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土壤植物互作团队研发新型光催化复合材料高效降解土壤-植物系统中新污染物氟喹诺酮类抗生素
发布者：管理员发布时间：2026-07-14作者：张倩茹来源：土壤植物互作团队点击量：
在近期完成的一项研究中， 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所土壤植物互作团队成功研发出一种新型金属-有机框架改性生物炭复合材料（Ce/MIL-88b-NH2@BC），能够高效光催化降解土壤-植物系统中新污染物氟喹诺酮类抗生素（FQs），并有效缓解其对植物的生态毒性，促进植物生长。该研究通过密度泛函理论（DFT）计算模拟与实验验证的深度融合，构建了从分子机制到生态系统的跨尺度研究框架，为多介质新污染物抗生素治理提供了一种智能化、可预测的全新解决方案。相关研究成果以“DFT-guided design of biochar-based composites for photocatalytic degradation of fluoroquinolone antibiotics in soil-water systems: Non-targeted metabolomics and structural equation modeling”为题，发表于环境科学工程领域权威期刊《危险材料杂志（Journal of Hazardous Materials）》上。
氟喹诺酮类抗生素因化学结构稳定、生物降解性差，被列为“生物顽固性化合物”，是当前新污染物治理的热点与难点。传统光催化剂受限于电子-空穴对复合率高、降解中间产物毒性不明等问题，难以在复杂的土壤-植物多介质系统中实现安全、彻底的污染修复。
本研究从分子层面出发，借助DFT模拟计算对复合材料进行了预先设计与优化，构建了载流子迁移路径，成功将材料的光响应范围拓展至可见光区域，并显著抑制了电子-空穴复合。实验结果表明，Ce/MIL-88b-NH2@BC复合材料在紫外-可见光照射下90分钟内可实现98.9%的FQs降解率，在自然阳光照射下仍可达到82.5%的高效降解。硫酸根自由基和羟基自由基是驱动降解过程的关键活性物种，其介导的哌嗪环断裂和脱羧反应，能够将母体FQs高效转化为低毒性产物。
在缓解植物毒性方面，该材料表现出了显著优势。经复合材料处理后的生菜叶片中，FQs残留量低于或等于1 ng/g，远低于全球农业土壤抗生素浓度的行星边界值（PB: 153.7 μg/kg）。通过非靶向代谢组学和结构方程模型分析发现，该材料通过降解污染物、抑制植物过度应激反应、恢复生理功能以及促进资源向生长相关代谢的再分配，使植物代谢模式从“应激防御”成功转向“生长恢复”。结构方程模型进一步量化了关键代谢物与植物生理指标之间的关联，揭示了“降解-解毒”的协同作用机制。
图1 复合材料对氟喹诺酮类抗生素光催化降解机制及植物毒性缓解模式图
中国农业科学院农业资源与农业区划研究所博士研究生黄琪岚为论文的第一作者，张倩茹研究员为论文唯一通讯作者。研究得到了北方干旱半干旱耕地高效利用全国重点实验室、京津冀国家科技重大专项、国家现代农业产业技术体系专项基金和中国农业科学院科技创新工程重大任务等项目的共同资助。
【引文方式】： Huang Q, Zhang Q, Zhao S, et al. DFT-guided design of biochar-based composites for photocatalytic degradation of fluoroquinolone antibiotics in soil-water systems: Non-targeted metabolomics and structural equation modeling[J]. Journal of Hazardous Materials, 2025, 499: 140077.
【原文链接】： https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.140077
