通过调节富含氧缺陷的ZrFe?O?表面的Ag?粒子，并利用电子-金属-载体之间的相互作用，实现原位自组装。这一过程能够增强甲硝唑的矿化效果，从而拓展其在抗菌应用中的潜力

《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：In-situ self-assembled synthesis by adjusting Ag0 on oxygen-defect rich ZrFe 2O 4 through electronic metal-support interaction to enhance the mineralization of metronidazole and antimicrobial applications

高效降解甲硝唑的Ag@ZFO纳米复合材料通过Cordyline fruticosa叶提取液生物还原制备，具有氧空位增强的光催化性能、磁回收特性及抗菌活性，实际废水处理效率显著。

　　

J.P. Steffy|B. Janani|Alanoud T. Alfagham|Abdallah M. Elgorban|S. Sudheer Khan

印度泰米尔纳德邦金奈-600077，Saveetha大学Saveetha医学与技术科学研究所（SIMATS）Saveetha牙科学院及医院口腔医学与放射科

摘要

为了有效去除水中的持久性药物污染物甲硝唑（MTZ），研究人员开发了一种绿色合成的银装饰氧化锆铁氧体（ZFO@Ag）纳米复合材料。利用Cordyline fruticosa叶提取物实现了银纳米颗粒的生物还原并沉积在ZFO表面，这一过程去除了有毒的还原剂，使得制备过程更加环保。结构与形态分析（SEM、HR-TEM、XRD和拉曼光谱）证实了银的成功沉积及其相稳定性。光学与表面研究（PL、DRS和XPS）显示材料中存在丰富的氧空位，这些空位增强了电荷分离能力和催化活性。优化后的ZFO@Ag-10表现出优异的光催化性能，其表观速率常数高达0.1233 min?1，相比原始ZFO提高了约24倍，显著超越了之前研究的基于锆的系统的催化效率。VSM分析进一步证实了ZFO@Ag的超顺磁性质，使其易于磁分离。该纳米复合材料还对E. coli和S. aureus表现出强抗菌活性。GC-MS/MS分析了降解产物，ECOSAR测试表明副产物的水生毒性降低。在实际废水处理中，该材料保持了高降解效率，显示出其在污染物去除方面的实用价值。Ag?纳米颗粒与缺氧ZFO之间的协同作用增强了光吸收、电荷转移及活性物种的生成，为药物废水处理提供了一种可持续且可磁回收的光催化剂。

引言

基于锆的纳米材料具有独特的物理和化学性质，使其在众多先进应用中极具吸引力[1]。这些纳米材料通过氢化-脱氢、雾化及金属热还原等工艺从锆化合物和粉末中制备而成，具有优异的抗氧化性、高熔点及出色的机械强度[2]。它们的耐腐蚀性和在极端条件下的结构稳定性使其成为核反应器的理想材料，其中锆合金用作燃料包壳和反应堆核心部件[3]。此外，锆纳米材料还应用于航空航天领域的热障涂层和高温陶瓷，以及化工行业的催化剂和表面涂层[4]。凭借出色的耐久性和稳定性，基于锆的纳米材料成为推动各行业快速创新的关键组成部分。在各种锆基材料中，氧化锆铁氧体（ZrFe?O?，ZFO）因其高磁导率和低矫顽力而备受关注，是电磁应用的理想材料[5]。

有机污染物的出现，尤其是广泛用于治疗各种疾病的抗生素，已成为全球性难题[6]。大量抗生素在使用后未被代谢直接排放到水体中[7]。这种持续性的水体污染不仅破坏了水生生态系统，还促进了耐药细菌和相关病原体的滋生，对公共健康和环境可持续性构成严重威胁[8]。 甲硝唑（MTZ）是一种广泛使用的抗生素，由于其在临床和兽医领域的广泛应用，被视为重要的药物污染物[9]。它主要用于治疗由厌氧细菌和原生动物引起的感染，例如导致滴虫病的Trichomonas vaginalis[10]。MTZ还对Helicobacter pylori具有杀菌效果，这种细菌与胃溃疡疾病及胃癌发病有关[11]。MTZ在体内经过肝脏代谢，包括羟基化、乙酰化和与葡萄糖醛酸的结合。尽管具有治疗作用，但它也会引发多种不良反应，如恶心、腹痛和腹泻；更严重的反应包括神经毒性、视神经和周围神经病变，以及罕见的脑病[12],[13]。值得注意的是，MTZ具有抗生物降解性，这使得其在水体和陆地环境中长期存在。其在环境中的积累对水生生物具有毒性，并可能危害人类健康[14]。MTZ还被列为潜在的人类致癌物和致突变物，可能与淋巴细胞损伤有关。因此，亟需开发有效的修复策略来减轻其对环境和健康的危害[15]。目前已有多种传统方法用于废水中的抗生素去除，包括微生物降解[16],[17]、膜过滤[18]、吸附[19]和絮凝[21]，但这些方法的效率有限，且往往无法完全矿化药物残留物[21]。此外，这些过程可能产生有害的二次污染物，且运营成本较高，限制了其实际应用[22]。在这种情况下，高级氧化工艺（AOPs）因能生成高活性物质（如羟基自由基和超氧阴离子）而受到关注，这些物质可将持久性污染物降解为环境友好的最终产物[23]。选择合适的催化剂是AOPs成功的关键因素。在各种候选材料中，ZFO作为一种具有热稳定性、化学稳定性和易于磁分离的磁性尖晶石型材料脱颖而出[24]。然而，其在抗生素降解（尤其是MTZ降解）方面的催化潜力尚未得到充分探索，这也是本研究的核心创新点。

为克服原始ZFO的局限性并提升其催化性能，研究人员将银纳米颗粒（Ag NPs）策略性地沉积在ZFO表面。银的引入显著增强了催化活性，改善了电荷分离并提高了表面反应性[25]。本研究中使用Cordyline fruticosa叶提取物作为绿色还原和稳定剂，用于银纳米颗粒的生物合成。Cordyline fruticosa在叶绿素-花青素染料提取（用于染料敏化太阳能电池[26]）、抗菌治疗[27]及多种药用领域有广泛应用[28]。该植物提取物含有多种生物活性化合物，如酪胺、酚酸（如阿魏酸和奎宁酸）、硫酸化甾体衍生物（fruticogenin A）以及螺甾烷类皂苷（fruticosides K、L和M）[28]。这些植物化学物质富含羟基（–OH）、羧基（–COOH）、胺基（–NH?）和硫酸基等官能团，对金属离子具有高反应性。在本研究中，C. fruticosa提取物在从AgNO?绿色合成银纳米颗粒过程中发挥了双重作用：酚酸（阿魏酸和奎宁酸）及含胺的酪胺作为天然还原剂，将电子捐赠给Ag?形成金属态Ag?[29]；同时，甾体皂苷和硫酸化甾体衍生物通过氢键和静电相互作用吸附在银纳米颗粒表面，防止颗粒聚集并促进其分散。

虽然之前已有报道过银装饰的铁氧体纳米复合材料[30],[31]，但本研究通过使用Cordyline fruticosa叶提取物实现了银纳米颗粒的可持续生物还原和可控沉积，这是ZrFe?O?基体系中的新方法。与传统合成的银-铁氧体复合材料不同，这种绿色方法增强了银?与ZFO之间的界面耦合，产生了表面氧空位，从而提高了催化降解性能、磁回收性和结构稳定性。此外，本研究还全面评估了药物污染物的去除效果、抗菌活性、降解途径、副产物毒性以及在实际废水中的降解情况，超越了以往主要针对模型染料降解的研究。

材料与方法

实验中使用的所有化学品均为分析级纯度。八水合氧化锆（ZrOCl?·8H?O）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、六水合三氯化铁（FeCl?·6H?O）和氢氧化钠（NaOH）均购自印度SLR公司；硝酸银（AgNO?）购自印度Moly-Chem Pvt. Ltd.

形态与结构表征

扫描电子显微镜（SEM）分析用于研究合成催化剂的形态特征，提供了关于其表面纹理、颗粒形状和尺寸分布的关键信息。结果表明，ZFO具有类球形纳米颗粒形态，颗粒呈堆叠或聚集排列（图2a-d）。这种独特的结构组织增强了比表面积和催化活性位点。

结论

本研究成功合成了新型ZFO@Ag纳米复合材料，可用于水中甲硝唑（MTZ）的高效催化降解。Cordyline fruticosa提取物在银纳米颗粒的生物合成中发挥了重要作用，实现了绿色和可持续的沉积方法。综合表征证实了其纳米球形结构、结晶度及银的有效掺入。拉曼光谱分析揭示了尖晶石铁氧体和氧化锆相的特征振动模式，进一步验证了其结构特性。

作者贡献声明

Alanoud T. Alfagham：撰写 – 审稿与编辑、验证、资金获取、数据分析。B. Janani：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法设计、数据分析。J.P. Steffy：撰写 – 初稿撰写、数据可视化、验证、方法设计、实验设计、数据分析。Khan Sudheer：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、管理、方法设计、实验设计、资金获取、数据分析。

写作过程中使用的人工智能技术声明

在撰写过程中，作者使用了ChatGPT等人工智能辅助工具来检查句子的语法和拼写。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢沙特阿拉伯利雅得King Saud大学支持的ORF-2026-xxx项目提供的支持。