《Process Safety and Environmental Protection》：Mechanistic Study of Macrolide Antibiotics Degradation Induced by Plasma-Generated Hydroxyl Radicals and Hydrogen Peroxide
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等离子体降解大环内酯类抗生素的机理研究通过实验与分子模拟揭示羟基自由基和过氧化氢的关键作用，发现 Josamycin 最易降解，且存在活性氧浓度饱和效应，为等离子体水处理提供理论依据。
Ruirui Sun|Yifan Liu|Xiaolong Wang|Shiji Zhang|Daoyuan Liu|Zongzheng Wang|Yadi Liu|Ying Sun|Tong Zhao|Yuantao Zhang
山东大学电气工程学院，中国济南250061
摘要
为了解决对抗生素等离子体降解机制缺乏了解的问题，本研究结合实验和反应分子动力学模拟，系统地研究了三种代表性大环内酯类抗生素——罗红霉素、螺旋霉素和 josamycin——在等离子体产生的羟基自由基（·OH）和过氧化氢（H?O?）作用下的降解行为及其潜在机制。采用介质阻挡放电反应器进行等离子体诱导降解实验，结果显示抗生素去除效率高，反应动力学符合伪一级模型。液相色谱-质谱分析进一步确定了关键中间产物，支持了观察到的降解途径。自由基清除实验证实了·OH和H?O?的关键作用。抗菌测试表明，等离子体处理后抗生素的抗菌活性显著降低。红外光谱表明，处理过程导致了环的开裂、氧化、链断裂和重排，从而破坏了分子的稳定性。为了阐明降解过程中的结构演变，基于ReaxFF的反应分子动力学模拟捕捉到了一系列基本反应，主要包括基团消除、氧化、不饱和碳结构的形成和大环内酯环的断裂，这些与质谱检测到的中间产物一致。在研究的活性氧物种中，·OH表现出较高的反应性，而josamycin对结构损伤的敏感性最强。此外，模拟还揭示了在高活性氧浓度下的饱和效应。这些发现为等离子体诱导的大环内酯类抗生素降解提供了分子层面的见解，并为开发高效的基于等离子体的水处理策略提供了理论指导。
引言
自20世纪抗生素广泛应用以来，它们对人类健康和畜牧业做出了巨大贡献。然而，全球范围内抗生素的过度和不当使用导致它们在水体、土壤和沉积物中普遍存在，成为新兴污染物（ECs）（der Beek等人，2016年）。用于人类和兽医医学的抗生素中有很大一部分以未代谢或活性代谢物的形式排出，进入废水系统和环境（Kümmerer，2009年）。这些ECs威胁水生生态系统和土壤微生物群落，并加速了抗生素抗性基因（ARGs）的传播，对公共卫生构成日益严重的风险（Bacanli，2024年）。其中，大环内酯类抗生素（MCLs）由于使用广泛、在水体中频繁检测到、环境持久性以及促进ARG传播的强潜力而被视为优先处理的ECs（Li等人，2022a年）。常见的MCLs，如红霉素（ERY）、罗红霉素（ROX）和 josamycin（JOS），已在30多个国家的城市污水处理厂中被检测到（Li等人，2022a年）。
为了减轻抗生素污染，已经采用了各种传统处理方法，包括生物过程（Ahmed等人，2017年）、吸附技术（Ma等人，2020年）、膜分离（Weng等人，2016年）和高级氧化过程（Liu等人，2019a年）。然而，这些技术主要实现污染物的相转移，而不是完全降解和矿化。它们面临效率低、能耗高、操作复杂和二次污染风险等问题，难以在环境可持续性和经济可行性之间取得平衡（He等人，2022年）。最近，基于等离子体的技术因高效、环保和无化学物质操作而受到广泛关注（Velasquez等人，2024年；Kooshki等人，2023年；Mei等人，2025年）。冷大气等离子体（CAP）由于其能够在常温条件下运行，显示出显著的水污染控制潜力。在放电过程中，CAP产生活性氧和氮物种（ROS/RNS），如·OH、O?、H?O?、NO和NO?。其中，·OH具有高反应性但寿命短，而过氧化氢H?O?反应性较低但更稳定，可作为·OH生成的储备。在等离子体-液体系统中，·OH在形成后立即降解污染物，而H?O?积累并分解产生额外的·OH，间接促进降解。H?O?的分解主要由等离子体产生的溶解电子（e?）驱动。这些高反应性电子攻击H?O?的O-O键，引发其异裂。核心反应为e? + H?O? → OH? + ·OH，从而持续将积累的H?O?转化为高氧化性的·OH（Lee等人，2023年）。这些物种可以破坏有机污染物的稳定分子结构，使其转化为低毒性的可矿化产物。介质阻挡放电（DBD）作为一种非热等离子体技术，已被证明对多种抗生素有效，包括红霉素（ERY）、环丙沙星、四环素和磺胺噻唑（Sulemana等人，2025年；Liu和Kang，2024年）。
然而，现有研究主要集中在去除效率和放电参数（如处理时间、功率输入和气体组成）的影响上，降解产物的鉴定主要依赖于色谱-质谱分析，通常需要推测性推断。在分子层面上的详细机制见解，包括反应途径、键断裂部位和中间体的动态演变仍然不足。这种机制上的空白限制了基于等离子体的有机污染物修复技术的合理设计、优化和规模化。对于MCLs，关于活性物种的作用、中间产物的转化机制以及特征官能团的选择性断裂途径的全面研究尤其缺乏。因此，阐明分子层面的降解途径和反应机制对于优化放电策略、评估降解产物的生态风险以及促进等离子体技术的实际应用至关重要。
在本研究中，由于实验系统在非热平衡条件下运行，溶液温度始终保持在较低水平。此外，考虑到等离子体处理过程中紫外线的强度低和暴露时间短，物理途径（如热降解和紫外线光解）的贡献可以忽略不计。因此，“等离子体降解”特指由等离子体与水相互作用产生的化学活性物种（如·OH和H?O?）驱动的污染物分解。这一概念强调其核心机制在于液相中的活性物种反应，而不是由加热或紫外线辐射等物理效应主导。
在本研究中，我们选择了三种代表性MCLs——ROX、螺旋霉素（SPI）和JOS——作为研究对象。通过结合实验和分子模拟，我们在相同的实验条件下系统地比较了这些结构相似的抗生素的降解情况，从而揭示了它们的降解模式以及结构差异的影响。这项工作不仅阐明了它们在等离子体暴露下的降解过程，还通过模拟解释了分子层面的关键降解步骤，并通过实验质谱和红外光谱分析验证了所提出的途径。此外，我们不仅评估了它们的降解效率，还评估了等离子体处理前后的抗菌活性，为评估实际处理效果提供了更全面的基础。此外，研究还发现了ROS浓度的饱和现象，为优化等离子体水处理技术提供了重要指导。总体而言，这些发现为这项技术的安全高效应用建立了坚实的理论基础和实际指导。
化学试剂
本文使用的所有化学试剂均为分析级或更高级别。ROX、甲醇（MeOH）、乙腈（ACN）、丙酮酸钠（SP）、磷酸二氢钠、磷酸二氢钾、三乙胺和磷酸均购自Macklin Biochemical Co., Ltd.（中国），而SPI和JOS则来自Yuanye Bio-Technology Co., Ltd.（中国）。
实验装置
等离子体降解反应器的示意图如图1(a)所示。等离子体的上部
等离子体降解实验
图3展示了各种MCLs在等离子体处理下的降解行为。图3(a)显示了三种MCLs在不同处理时间下的降解速率，初始浓度为450毫克/升。尽管本研究中使用的初始抗生素浓度超过了环境相关水平，但这主要提高了检测灵敏度和分子机制层面的观察可靠性，从而能够准确分析降解动力学和结构变化
结论
本研究通过结合实验分析和反应分子动力学模拟，系统研究了三种代表性MCLs——ROX、SPI和JOS——在等离子体产生的·OH和H?O?作用下的降解行为及其潜在机制。在实验部分，使用了一个定制设计的DBD反应器进行降解测试。结果表明，所有三种抗生素均得到了有效降解，反应动力学符合
资助信息
本工作得到了国家自然科学基金的支持，项目编号：52477146。
CRediT作者贡献声明
Yadi Liu：监督、资源提供。Ying Sun：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源提供。Daoyuan Liu：方法论、研究、数据管理。Zongzheng Wang：可视化、软件、研究。Xiaolong Wang：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源提供、资金筹集。Shiji Zhang：验证、研究、数据管理。Ruirui Sun：撰写 – 初稿撰写、研究、形式分析、数据管理、概念化。Yifan Liu：撰写 – 初稿撰写，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
