《Microporous and Mesoporous Materials》：Antibiotic-dependent adsorption of Cu(II) and Pb(II) by glucose-derived mesoporous carbon in single and multicomponent water systems
编辑推荐：
•MC能够高效地从抗生素共存的体系中去除Cu(II)和Pb(II)。•发现了Cu(II)与磺胺二甲嘧啶之间的竞争吸附现象。•在抗生素共存条件下，化学吸附主导了重金属的吸附过程。•四环素中的氨基和环丙沙星中的羧基可能是Cu(II)的结合位点。引言重金属与抗生素在水环境中共存是一
- •
MC能够高效地从抗生素共存的体系中去除Cu(II)和Pb(II)。
- •
发现了Cu(II)与磺胺二甲嘧啶之间的竞争吸附现象。
- •
在抗生素共存条件下，化学吸附主导了重金属的吸附过程。
- •
四环素中的氨基和环丙沙星中的羧基可能是Cu(II)的结合位点。
引言
重金属与抗生素在水环境中共存是一种普遍的无机—有机复合污染形式。持久性金属如Cu(II)和Pb(II)主要来源于采矿、冶金以及工业或市政废水排放，而四环素（TC）、环丙沙星（CIP）和磺胺二甲嘧啶（SDZ）等抗生素则通过制药、医院及农业排放进入水体。实地调查显示，全球25.7%的河流监测点药物浓度超过了生态安全阈值[1]。在一项污水处理厂及其受纳水体研究中，出水中抗生素总浓度超过1 mg/L，表明受点源污染影响的受纳水体存在显著升高的高污染水平[2]。在渤海湾海水中，四环素类抗生素的浓度为0.6–2.0 μg/L，而Pb浓度为21.8–62.8 μg/L，Zn浓度则达到120–320 μg/L[3]，证实了抗生素与痕量金属在沿岸水体中的环境共存现象。
金属—抗生素络合可能依据金属种类、配体结构和络合物稳定性产生协同、拮抗或加和的生物学效应[4], [5], [6]。例如，四环素与Cu(II)或Cd(II)的相互作用对费氏弧菌（Vibrio fischeri）产生了不同的联合毒性响应，这是因为两种金属与四环素形成的络合物强度不同[6]。在蓝藻中也观察到类似的污染物特异性响应，络合改变了金属的摄取以及细胞应激反应[5]。此外，在亚抑制条件下的长期共存暴露会产生共选择压力，促进抗生素抗性基因的持续存在与传播[7]。因此，修复策略必须考虑其共存所引起的界面相互作用和生态风险。
吸附法因操作简单、适用范围广，成为处理混合废水的有效且适应性强的方法[8], [9]。然而，碳基吸附剂在多污染物体系中的性能存在差异。生物炭的孔隙特性因原料而异[10]。活性炭通常具有较高的比表面积，但许多常规材料中微孔比例较高，这可能限制体积庞大的抗生素分子的扩散，并加剧位点竞争[9], [11]。氧化石墨烯富含含氧基团，可用于金属配位和抗生素吸附，但其易团聚、固液分离困难及生产成本较高等问题限制了实际应用[8], [9]。介孔碳（MC）则提供了一个互补平台，其可进入的介孔能够降低粒内传质阻力，同时其碳骨架和表面含氧官能团可以支持孔填充、静电吸引、π-π相互作用、离子交换和表面络合等机制。先前的研究表明，氧化介孔碳复合材料可去除Cu(II)及其他金属[12], [13]，且MC可在单抗生素及多抗生素体系中吸附TC、CIP和SDZ[14]。然而，同一MC基体上不同重金属受抗生素介导的吸附行为仍未被充分理解。
已有的共吸附研究表明，抗生素与金属之间的相互作用是双向的且高度依赖于体系，二者中的任意一种均可能改变另一者的吸附行为。例如，Cu(II)和Zn(II)通过金属桥接作用增强了TC和SDZ在氧化石墨烯上的吸附[11]；而由于配体结构和位点竞争的影响，Cd(II)在活性炭上对不同类型抗生素的吸附表现为抑制、促进或几乎无影响[15]。类似地，CIP抑制了Cu(II)在微塑料上的吸附，却增强了Cr(VI)的吸附[16]。由于共吸附受吸附剂表面化学、孔隙结构、溶液pH、金属和抗生素的存在形态以及配体与金属比值的共同控制，在不同吸附剂或不同污染物配对条件下获得的结果无法直接外推至TC/CIP/SDZ-Cu(II)/Pb(II)体系[8], [9]。因此，需要使用同一吸附剂并采用一致的实验条件进行系统比较，以区分污染物特异性效应与实验设计差异带来的影响。
本研究制备了硬模板、葡萄糖衍生的MC，将其作为一个定义明确的平台用于考察多组分吸附行为。本研究系统探究了三种代表性抗生素（TC、CIP、SDZ）如何介导同一MC上Cu(II)和Pb(II)的吸附。具体而言，本研究旨在：(i) 阐明不同抗生素对Cu(II)和Pb(II)吸附行为的影响；(ii) 评估多组分条件下的吸附相互作用并确定主导机制；以及(iii) 通过整合实验与理论分析，建立对抗生素依赖性和金属特异性吸附过程的综合理解。这一统一的实验框架旨在阐明结构不同的抗生素为何对Cu(II)和Pb(II)吸附的调控方式存在差异，并评估MC在处理抗生素—金属复合废水方面的潜力与局限。
章节摘要
吸附剂的制备
介孔二氧化硅模板按照补充材料第S1节所述方法制备，并用于制备MC。所用材料在补充材料第S2节中说明。以自制介孔二氧化硅作为硬模板、葡萄糖作为碳前驱体制备介孔碳。将葡萄糖（2.0 g）与介孔二氧化硅模板混合，随后用浓H2SO4进行浸渍。共进行两轮连续的浸渍—加热循环。在每
吸附剂的表征
采用XRD分析考察MC的晶体结构，结果如图1a所示。XRD图谱在约22.3°和43.2°处显示两个明显的衍射峰。其中22.3°处的主峰对应于石墨碳的(002)晶面，43.2°处的特征峰对应于(100)晶面[20]。上述结果表明该MC吸附剂的结晶度相对较低。
采用TGA-DSC在氮气气氛下评价MC的热氧化行为
结论
本研究表明，在抗生素共存条件下，介孔碳（MC）对重金属的吸附行为高度依赖于金属种类和抗生素的结构。单金属吸附实验确立了Pb(II)和Cu(II)的基础吸附特性，而共存实验则揭示了不同的抗生素介导效应。TC、CIP和SDZ以不同程度抑制了Pb(II)的吸附，而TC和CIP则促进了Cu(II)的吸附
CRediT作者贡献声明
祁俊民：撰写—审阅与编辑，撰写—原稿撰写，监督，资源，方法论，调查，形式化分析，概念构思。王斌：撰写—原稿撰写，验证，监督，方法论，调查，形式化分析，数据整理。秦波：可视化，验证，调查。李江：可视化，验证，调查。王涛：撰写—审阅与编辑，验证，监督。徐晓怡：验证，调查
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
利益冲突声明
? 作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究获得了国家自然科学基金（22306037, 52360012, 42467055）、海南省重点研发计划（ZDYF2025SHFZ063）、贵州省重点科技研发计划（QKHZC[2023]YB110）、贵州省基础研究计划（自然科学基金）（QKHJC[2024]YB039）以及贵州大学科技创新团队（GDKCT[2023]05）的经费支持。
祁俊民|王斌|秦波|李江|王涛|徐晓怡
