中藥渣里的“寶藏”：高效去除四環素新利器

　　近年來，抗生素類污染物在制藥和水產養殖廢水以及自然水體中的出現引起了許多學者的關注，現今急需開發一種高效、經濟去除廢水中抗生素的方法。

　　近日，河南中醫藥大學李朋偉教授團隊通過與河南省本地藥廠合作，在中藥渣的資源化處理、生物炭理化性質研究以及典型抗生素（四環素）廢水處理等方面取得重要突破。相關成果發表于《環境研究》。

　　為何開展此項研究？

　　潔凈的水資源對人類的健康生存至關重要。然而，隨著醫療行業、畜牧業、水產養殖業和食品加工業的快速發展，抗生素被大量用在治療細菌感染、提高飼料利用率以及改善動物生長率等方面，同時也帶來了水污染的加劇。

　　李朋偉表示，近幾十年來，四環素作為一種廣譜抗生素，對大多數革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細菌具有抑制作用，由于其成本低、易于合成，已被廣泛使用。但其穩定的化學結構使得大量未經處理的四環素進入環境，對生態系統造成破壞，并增加了病原微生物的耐藥性，對人類健康構成重大威脅。

　　“因此，迫切需要從廢水中去除四環素和其他抗生素，以保障人類和生態的安全。”李朋偉強調。

　　與此同時，中藥行業的蓬勃發展也帶來了中藥渣處理的問題。據統計，每年僅工業上中藥渣的排放量就高達7000萬噸以上。這些中藥渣成分復雜，難以存儲和利用，傳統的處理方式不僅污染環境，還造成了資源的極大浪費。針對這一問題，李朋偉教授團隊開始了深入探索。

　　生物炭吸附技術與響應面分析法助力四環素去除

　　如何更有效地去除四環素和其他抗生素，是團隊面臨的一大難題。在吸附技術、生物降解、光催化、電化學和化學氧化等多種方法中，每一步試驗都至關重要。

　　經過深入分析，研究團隊發現，吸附技術因其簡單、經濟、環保等優勢，成為目前最可行、最經濟、應用最廣泛的方法。然而，李朋偉指出：“傳統生物炭基于吸附技術，但往往比表面積低、孔結構不發達，這限制了其對抗生素廢水的去除能力。”

　　為此，團隊決定采用水熱聯合氯化鋅活化法來制備中藥渣生物炭，以提高其比表面積和孔結構特性，為抗生素的去除提供有力支撐。同時，響應面分析法因其能夠通過分析各因素對反應的影響，獲得最佳操作流程，而在化學領域研究中得到廣泛應用。

　　為了進一步探究影響生物炭吸附污染物能力的主要因素，團隊以吸附溫度、四環素初始濃度和溶液pH為主要變量，采用響應面分析法對四環素吸附的操作條件進行了設計優化。

　　經過多次試驗，李朋偉團隊發現，中藥黃芪藥渣中富含纖維素（44.5%）、半纖維素和木質素（16.8%），是制備生物炭的理想前體原料。李朋偉教授表示：“黃芪藥渣中的這些成分使它成為制備生物炭的非常合適的選擇。我們通過一系列實驗，成功將黃芪藥渣轉化為生物炭吸附劑，并對其去除四環素的效果進行了深入研究。”

　　研究結果顯示，制備的中藥渣生物炭對四環素具有出色的吸附性能。這一發現不僅為中藥渣的高值化利用提供了新思路，也為廢水中抗生素的去除開辟了新途徑。

　　應用前景展望

　　通過將中藥渣轉化為生物炭吸附劑，為廢物管理、環境污染減少和資源可持續利用等方面提供了“雙贏”的解決方案。李朋偉表示，這一研究成果不僅有助于解決環境問題，還促進了資源的循環利用。

　　目前，該研究團隊依托河南中醫藥大學的多學科優勢，整合了中藥學、化學和信息學資源，對制備的中藥黃芪生物炭的表面物理化學性質進行了全面表征。他們從pH、初始濃度、溫度、動力學、平衡等溫線、熱力學等多個方面，深入考察了中藥黃芪生物炭對四環素的吸附行為。同時，采用響應面模型（RSM）對生物炭的吸附性能進行了優化，并探討了其吸附四環素的機理。

　　李朋偉介紹，團隊還利用成本效益分析確定了生產中藥黃芪生物炭的經濟可行性，并研究了其循環吸附-解吸性能，以評價其可重復利用性。這些研究為中藥渣的高值化利用和抗生素廢水的處理提供了有力支持。

　　近年來，我國中醫藥產業呈現出蓬勃發展態勢。如何解決、協調好中醫藥高速發展和綠色發展、環境保護之間的關系，已成為推動中醫藥發展的重要課題。

　　李朋偉表示，多年來，河南中醫藥大學制藥工程課程組一直把學生的發展放在首位。此次研究成果，就是我們把最新的科研成果融入到教學中，還把課堂搬到了藥廠，讓學生在現場聽課學習，這樣大力培養了學生的創新思維和動手創新的能力。

　　在此背景下，多學科交叉融合研究成為推動產學研快速發展的重要途徑。中藥學、化學、工程學等不同學科之間的融合，理論聯系實際，能最大程度上將科技成果轉化為實際應用，實現重大技術突破。

　　李朋偉表示，下一步，研究團隊將利用機器學習模型進一步探究影響生物炭吸附能力的多種因素，并采用機器學習方法研究不同因素的貢獻度。通過對比各影響因素的重要性，團隊將針對性地提高生物炭的理化性質和吸附能力。同時，他們還將利用建立的機器學習模型預測新生物炭的吸附能力，為治理抗生素污染問題提供有力指導。

　　相關論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.envres.2024.118425