迈向可持续的恩诺沙星生物吸附清除：线性与非线性建模、解毒作用及生命周期评估

《Process Safety and Environmental Protection》：Towards sustainable biosorptive eradication of enrofloxacin: Linear and nonlinear modelling, detoxification, and life cycle assessment

　　•稻壳灰经过加工后被用作一种成本效益高的吸附剂（AWS@RHA）。•研究表明，AWS@RHA对恩诺沙星の吸附量可达56毫克/克。•研究还探讨了其线性与非线性吸附机制、吸附等温线及动力学特性。•对处理后的废水进行微生物毒性分析后发现，其具有显著的净化效果。•此外，还进行了恩诺沙星去除过程的生命周期评估与成本分析。

引言
人类社会和自然生态系统都极度依赖清洁水源。随着工业活动在全球范围内的蔓延，水道日益受到工厂排放物的污染（Saxena, 2025）。与此同时，人口快速增长和城市扩张导致药物被广泛且往往无节制地使用，从而加剧了地表水和地下水的污染（Divya等人，2025）。这些抗生素最终可能进入水生环境，在其中积累并破坏生态系统。尤其值得关注的是那些被大量生产和使用的抗生素，因为它们中有很大一部分会以原形排出，进而进入水生环境（Curis & Curis, 2025）。一旦进入水体，这些化合物就可能积累并带来生态风险。氟喹诺酮类抗生素是兽医学中常用于治疗各种细菌性疾病的抗菌药物，对革兰氏阳性和阴性菌均有疗效（X. Zhang等人，2023）。其中，恩诺沙星是一种常用的抗生素，可用于治疗皮肤、呼吸系统及相关组织的感染（Su等人，2022）。图1展示了抗生素如何进入水生生态系统并对其造成危害。鉴于上述情况，有必要开发高效技术来清除受污染水体中的恩诺沙星（Das Sharma等人，2022）。目前关于从水中去除恩诺沙星的研究还非常有限。不过，为解决这一问题，人们已经采用了多种处理方法，如光催化法（Biancullo等人，2019）、氯化法（Navalon等人，2008）、臭氧氧化法（Li等人，2019）、高级氧化工艺（Iakovides等人，2019）、生物修复法（Kar, Mandal等人，2024）以及吸附法（Kar, Mandal等人，2025）。然而，这些传统方法往往存在诸多缺陷，比如操作步骤复杂、会产生有害中间产物或污泥、安装和维护成本高昂，以及处理时间过长（Rashid等人，2021）。因此，它们往往无法彻底去除污染物。在各种处理技术中，吸附法因其操作简单、成本低廉、技术可行、可规模化应用，且在多种条件下都具有稳定性而备受重视（Sharma等人，2025b）。它尤其擅长去除微量污染物，即便浓度仅为每升毫克到克级也能有效去除（P. Khan等人，2024）。基于碳的材料被公认为是捕获抗生素的高效材料。除此之外，纸杯废弃物、天然土壤（P. Khan & Halder, 2025）、黏土矿物（Rivagli等人，2014）、石苹果壳（P. Khan等人，2025）、碳纳米管（El-Sheikh等人，2019）、木苹果壳（Kar, Mandal等人，2025）、甘蔗渣（Sharma等人，2025b）、木质纤维素生物质（Zakaria等人，2023）以及气凝胶（Soleimani Dorcheh & Abbasi, 2008）也显示出良好的恩诺沙星吸附潜力。近年来，以农业废弃物为基础的材料因其在去除各类污染物方面的优势而越来越受到关注（Ahamad等人，2025；Khan等人，2025；Solanki等人，2025）。图S1(a)通过关键词共现关系展示了关于恩诺沙星去除研究的文献计量网络。分析表明，这一领域的研究数量相对较少，在所选时间范围内仅发现了23篇相关论文。较少的节点以及节点间较弱的连接关系说明这仍是一个新兴领域，尚未得到充分研究。图S1(b)则展示了基于吸附法的污染物去除研究的文献计量网络。与针对恩诺沙星的研究相比，这一领域有更多的研究成果，共计550篇论文，这说明吸附法是一种成熟且被广泛研究的处理技术。为了进一步明确本研究在现有文献中的新颖性和定位，表1对以往报道的用于去除恩诺沙星的吸附剂进行了比较分析，涵盖了再生性能、成本分析、毒性评估以及不同参数条件等方面。对比结果显示，大多数现有研究并未进行全面的可持续性分析，而本研究则将吸附性能与环境及经济评估相结合，从而为评估恩诺沙星去除技术的可行性提供了更为全面的框架。

稻壳是全球水稻生产过程中产生的大量副产品，燃烧后会形成稻壳灰（RHA），这种物质不仅储量丰富且价格低廉（Das & Sengupta, 2023；Guo等人，2025）。其独特的结构和物理化学性质使得它非常适合用于吸附过程。稻壳灰主要由无定形二氧化硅构成，其质量占比可超过80–90%，并且具有类似沸石的多孔结构，拥有较大的比表面积和大量的活性位点（Das & Sengupta, 2023；Balarak等人，2020；Ji等人，2013）。其表面带有羟基和硅烷醇基团，这些基团可通过疏水作用、静电吸引力和氢键与抗生素发生相互作用（Kumar, Singha等人，2016）。近年来，活化稻壳灰被视为替代传统材料、用于从受污染水体中去除抗生素的有效选择（Truong等人，2025）。与基于碳的吸附剂相比，活化稻壳灰具有不同的功能基团，因此其表面主要以疏水结构为主。这些功能特性能够增强其与氟喹诺酮类、环丙沙星、磺胺类药物、多西环素和四环素等极性或可离子化的药物化合物之间的静电吸引、表面络合以及氢键作用（Kaur等人，2023）。不过，活性炭对于这类极性或离子型化合物的去除效率通常较低，且容易发生非选择性吸附，还会因孔隙堵塞或再生过程中的降解而影响性能（Ashrafi等人，2016）。此外，活性炭的生产和再活化过程能耗高、成本大，会产生大量的碳排放和有害化学废物。而稻壳灰作为水稻加工和燃烧过程中的副产品，不仅价格低廉，还具有热稳定性，是一种经济、可持续的替代材料。此外，其表面还可以通过金属离子或功能基团的修饰来提升对抗生素的吸附能力（Kumar, Sengupta等人，2016）。因此，活化稻壳灰是一种成本效益高、环境友好且化学性质稳定的吸附剂，能够有效去除水生系统中的药物污染物，解决了传统活性炭在性能和可持续性方面的不足。

在本实验研究中，采用酸活化处理的稻壳灰作为吸附剂，通过批量吸附实验处理含有恩诺沙星的废水。研究系统地考察了初始恩诺沙星浓度（2–100毫克/升）、温度（20–45摄氏度）、pH值（2–12）、吸附剂用量（2–12克/升）以及接触时间（1-30小时）等因素对吸附过程的影响。为了了解该吸附剂具备优异吸附性能的原因，研究人员还利用扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪、傅里叶变换红外光谱仪以及BET分析等方法对其表面特性进行了研究，以此评估所合成吸附剂的性能。此外，还通过动力学模型和吸附等温线模型来分析和验证吸附行为。传统研究多采用线性化模型，而本研究则侧重于非线性建模方法，以便更准确地描述吸附机制。同时，研究人员还分析了热力学因素，以判断该吸附过程在能量方面的可行性。此外，还进行了再生性能研究，以了解该吸附剂是否可以重复使用。同时，也进行了微生物毒性测试，以确认处理后的水是否无毒。此外，还进行了全面的生命周期评估，以评价整个处理过程的可持续性。该评估还包括了对吸附剂合成过程及其在去除恩诺沙星中的应用的经济性分析。研究通过多种环境影响指标对流程的各个阶段进行了量化评估。据现有文献来看，尚无研究专门针对基于吸附法的恩诺沙星去除过程进行生命周期评估。总体而言，本研究旨在开发一种低成本、可持续的吸附剂，以实现高效去除恩诺沙星，并评估用过吸附剂的环境安全性。

所需材料
本研究所使用的稻壳灰取自印度布尔丹的Ma Bhabatarini大米厂。在大米加工过程中，约有0.22公斤的稻壳在970–1370开尔文的炉子里进行热燃烧，用于生产蒸煮大米所需的蒸汽，由此会产生约0.055公斤的灰烬残留物。正磷酸（o-H3PO4），工业级，浓度为1.73克/毫升（CAS编号：7664-38-2），由Merck India公司提供。此外，还使用了98%的硫酸（H2SO4）（CAS编号：……）

生命周期清单编制与评估框架
生命周期评估是一种被广泛采用的评估方法，用于确定不同过程所带来的环境影响。在采用吸附法处理污染物之前，有必要先进行环境评估，确保该过程不会带来额外的环境负担。在本研究中，生命周期评估被认为是一种有效的环境影响评估方法。开展生命周期评估的主要目的之一是……

BET分析
研究人员通过氮气吸附-脱附分析来研究AWS@RHA的纹理特性，该分析可提供有关其孔径分布和比表面积的信息。图4(a)展示了AWS@RHA的N2吸附-脱附等温线。AWS@RHA的等温线属于II型吸附曲线（Bardestani等人，2019）。在这种吸附过程中，涉及两种不同的能量状态。根据该模型，吸附过程的初始阶段……

吸附等温线分析
吸附等温线在描述吸附过程的平衡行为方面起着重要作用。本研究考虑了多种线性等温线模型，用以分析恩诺沙星在所制备吸附剂上的吸附行为。图6(a-h)以及表5分别展示了朗缪尔、西普斯、弗罗因德利希、杜比宁-拉杜什凯维奇、特姆金、托特以及雷德利克-彼得森等等温线的拟合结果。从这些结果可以看出，弗罗因德利希等温线能够更好地描述吸附过程……

用过AWS@RHA吸附剂的重复使用性能
吸附剂材料的再生能力对其在商业和工业领域的应用具有重要意义。如果一种吸附剂能够轻松再生，那么不仅可以降低整个处理过程的成本，还能减少废物产生并缩短处理时间，这对于在工业规模上应用吸附剂来说是非常重要的因素（Chakraborty, Show等人，2018）。为了评估本研究的效率，……

微生物毒性评估结果
本研究通过微生物生长抑制试验，对处理前后恩诺沙星溶液的毒性进行了全面评估。细菌生长抑制实验的结果（图9(b)）显示，原始的恩诺沙星溶液具有极高的毒性，其OD600值显著下降，24小时后的抑制效率高达83.3%。而经过吸附处理后的溶液，OD600值则明显上升，抑制效果显著减弱，仅为14.8%……

恩诺沙星与AWS@RHA之间的吸附机制
了解吸附路径对于解释恩诺沙星分子与所开发的AWS@RHA吸附剂之间的相互作用至关重要（Ahamad & Nasar, 2023）。在讨论吸附机制之前，需要考虑两个重要方面：一是恩诺沙星的物理化学性质及其离子形态，二是AWS@RHA的表面特性。恩诺沙星是一种两性氟喹诺酮类抗生素，含有羧基、羰基、氟原子以及哌嗪基等功能基团……

所制备吸附剂的经济性评估
在考虑是否将这些材料扩大生产并投入商业化应用时，估算AWS@RHA和AS@RHA的生产成本非常重要。任何基于吸附的水处理工艺的成功与否，在很大程度上取决于所使用吸附剂的效果和成本。在所有相关环节中，化学活化步骤占据了总成本的很大比例，这表明还有进一步降低成本的空间，尤其是在工业生产规模上。详细的成本分析……

吸附剂的妥善处置
防止从已用过的吸附剂中释放出的恩诺沙星分子渗漏或泄漏，从而避免对水资源造成二次污染，是一项重要的环境考量。根据世界卫生组织发布的《紧急情况下及之后废弃药品的安全处置指南》，采用高温处理后再进行密封填埋的处理方式，被认为是处理含药品吸附剂的有效方法。

结论
本研究成功合成了一种可持续的AWS@RHA吸附剂，并对其去除水样中恩诺沙星的效果进行了深入分析。研究结果表明，通过分析发现所合成的吸附剂具有多孔结构、功能基团以及不均匀的表层结构，这些特征显著提升了其吸附性能。在批次吸附实验中，pH值、吸附剂用量、吸附时间、温度等因素都会影响吸附效果。尽管AWS@RHA在去除恩诺沙星方面表现良好，但本研究仍存在一些局限性。吸附实验是在受控的实验室条件下使用合成废水进行的，可能无法完全反映实际药品或畜牧废水的复杂性。在实际废水环境中，溶解性有机物、无机离子、悬浮固体以及其他共存的药品成分都可能干扰吸附过程。未来的研究应致力于在实际操作条件下，利用真实的药品、医院、兽医及畜牧废水来验证AWS@RHA的吸附性能。此外，还应开展连续固定床柱实验并建立突破曲线模型，以便于实现工艺放大。同时，还需研究其他竞争性药品、重金属、天然有机物以及变化的水质条件对吸附行为的影响。进一步的研究还可探讨该吸附剂在工业领域的应用前景。本研究表明，AWS@RHA在处理来自制药工业、兽医医院、畜牧场、水产养殖场以及抗生素生产单位的含抗生素废水方面具有巨大潜力。由于以丰富的农业废弃物——稻壳灰作为原料，该吸附剂不仅经济实惠，还具有环境可持续性，有助于实现废物资源化与循环经济。

作者贡献说明：
Gopinath Halder：文章撰写与编辑、指导、项目管理。
Tamal Mandal：指导、项目管理、定量分析。
Saptarshi Maity：软件使用、数据整理。
Meghna Bhattacharya：初稿撰写、方法设计、实验研究。
Sabyasachi Bose：初稿撰写、方法设计、数据整理。
Saheli Kar：初稿撰写、方法设计、实验研究、定量分析、概念构建。

利益冲突声明：作者们声明不存在任何利益冲突。

致谢：作者们感谢I-STEM在实验设备方面的支持，同时也感谢杜尔加普尔国家技术学院化学工程系在基础设施方面的帮助。

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