一种天然生物聚合物海藻酸钠基磁性多功能吸附剂，具有高效去除水中广谱氟喹诺酮类抗生素的能力

高效磁性海藻酸吸附剂对氟喹诺酮类药物的去除研究。

　　

欧阳二明|黄俊杰|刘子曦|杨宏伟|沈晓竹|赵瑞

教育部鄱阳湖环境与资源利用重点实验室，南昌大学资源与环境学院，中国南昌，330031

摘要

水体中持续存在的氟喹诺酮（FQ）类抗生素会增强细菌的耐药性，危及水生生态系统，因此需要有效去除这些抗生素。本研究通过交联和酰胺化反应制备了一种基于天然生物聚合物海藻酸钠的吸附剂（SA@Fe₃O₄-SPABS），在吸附剂骨架上引入了多个功能基团。选择加替氟沙星（GAT）作为代表性氟喹诺酮化合物来评估其吸附性能。动力学数据可用伪一级模型很好地描述。根据朗缪尔模型，SA@Fe₃O₄-SPABS在288.15 K和pH 6.0条件下对GAT的吸附容量为857.97 mg g^?1，超过了大多数已报道的FQ吸附剂。此外，SA@Fe₃O₄-SPABS对其他氟喹诺酮类化合物也表现出较高的吸附能力，分别为左氧氟沙星693.4 mg g^?1、莫西沙星536.1 mg g^?1、氧氟沙星366.5 mg g^?1和环丙沙星362.3 mg g^?1。该吸附剂具有强磁性（饱和磁化强度为35.93 emu·g^?1），能够快速从处理过的水中分离出来并重复使用，经过八次再生循环后仍能保持约65%的初始吸附容量。表征结果显示，SA@Fe₃O₄-SPABS通过多种机制与GAT结合，包括静电吸引、阳离子交换、氢键作用以及π-π电子供体-受体相互作用。在模拟废水中，SA@Fe₃O₄-SPABS的GAT去除效率高达86.7%。总之，SA@Fe₃O₄-SPABS是一种高容量、广谱且易于回收的吸附剂，适用于去除水中的氟喹诺酮残留物。

引言

随着制药和畜牧业等行业的快速发展，日常生活中和工业生产中使用了大量抗生素（Guo等人，2024年）。在各种抗生素中，氟喹诺酮类（FQs）因其广谱抗菌性、持久疗效和较低的副作用而被广泛使用（Xie等人，2022年；Zhou等人，2023年）。2000年至2018年间，全球人类抗生素消耗量增加了46%（Ren等人，2025年）。在COVID-19大流行期间（2020–2022年），抗生素消耗量再次显著增加。基于持续过度处方和医疗保健普及的预测，到2030年总消耗量可能达到2015年的两倍（Nugraha等人，2025年）。由于氟喹诺酮类化合物的生物利用度较低，它们主要以原形或代谢物的形式通过市政废水进入水环境。因此，这些化合物经常在地表水、城市废水系统和饮用水源中被检测到（Al Masud等人，2024年；Ersan等人，2023年）。氟喹诺酮类化合物具有持久性、生物累积性，并可能对人体健康造成危害（McCorquodale-Bauer等人，2023年）。即使在微量水平下，它们也会削弱人体免疫力，引起恶心、呕吐和腹泻（Chen等人，2022年），同时通过急性或慢性毒性危害水生微生物、植物和动物，并加速耐药细菌的传播及其耐药性的传播（Ouyang等人，2025年）。因此，有效清除水环境中的氟喹诺酮类化合物对于保护生态系统和公共卫生至关重要。

已经开发了多种去除氟喹诺酮类的策略，包括生物降解、化学氧化和吸附（Hou等人，2021年；Peng等人，2024年）。其中，吸附技术因其成本效益、广泛应用性和无毒性而备受关注（Igwegbe等人，2021年；Peng等人，2018年）。已经开发出多种用于去除氟喹诺酮类的吸附剂。Nguyen等人（Nguyen等人，2023年）通过磷酸活化葵花籽壳制备了生物炭（PSF），用于吸附和去除水中的各种抗生素。Bukhari等人（Bukhari等人，2023年）制备了一种由氧化石墨烯、MXene和壳聚糖组成的三元复合材料，用于同时去除水中的氟喹诺酮类和Cu²⁺。氟喹诺酮类化合物含有羟基和羰基等官能团，可以与水中的羟基、羧基等官能团形成氢键。鉴于这些性质，含有丰富官能团的天然有机生物聚合物是设计吸附剂的理想候选材料。

海藻酸钠是一种线性、天然存在的多阴离子多糖，来源于褐藻，可用于制备具有优异吸附性能、良好生物相容性和环境友好性的吸附剂（Zhang等人，2022a）；此外，海藻酸钠来源于丰富的褐藻资源，价格低廉且经济可行（Guo等人，2023年）。然而，许多研究表明，基于海藻酸钠的吸附剂存在机械强度低、稳定性差、重复使用性有限以及吸附位点不足的问题（Gao等人，2020年；Han等人，2025年）。因此，需要对吸附剂进行改性以解决这些问题（Liu等人，2025b；Zhang等人，2022b）。文献表明，交联可以显著提高基于海藻酸钠的吸附剂的机械性能（Wu等人，2024a）。值得注意的是，戊二醛是一种广泛研究的化学交联剂，其分子末端含有两个醛基，可以在酸性条件下与其它分子的羟基发生缩醛反应形成稳定的化学交联（Jiang等人，2023年）。同时，经常在吸附剂上负载Fe₃O₄颗粒，以方便其从水中分离和回收（Yang等人，2025年）。为了进一步提高氟喹诺酮类的去除效率，还可以在吸附剂骨架上接枝额外的功能基团，增加活性吸附位点的密度。

总体而言，本研究的目标是：（1）通过戊二醛交联和随后的SPABS酰胺化改性SA@Fe₃O₄，以丰富其功能基团；（2）表征SA@Fe₃O₄-SPABS的性质；（3）阐明其吸附机制（动力学、等温线和热力学）并评估其对多种氟喹诺酮类的广谱去除效果及其在废水处理中的应用潜力。

材料

海藻酸钠（SA，90%）、氧化铁纳米颗粒（Fe₃O₄，99.5%，50 nm）、戊二醛（C₅H₈O₂，50%溶于H₂O）、冰醋酸（C₂H₄O₂，99.5%）、无水乙醇（C₂H₆O，≥99.7%）、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐（C₈H₁₈ClN₃，98%）、N-羟基琥珀酰亚胺（C₄H₅NO₃，98%）、磺胺酸钠（C₆H₇NNaO₃S，97%）和加替氟沙星盐酸盐（GAT·HCl，98%）均购自上海麦克林生化科技有限公司。浓盐酸（HCl，36%～38%）

表征

图1b和c比较了SA@Fe₃O₄和SA@Fe₃O₄-SPABS的扫描电子显微镜（SEM）图像。未经改性的SA@Fe₃O₄表面相对光滑，而SA@Fe₃O₄-SPABS表面明显粗糙，具有不规则的地形特征。这种增加的表面粗糙度扩大了可接触面积，从而提供了更多的活性位点供加替氟沙星吸附，促进了整个吸附过程（Liao等人，2022年；Liu等人，2025a）。

结论

SA@Fe₃O₄-SPABS在去除水溶液中的氟喹诺酮类化合物（如加替氟沙星）方面表现出优异的性能。在288.15 K条件下，其最大朗缪尔吸附容量为857.97 mg g^?1，这种高效率源于磺酸基团和含氧官能团之间的协同作用，这些基团促进了与加替氟沙星的静电吸引和氢键形成。在pH 6.0条件下，SA@Fe₃O₄-SPABS对加替氟沙星的吸附能力最强，这归因于其负电荷结构

CRediT作者贡献声明

欧阳二明：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论、概念设计。黄俊杰：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、资源准备、方法论、实验设计、数据分析、概念设计。刘子曦：初稿撰写、数据可视化、监督、资源准备、方法论、实验设计、数据分析、概念设计。杨宏伟：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国江西省自然科学基金（项目编号20232BAB214088）和国家自然科学基金（项目编号52460004）的财政支持。