环保型平卧螺旋藻粉末用于抗生素修复：吸附行为与生物活性

《Advanced Powder Technology》：Eco-friendly Spirulina platensis powder for antibiotic remediation: adsorption behavior and biological activity

　　

螺旋藻粉作为生物吸附剂与抗炎的双重作用研究

•螺旋藻粉具有生物吸附剂和抗炎的双重作用
•对环丙沙星的最高吸附量为492 mg/g
•Langmuir-Freundlich等温线模型拟合效果最佳，而混合1、2级动力学模型为最佳动力学模型
•螺旋藻粉具有胃保护和抗炎的药理活性
•本研究在分析绿色性计算器（AGREE）、生态尺度（Eco-scale）和蓝度分析绿色指标（BAGI）工具中均获得了高分

引言

近年来，药物物质已被归类为最严重的水污染物[1]。可持续且高效的社会需要各种清洁、安全的水源。与此同时，随着科学技术的快速进步以及新的工业技术和合成产品的不断开发，这些水资源将持续受到在生产过程中产生和排放的污染物污染。无控制的使用是一个重大的环境问题，导致水污染，最终可能产生耐药微生物并对全人类造成伤害[2]。此外，即使存在微量，这些物质对水生生物也是有毒的。某些污染物难以消除且具有生物降解性。由于对人和环境可能造成的潜在危害，制药行业废水中的药物和药品被称为"新兴污染物"（ECs）。与其他药理类别相比，抗生素带来的问题最为突出，因为它们的用量最大，其使用可能会增加水生毒性[3]。每年使用100,000至200,000吨药品；这一数字在20年内增加了65%以上，预计到2030年还会进一步上升，几乎翻一番[4]。由于废水的不断排放，水源中的抗生素浓度从较高的ng/L到几个μg/L不等[5]。然而，这些物质即使在水源中含量极少，也会提高细菌中形成的抗药性，即抗药性（ABR）[6]。据统计，全球每年有70万人因ABR死亡[7]。世界卫生组织（WHO）将ABR确定为三大主要风险之一[8]。

环丙沙星（CIP）是一种在人和动物中广泛使用的常见抗生素，在废水、地表水甚至饮用水中广泛检测到，浓度通常在ng/L到μg/L水平，具体取决于来源和与制药排放点的距离[9]、[10]。此外，在水环境中很容易增强CIP以产生耐药菌株，这对生态系统产生负面影响[11]。由于其生物利用度低、生物降解性差且生态毒性高，即使在极低浓度下，CIP也会对环境和健康构成重大威胁[12]、[13]。环丙沙星是一种两性离子抗生素，具有两个解离常数（pKa1 = 6.1和pKa2 = 8.7），导致其质子化行为依赖于pH值。在pH值低于6.1时，主要以阳离子形式（CIP?）存在；在pH 6.1至8.7之间，两性离子形式（CIP±）占主导地位；在pH值高于8.7时，阴离子形式（CIP?）占优势。这些不同的质子化状态通过静电吸引和氢键强烈影响其吸附、溶解度以及与吸附剂表面的相互作用（图S1）[14]、[15]。因此，有必要研究水相去除技术及其机制。CIP的这种形态行为直接影响吸附效率，因为CIP物种与吸附剂表面之间的静电相互作用取决于表面电荷及其溶液pH值。通常，当相反带电物种之间发生静电吸引时，去除效果增强，而排斥则降低吸附效率。因此，有效去除所需的水量和吸附剂用量间接受pKa依赖的离子化状态控制，该状态决定了其与吸附剂材料的相互作用强度。

由于抗生素的过度使用，最近发现它们以mg/L的浓度从废水处理设施、废水和医院废水中流出[16]。为了以目前市场上的技术和有利的经济条件有效消除这些水溶液中的污染物，必须开发新技术[17]、[18]、[19]。这些技术包括化学氧化[20]、生物降解[21]和物理机制。吸附是从水溶液中去除新兴污染物最常用的物理化学技术[22]、[23]、[24]，因为其系统简单、适应性强且初始实施成本低[25]、[26]。许多研究证明，吸附和生物吸附在从水环境中去除抗生素方面是有效的[27]。对于有效去除抗生素，各种合成和天然吸附剂已被建立，包括活性炭、沸石、粘土和聚合物[28]、[29]、[30]、[31]、[32]。

目前，通过光合作用产氧并含有叶绿素的各种生物被称为"藻类"[33]。由于含有大量硫酸盐、磷酸盐、羧酸盐和氨基官能团以及多糖、蛋白质和脂质，这种材料是生物吸附和混凝工艺的首选材料[34]、[35]。螺旋藻是早期被种植的光合生物之一。1940年螺旋藻的主要自然供应地在非洲中部的乍得湖地区。螺旋藻可以在盐水和碱性环境中良好生长[36]。然而，由于与正常水中发现的微生物相比条件不适合其他微生物生存，它可能只在碱性湖泊中作为单一种类生长。因此，近年来通过控制培养条件，其种植变得简单易行且生长迅速。

本研究使用S. platensis评估了具有不同解离物种的CIP吸附行为，并包含理论方法以检查吸附过程，从而系统地探讨上述科学理论。研究CIP在不同pH水平下被S. platensis吸附的动力学和等温线效率、比较CIP被吸附到S. platensis上之前和之后的表征、基于表征确定吸附机制以及通过多参数影响评估可能的环境应用，是具体的研究目标。除了集中于结合理论和实验视角的吸附机制外，本研究还为使用S. platensis从废水中提取CIP提供了有用的建议。

乙醇迅速渗透胃肠道黏膜，导致细胞脱落、膜损伤、溃疡形成和组织退化。乙醇诱导的胃溃疡模型已被广泛用于聚焦溃疡性结肠炎发病机制和治疗的研究中[5]。乙醇诱导的溃疡模型是在大鼠或小鼠中研究活性化学物质（尤其是植物提取物）治疗或预防作用最常用的方法之一。实际上，乙醇暴露导致胃-十二指肠腔内环境平衡的破坏与胃和十二指肠黏膜的显著损伤有关[6]。消化性溃疡的典型治疗方法包括组胺H2受体拮抗剂、质子泵抑制剂（PPIs）、抗酸药和抗胆碱药，旨在通过增强黏膜层的保护能力来减轻胃溃疡的根本原因。相比之下，合成黏液模拟药物以相反的方式发挥作用。然而，与药物相关的某些不良反应已被记录，这可能有助于癌症的发生[8]。

氧化应激是炎症的主要 predisposing 因素之一。由于S. platensis含有β-胡萝卜素、藻蓝素和其他维生素和矿物质等抗氧化剂，它已被证明是减轻氧化应激的主要藻类之一[37]。炎症是身体对某些反应（如氧化应激、过敏原或化学反应）产生的正常生理反应[38]。研究表明，S. platensis物种具有选择性抗炎活性，与其对COX-2酶的选择性抑制有关。进一步研究表明，这种活性与一种称为藻蓝素的物质有关，除了其抗氧化和清除自由基的能力外，还通过抑制脂质过氧化发挥作用。许多在大鼠上进行的研究证明了螺旋藻的抗炎活性[39]、[40]。许多研究证明了环丙沙星作为抗炎药物的有效性，该研究在大鼠中进行了测试。

绿色分析化学旨在最大限度地减少影响、降低成本并改善环境。使用低毒性和生态友好的化学品、减少溶剂使用、缩短分析时间、降低能源消耗以及改进仪器和技术的集成、拆卸和用户友好性是分析化学的基础[41]。

绿色化学指标描述了遵循绿色化学指南的化学过程元素。这些指标已被用于监测成就和评估化学过程的有效性或其对环境的影响[42]。为了评估分析过程与绿色分析化学概念的一致程度，最近开发了一系列绿色指标。国家环境指标指数是一种定性工具。而AGREE（分析绿色性指标方法和软件）[43]是一种定量工具，分析生态尺度和绿色分析程序指数（GAPI）[44]、[45]是半定量工具。新创建的BAGI评估分析方法的"蓝度"，即应用性和实用性。

因此，本研究的目的是研究螺旋藻粉作为可持续的、纳米级、介孔生物吸附剂高效去除水介质中环丙沙星的能力，同时评估负载环丙沙星的生物吸附剂的体内生物学行为。核心假设是，即使经过抗生素吸附，螺旋藻仍能保留其固有的胃保护和抗炎特性，从而为环境修复和废弃生物吸附剂的生物安全性评估提供双功能材料。本工作的新颖性在于将吸附性能、绿色化学指标和体内生物评估整合到一个单一框架中，为藻类生物吸附剂修复后的命运和潜在附加值提供了新的见解。

材料片段

材料

螺旋藻（蓝绿粉）购自Amoun兽业公司，为纯绿色粉末。环丙沙星（盐酸环丙沙星水合物（CPFX），98-102%）购自埃及Sisco Research Laboratories Pvt. Ltd.公司，为黄色晶体粉末。奥美拉唑（Facture 20 mg）由October Pharma提供。绝对乙醇（99%）购自VWR Chemicals。福尔马林（透明水溶液）购自SpreaMisr Prolabo（法国）。

来源与S. platensis的制备与收集

干燥的螺旋藻

表征

S. platensis在1μm和500 nm放大率下的SEM图像显示在图1(a-d)中。这些图片显示了独特且可识别的形态，具有长管状结构排列成线圈或螺旋模式。纯螺旋藻通常具有光滑均匀的表面，没有任何明显的缺陷或表面特征。

吸附后的吸附剂SEM图片显示在图1(e-f)中。观察到新材料的表面结构不均匀且粗糙。

讨论

虽然许多研究利用藻类和生物质基吸附剂调查了抗生素吸附，但先前的报道主要集中在环境应用上。相比之下，本研究介绍了一个双重用途的可持续平台，在该平台中螺旋藻既作为环丙沙星修复的高容量生物吸附剂，又作为在体内保留环丙沙星治疗性和胃保护特性的生物相容性载体。这种整合

结论

利用具有纳米结构的S. platensis可以有效清除受污染水中抗生素环丙沙星（CIP）。通过SEM图像检查了S. platensis的形态，显示存在堆积和不均匀结构。pH值、浓度、吸附剂用量和时间等因素影响了吸附效率。在室温下，pH 5、吸附剂用量为0.01 g时的去除效率为96.52%。S. platensis的最大容量为

伦理审批

动物处理方法包括称重和灌胃操作，均经贝尼斯韦夫大学兽医学院机构动物护理和使用委员会（实验动物权利方案）审查和批准，批准号022-496。

CRediT作者贡献声明

Hazem A.Hamed：撰写—初稿，软件，数据整理。Fatma I. Abo El-Ela：撰写—审查与编辑，撰写—初稿，监督，方法论，数据整理，概念构思。Rehab Mahmoud：撰写—审查与编辑，监督，方法论，调查，数据整理，概念构思。Walid H. Hassan：软件，调查。

Amal Zaher：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、监督、方法论、调查研究、正式分析、资助——无资助。出版同意：作者确认：·所述工作此前未曾发表；·目前未在其它地方考虑出版；·其出版已获所有合著者批准。未分类参考文献。利益冲突声明：作者声明以下财务利益/人际关系可被视为潜在利益冲突：作者表示他们不存在任何冲突的议程。经伦理委员会批准： Beni-Suef大学兽医学院的机构动物护理与使用委员会（实验室实验动物权利协议）接受并审查了动物处理技术，其中包括称重和灌胃程序。委员会批准编号：Hazem A.Hamed|Fatma I. Abo El-Ela|Rehab Mahmoud|Walid H. Hassan|Amal Zaher