 m²/g）。

**3.2 产物鉴定与降解途径**：LC-MS/MS鉴定出IBU的8种转化产物和PCT的9种转化产物。PCT降解途径主要包括羟基化、聚合、C-N键断裂和芳香环开环，生成小分子羧酸（如苹果酸P8、琥珀酸P9）。IBU降解途径涉及羟基化、氧化脱羧和芳香环开环，生成羧酸中间体P7和P8。两种药物的降解均主要由·OH和O₂^•-等活性氧物种（ROS）驱动。

**3.3 TiO₂ NPs/UV光催化系统的毒性评估**

**3.3.1 肺部安全性评估**：在A549肺细胞中，TiO₂ NPs在1–100 μg/mL浓度下处理24和48小时后，未引起脱氢酶活性的显著下降；但48小时后谷胱甘肽（GSH）水平在1、10、100 μg/mL下有轻微降低。作为阳性对照的多壁碳纳米管（MWCNTs）引起显著的脱氢酶活性下降和GSH降低。形态学观察显示TiO₂ NPs处理的细胞保持完整，而MWCNTs导致细胞变形和细胞骨架破坏。合成的球状锐钛矿颗粒避免了纤维状颗粒的毒性范式。

**3.3.2 肝脏安全性评估**：在HepG2肝细胞中，TiO₂ NPs和P25均呈时间和浓度依赖性降低细胞活力。根据ISO 10993–5标准（细胞活力低于70%视为细胞毒性），TiO₂ NPs仅在250 μg/mL处理48小时后使活力降至约68%（接近阈值），而P25在相同条件下降至约60%。TiO₂ NPs的细胞毒性反应弱于P25。IBU和PCT溶液在光催化处理前后（0小时和4小时）均维持HepG2细胞活力在90%以上，表明处理后的混合物未引起明显细胞毒性。

**3.3.3 转化产物预测生态毒性**：ECOSAR预测显示，IBU的早期中间体P3和P5、PCT的P6和P7对鱼、水蚤和绿藻的急慢性毒性高于母体化合物，但随着进一步降解为小分子氧化产物（如IBU的P7、P8，PCT的P8、P9），预测生态风险降低。根据全球化学品统一分类和标签制度（GHS），这些后期产物归类为无害或有害。

讨论部分强调，光催化处理不能仅依据母体去除率评估，必须综合转化产物形成和毒性指标。合成的单相锐钛矿TiO₂ NPs避免了掺杂浸出和多组分不稳定性等问题，表现出较高的降解效率和较低的潜在毒性。研究结论翻译如下：本研究评估了电化学合成的单相锐钛矿TiO₂纳米颗粒在UVA驱动下降解IBU和PCT的性能，特别关注转化产物形成和毒性相关反应。合成的TiO₂ NPs表现出高于商业P25的光催化活性，在UVA照射4小时后达到约95%的两种药物去除率。LC-MS/MS分析鉴定了两种污染物的多种转化产物，表明降解途径涉及羟基化、脱羧、键断裂、芳香环开环和较小氧化产物的形成。毒性导向评估表明，与多壁碳纳米管高风险基准相比，合成的TiO₂ NPs在A549肺细胞中诱导的效应有限，并且在HepG2肝细胞中的细胞毒性反应低于商业P25。此外，光催化处理前后的IBU和PCT溶液在测试条件下维持HepG2细胞活力高于90%，表明处理后的药物混合物未在该细胞模型中诱导显著细胞毒性。预测水生毒性筛选表明，一些早期转化产物可能表现出比母体化合物更高的预测毒性，而进一步转化为较小氧化产物可降低预测生态关注度。这些发现强调光催化处理不应仅通过母体污染物去除率评估，还需考虑转化产物形成和毒性相关终点。在测试条件下，结果表明电化学合成的锐钛矿TiO₂ NPs能够实现高效药物去除，同时在所选细胞模型中表现出有限的细胞毒性反应，表明其作为简单且相对低毒性的光催化平台的潜力。