【视点】宁波大学于洁研究团队在活性污泥与两性环丙沙星的结合机制研究方面取得系列进展

导读

污水处理厂是医药类污染物进入环境的重要点源，活性污泥的吸附作用是许多医药类污染物去除的主要途径，也极大地影响了医药类污染物的迁移转化。然而，两性医药类污染物如喹诺酮类在水中解离状态多样，与活性污泥的结合过程也较为复杂。研究团队以环丙沙星为代表性两性医药类污染物，首先探明污泥胞外聚合物中的关键作用因子——胞外蛋白质，并从分子水平建立胞外蛋白质与环丙沙星的结合模型；进而首次采用石英晶体微天平实时表征污泥胞外蛋白质与环丙沙星的结合过程，进行结合体系的动力学、热力学分析以及粘弹性研究；进一步阐明关键水化学因子——阳离子对结合过程的影响，首次提出阳离子在污泥与环丙沙星结合过程中的双重作用，即络合和阳离子竞争，明确胞外蛋白质酰胺Ⅰ中C=O与阳离子的竞争是导致环丙沙星从污泥中解离的关键机制。

研究团队通过对污泥与环丙沙星结合过程中表面电荷、胞外聚合物等的表征，发现胞外蛋白质是结合环丙沙星的主要物质，碳水化合物的作用微弱。环丙沙星通过氢键、偶极、强静电力等与胞外蛋白质发生结合，并改变胞外蛋白质的组成。相关成果以“Interaction of ciprofloxacin with the activated sludge of the sewage treatment plant”为题发表在期刊Environmental Science and Pollution Research上，宁波大学市政与环境工程系王侃副教授为第一作者，于洁副教授为通讯作者。

▲ 图1  污泥胞外蛋白质与环丙沙星结合的机理图（来源：Springer）

▲ 图2  污泥与环丙沙星结合过程中胞外蛋白质的变化示意图（来源：Springer）

研究团队首次采用石英晶体微天平实时表征污泥胞外蛋白质与环丙沙星的结合过程。采用两步沉积法依次将胞外蛋白质和环丙沙星负载在石英晶片上，根据体系频率和耗散的变化，实时表征结合过程，分析体系动力学、热力学以及粘弹性，揭示体系粘弹性变化机制。研究结果表明石英晶体微天平有很大潜力应用于溶解性有机物与污染物作用过程的研究。相关成果以“New insights into interaction of proteins in extracellular polymeric substances of activated sludge with ciprofloxacin using quartz crystal microbalance with dissipation”为题发表在期刊Chemosphere上，宁波大学研究生吕阳为第一作者，于洁副教授为通讯作者。

▲ 图3  胞外蛋白质和环丙沙星依次负载在石英晶片上时频率和耗散的变化（a）以及不同浓度环丙沙星对频率（b）、环丙沙星最大负载量（c）和耗散（d）的影响（来源：ScienceDirect）

▲ 图4  胞外蛋白质和环丙沙星的结合过程以及频率和耗散变化的示意图（来源：ScienceDirect）

研究团队进一步采用荧光寿命、三维荧光光谱、红外光谱等多光谱手段研究关键水化学因子——阳离子对结合过程的影响，发现阳离子（NH₄ 、Na 、Ca² 、Mg² ）抑制了污泥与环丙沙星的结合；首次提出Ca² 在污泥与环丙沙星结合过程中的双重作用，即络合和阳离子竞争：阳离子可与环丙沙星以及胞外蛋白质中的特定官能团（O–H、羧基中C=O）形成三元络合物，但会与环丙沙星竞争胞外蛋白质酰胺I中C=O，导致环丙沙星从污泥中解离。研究结果表明在高含盐废水和经阳离子调理的污泥中，两性微污染物有较大可能再释放。相关成果以“Multiple roles of Ca²  in the interaction of ciprofloxacin with activated sludge: Spectroscopic investigations of extracellular polymeric substances”为题发表在期刊Science of the Total Environment上，宁波大学于洁副教授为第一作者。

▲ 图5 Ca² 作用于污泥与环丙沙星结合体系的示意图

▲ 图5 Ca² 作用于污泥与环丙沙星结合体系的示意图（来源：ScienceDirect）