高活性陽(yáng)極制備及阿莫西林降解中的毒性效應(yīng)

李曉良,王 雪,邱曉鵬,路思佳,辛鳳丹,鄭 興 (.西安理工大學(xué),西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 70048；.西安交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系,陜西 西安 70049)

我國(guó)作為抗生素生產(chǎn)與消費(fèi)大國(guó),抗生素的濫用與無(wú)序排放現(xiàn)象非常普遍,導(dǎo)致水環(huán)境中抗生素污染日益嚴(yán)重[1-2].傳統(tǒng)的水處理方法(生物、混凝、過(guò)濾等)無(wú)法將水體中抗生素有效去除,導(dǎo)致大量抗生素進(jìn)入水環(huán)境,對(duì)人體健康與生態(tài)安全造成嚴(yán)重威脅[3-4].阿莫西林(AMX)作為一種常見(jiàn)廣譜抗生素類(lèi)藥物,被廣泛用于人體與動(dòng)物疾病治療[5].但AMX在水相中極易形成性質(zhì)更加穩(wěn)定的聚合物,進(jìn)一步增強(qiáng)了其被降解的難度.由于AMX 的大量使用以及其生物代謝能力較差等原因,某些水體中(比如醫(yī)療廢水、制藥廢水等)AMX 濃度甚至高達(dá)μg/L～mg/L級(jí)別[6-8].而如何實(shí)現(xiàn)這些水體中高濃度AMX 的有效去除至關(guān)重要.

電催化氧化(EO)作為一種環(huán)境友好型水處理技術(shù),無(wú)需化學(xué)藥劑添加,高效、簡(jiǎn)便,適用于難生物降解的污染物去除,并且在AMX 的去除方面已有相關(guān)研究[9-12].AMX 在電催化初期過(guò)程中可能產(chǎn)生毒性更高的中間體,增強(qiáng)該類(lèi)廢水的毒性風(fēng)險(xiǎn)水平,因此電催化降解過(guò)程中需要保障AMX 的高效降解,并掌握AMX 在電催化降解過(guò)程中的毒性演變規(guī)律.陽(yáng)極材料作為該技術(shù)的核心,對(duì)整個(gè)電催化處理過(guò)程起到重要作用[13-15].而高活性的電極更有利于AMX 的深度降解與礦化,可避免高毒性中間體的積累.Ti/PbO2屬于“非活性電極”,耐腐蝕性強(qiáng),催化性能較高,且材料經(jīng)濟(jì)易得,已被廣泛用于難降解有機(jī)廢水處理當(dāng)中[16-18].然而,Ti/PbO2電極催化層表面粗糙度與比表面積較小,導(dǎo)致其催化涂層的活性位點(diǎn)與伏安電荷總量較少,不利于污染物催化降解效果提升.

基于此,本文采用電流梯級(jí)調(diào)控方式制備多催化位點(diǎn)的高效Ti/PbO2陽(yáng)極,對(duì)模擬AMX 廢水進(jìn)行電催化降解,并以斜生柵藻作為受試體,結(jié)合量化毒理基因組學(xué)技術(shù)對(duì)AMX 在降解過(guò)程中的生態(tài)毒性與毒理進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析,以保障電催化降解過(guò)程中抗生素廢水的安全排放.

1 材料與方法

1.1 試劑與材料

本實(shí)驗(yàn)所用化學(xué)試劑購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司(除阿莫西林、乙腈為色譜純外,其它藥品均為分析純),斜生柵藻購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院武漢水生生物研究所淡水藻種庫(kù), 編號(hào)為 FACHB-416 Scenedesmus obiliquus,去離子水由實(shí)驗(yàn)室級(jí)超純水器(UPD-II-10T,西安優(yōu)普儀器設(shè)備有限公司)制備,高純(＞99.6%)鈦片購(gòu)自寶雞鈦業(yè)股份有限公司.

1.2 電極制備

將鈦片裁剪為5cm×6cm 尺寸,并進(jìn)行打磨、除油、刻蝕等基體預(yù)處理,隨后采用傳統(tǒng)刷涂熱分解法添加Sb-SnO2中間層制得Ti/Sb-SnO2電極,具體操作步驟可參考文獻(xiàn)[19].

以Ti/Sb-SnO2為陽(yáng)極,相同尺寸的銅片為陰極,控制沉積液溫度在65℃,首先在0.01A/cm2的電流密度下電沉積1h,并按設(shè)定程序立即調(diào)控電流密度大小為(0.01, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 0.7 與1.0A/cm2),保持5min,取出并用去離子水洗凈,備用.電催化液組成:0.5mol/L Pb(NO3)2, 0.2mol/L Cu(NO3)2, 0.01mol/L NaF 與0.01g/L 十二烷基苯磺酸鈉,采用濃HNO3將沉積液pH 值調(diào)至2.

1.3 電極表征及性能測(cè)試

制備電極的微觀形貌采用掃描電鏡(SEM,JEOL, JSM-6390A)進(jìn)行觀察;晶相結(jié)構(gòu)采用X 射線衍射儀(XRD,德國(guó)布魯克,D8ADVANCE)進(jìn)行分析,掃描角度(2θ)為10°～80°.采用VersaSTAT4 型電化學(xué)工作站(德國(guó),普林斯頓)對(duì)制備電極進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試,Ag/AgCl(飽和KCl)與鉑片分別作為參比電極及對(duì)電極,電催化液為0.5mol/L H2SO4.循環(huán)伏安(CV)掃描范圍為0～2.5V,掃速為50mV/s.交流阻抗(EIS)測(cè)試頻率掃描范圍為105～0.01Hz,振幅為5mV,測(cè)試電位為0V.以直流穩(wěn)壓電源控制電流水平(0.5A/cm2),在3mol/L H2SO4溶液中進(jìn)行制備電極的強(qiáng)化壽命測(cè)試,控制電催化液溫度在(35±2)℃,實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)槽電壓變化,當(dāng)槽電壓到達(dá)10V 時(shí),即認(rèn)為電極壽命結(jié)束.

1.4 斜生柵藻培養(yǎng)與藻密度及葉綠素a 含量測(cè)定

將斜生柵藻無(wú)菌轉(zhuǎn)移至BG11 培養(yǎng)液中[20],并放入培養(yǎng)箱中馴化.培養(yǎng)條件:光照強(qiáng)度3000lx,光暗比12h:12h,溫度(25±1)℃ ,每天搖勻4～5 次,其余時(shí)間靜置培養(yǎng).采用血球計(jì)數(shù)板對(duì)藻細(xì)胞進(jìn)行顯微計(jì)數(shù),用紫外分光光度計(jì)進(jìn)行OD 值測(cè)定,設(shè)置單波長(zhǎng)為680nm.對(duì)OD 值和藻密度進(jìn)行擬合,獲得二者之間的函數(shù)關(guān)系.葉綠素a 含量測(cè)試采用乙醇萃取-分光光度法,具體步驟參考文獻(xiàn)[21].

1.5 AMX 濃度測(cè)定

取水樣,進(jìn)行0.22μm 有機(jī)濾膜過(guò)濾,采用高效液相色譜儀(Aglient1100)進(jìn)行AMX 濃度分析.色譜條件:C18 色譜柱,紫外檢測(cè)器波長(zhǎng)為228nm,流動(dòng)相為90%超純水+10%乙腈,停留時(shí)間為8min.

1.6 AMX 對(duì)斜生柵藻的生長(zhǎng)抑制效果

取100mL 經(jīng)高溫滅菌的BG11 培養(yǎng)液,添加AMX 實(shí)現(xiàn)不同AMX 暴露濃度(1, 5, 50, 100, 300,500mg/L),加入生長(zhǎng)對(duì)數(shù)期(藻密度2×105cells/mL)的斜生柵藻液10mL,放入培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行毒性測(cè)試.分別于24, 48, 72, 96h 取藻液進(jìn)行OD680值和葉綠素a含量測(cè)定,按照公式1 計(jì)算AMX 對(duì)斜生柵藻藻密度與葉綠素a 抑制率.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)置無(wú)AMX 的空白對(duì)照組,并分別設(shè)置3 個(gè)平行樣,整個(gè)測(cè)試過(guò)程中保持無(wú)菌環(huán)境.

式中:φ 表示藻密度或葉綠素a 的抑制率;A0與An分別表示空白對(duì)照組的藻密度或葉綠素含量與AMX暴露后的藻密度或葉綠素含量.

1.7 AMX 在電催化降解過(guò)程中毒理分析

為了使得實(shí)驗(yàn)效果更加顯著,本研究中采取了高濃度的AMX 作為處理目標(biāo).采取超純水配制300mg/L 的AMX 溶液,并加入0.1mol/L Na2SO4作為電解質(zhì).采取優(yōu)選制備電極為陽(yáng)極,相同尺寸銅片為陰極,電極有效面積為30cm2,電極間距為1.5cm,由直流穩(wěn)壓電源提供0.01A/cm2的電流密度,對(duì)體積為100mL 的AMX 溶液進(jìn)行電催化,在150min內(nèi)所設(shè)定時(shí)間間隔取樣,并進(jìn)行冷凍干燥提取有機(jī)成分,添加至100mL 經(jīng)高溫滅菌的BG11 培養(yǎng)液,加入10mL 對(duì)數(shù)期的斜生柵藻,以96h 培養(yǎng)為限,觀測(cè)斜生柵藻生長(zhǎng)抑制情況.同時(shí),對(duì)不同電催化時(shí)間后提取的有機(jī)成分進(jìn)行量化毒理基因組學(xué)測(cè)定,借助110 種帶有不同啟動(dòng)子的E.coli K12MG1655(含低拷貝質(zhì)粒、卡那抗性基因及綠色熒光標(biāo)記基因)活細(xì)胞陣列的實(shí)時(shí)基因表達(dá)譜檢測(cè)方法,通過(guò)顯微細(xì)胞微孔成像系統(tǒng)對(duì)暴露于有毒物質(zhì)的菌株測(cè)定其光密度(OD)及熒光強(qiáng)度(GFP),對(duì)所測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行生物信息學(xué)分析,以每個(gè)基因及其綜合轉(zhuǎn)錄效應(yīng)指數(shù)(TELI)為量化依據(jù),完成對(duì)環(huán)境污染物的毒性評(píng)估,具體步驟可參考文獻(xiàn)[22-23]. TELI 是以110種帶有特定啟動(dòng)子的E.coli 作為受體,通過(guò)檢測(cè)有毒物質(zhì)對(duì)不同類(lèi)型基因應(yīng)激表達(dá)的刺激程度,經(jīng)過(guò)系列積分公式(2-3)計(jì)算得出的一個(gè)毒性水平量化指數(shù).

式中:TELIgenei與TELItotal分別表示單基因與綜合轉(zhuǎn)錄效應(yīng)指數(shù);I 表示誘導(dǎo)因子.

2 結(jié)果與討論

2.1 電極表層形貌

表1 制備PbO2 電極的不同參數(shù)Table 1 The different parameters of selected PbO2 electrodes

圖1 不同沉積電流密度下PbO2 電極的SEM 照片F(xiàn)ig.1 SEM images of PbO2 electrodes under different deposition current densities

由圖1 可以看出,電極制備過(guò)程中沉積電流密度由0.01A/cm2增加至1.0A/cm2時(shí),涂層顆粒由小變大,并且電極表層形貌由“四棱錐型”向“菜花狀”轉(zhuǎn)變.當(dāng)沉積電流密度增加至0.7A/cm2時(shí),涂層顆粒發(fā)生坍塌,形成粒徑較小的均勻顆粒,經(jīng)測(cè)試電極穩(wěn)定性極差,因此后續(xù)未進(jìn)行0.7 與1.0A/cm2電流密度下電極的相關(guān)研究.同時(shí)研究發(fā)現(xiàn),在0.5A/cm2電流密度下制備的電極材料涂層較為疏松,結(jié)合力較弱,并存在涂層剝離的現(xiàn)象,容易導(dǎo)致電催化液向涂層內(nèi)部的侵入,不利于電極材料的穩(wěn)定性.造成這一現(xiàn)象的原因是因?yàn)镻bO2晶粒隨電沉積時(shí)間與電流強(qiáng)度而發(fā)育長(zhǎng)大,電流強(qiáng)度過(guò)大會(huì)造成沉積過(guò)程加劇,PbO2顆粒在短時(shí)間內(nèi)迅速堆疊、長(zhǎng)大,造成涂層負(fù)載量增加,但同時(shí)也會(huì)降低涂層對(duì)沉積面的結(jié)合力,造成涂層剝離現(xiàn)象發(fā)生.經(jīng)過(guò)精密天平稱(chēng)重,電流密度0.01～1.0A/cm2下制備的電極涂層總負(fù)載量分別為86.3, 90.1, 96.3, 92.1, 89.7, 82.5mg/cm2(表1).而較大的涂層負(fù)載量也有利于催化位點(diǎn)的增加以及電極壽命的延長(zhǎng).

2.2 電極表層晶型結(jié)構(gòu)

圖2 不同沉積電流密度下PbO2 電極的XRD 譜圖Fig.2 XRD patterns of PbO2 electrodes under different deposition current densities

經(jīng)XRD 分析(圖2),不同沉積電流密度下PbO2電極的主要衍射峰位于25.4°, 31.8°, 36.2°, 49.0°,52.1°, 58.9°, 62.5°,分別對(duì)應(yīng)β-PbO2的(110),(101),(200),(211),(220),(310)及(301)晶面,說(shuō)明隨電流密度的增加,電極表層晶型結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變,仍為β-PbO2.但可以明顯地看到0.1A/cm2下的電極表層晶型發(fā)育最為良好,隨沉積電流密度的繼續(xù)增加,涂層晶型衍射峰強(qiáng)度降低,峰寬增大,結(jié)晶程度變差.推其原因是因?yàn)檫^(guò)大的電流強(qiáng)度影響到β-PbO2的結(jié)晶過(guò)程,晶體發(fā)育受阻,結(jié)晶度變差,而良好的晶型更有利于材料催化性能的提升.

2.3 循環(huán)伏安測(cè)試

圖3 為不同PbO2電極在0.5mol/L H2SO4溶液中的循環(huán)伏安曲線.電極的催化活性與其催化活性位點(diǎn)多少有密切的聯(lián)系,而循環(huán)伏安電量(q*)可以從一定程度上反映電極涂層本身活性位點(diǎn)的多少[24-26].通過(guò)對(duì)0.01～1.0A/cm2電流密度下制備的電極循環(huán)伏安曲線進(jìn)行積分求得q*分別為0.079,0.094, 0.087, 0.216, 0.235, 0.103C/cm2.但0.3A/cm2電流密度下制備的電極穩(wěn)定性較差,經(jīng)過(guò)第二圈掃描后有部分涂層脫落,同時(shí)循環(huán)伏安最高電流密度由95mA/cm2降至17mA/cm2,曲線所包圍的封閉面積(即伏安電量)極大減小.相比較而言,0.2A/cm2電流密度下制備的電極在進(jìn)行多次掃描后仍具有較高的穩(wěn)定性,同時(shí)也呈現(xiàn)較大的伏安電量,更有利于電極對(duì)污染物的電催化過(guò)程.推其原因是因?yàn)?.2A/cm2電流密度下制備的電極形貌成三維“菜花狀”,同時(shí)具備較高的涂層負(fù)載量,二者綜合提高了電極的催化位點(diǎn)數(shù)量與伏安電量.

圖3 不同沉積電流密度下PbO2 電極的循環(huán)伏安曲線Fig.3 Cyclic voltammograms curves of PbO2 electrodes under different deposition current densities

2.4 交流阻抗測(cè)試

圖4 為制備PbO2電極在0.5mol/L H2SO4溶液中的 Nyquist 圖及擬合的等效電路(插圖).經(jīng)ZSimpWin 軟件擬合發(fā)現(xiàn),所有的測(cè)試電極均很好的符合了R1(C(R2W))模型(R1為溶液電阻;R2為傳輸電阻;C為雙電層電容;W為擴(kuò)散阻抗),其擬合數(shù)據(jù)列于表2.從圖4 中可以看出,隨著沉積電流密度的提高,電極的容抗弧明顯減小.其中R2的大小可以反映出電荷傳輸?shù)目炻?一般而言,R2數(shù)值越小,電極涂層上的電化學(xué)反應(yīng)越容易進(jìn)行,意味著電極的催化活性越高.測(cè)試過(guò)程中,0.5A/cm2電流密度下制備的電極容抗弧最小,但此電極性能不穩(wěn)定.由表2 可知,0.2A/cm2電流密度下制備的電極R2僅為27.27ohm/cm2,同時(shí)具有最大的電容值(3.48×10-4F/cm2),說(shuō)明此電極涂層具有較多的活性位點(diǎn)[27],與循環(huán)伏安結(jié)果相一致.

圖4 不同PbO2 電極的Nyquist 圖及等效電路示意Fig.4 The fitted curves of the different PbO2 electrodes in EIS and equivalent circuit model

除催化活性外,電極的穩(wěn)定性也是評(píng)價(jià)電極質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo).對(duì)于PbO2電極,它在實(shí)際工作中使用壽命可達(dá)幾年,甚至十幾年.因此,為減少其測(cè)試時(shí)間,本文分別對(duì)不同電流密度制備的PbO2電極進(jìn)行強(qiáng)化壽命測(cè)試,以評(píng)價(jià)電極的穩(wěn)定性能(表1).由表1 可知,當(dāng)沉積電流密度在0.01～0.2A/cm2時(shí),電極強(qiáng)化壽命基本保持在90～100h 左右,但當(dāng)沉積電流密度繼續(xù)增加,電極強(qiáng)化壽命將發(fā)生急劇縮短,當(dāng)沉積電流密度達(dá)到0.5A/cm2時(shí),電極強(qiáng)化壽命降至15h左右.通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式(式4)對(duì)電極在正常條件下的使用壽命進(jìn)行評(píng)估.經(jīng)推算,0.01～0.2A/cm2電流密度下制備電極在正常條件下(0.05A/cm2)的使用壽命約為9000h,已滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用要求.

式中:SL 表示電極使用壽命;i 表示施加電流密度;n表示系數(shù)(一般在1.4～2 之間,此處取平均值1.7).

基于以上測(cè)試分析,綜合考慮電化學(xué)性能與穩(wěn)定性,優(yōu)選出0.2A/cm2電流密度下制備的PbO2電極用于后續(xù)AMX 電催化降解,并對(duì)降解過(guò)程中的水質(zhì)毒性演變過(guò)程進(jìn)行分析.

表2 不同參數(shù)的擬合數(shù)據(jù)(EIS)Table 2 Simulated data of each parameter (EIS)

2.5 AMX 對(duì)斜生柵藻的生長(zhǎng)影響

經(jīng)origin 8.0 對(duì)斜生柵藻的藻密度(Y)與680nm處紫外吸收值(OD680,X)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到函數(shù)關(guān)系:Y=7.04×106X,R2=0.99029. 后續(xù)藻密度通過(guò)檢測(cè)680nm 處的光密度按此公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換獲得.

圖5 為不同濃度AMX 對(duì)斜生柵藻的生長(zhǎng)抑制情況.由圖5(a)可知,隨著AMX 暴露濃度的升高,斜生柵藻的細(xì)胞生長(zhǎng)受抑制程度隨之增加,96h 的藻密度抑制率從1mg/L AMX 的31.6%提升至500mg/L AMX的53.9%.同時(shí),隨暴露時(shí)間延長(zhǎng),藻類(lèi)生長(zhǎng)抑制效應(yīng)越明顯,但在48h 的暴露時(shí)間下藻密度抑制率均有下降趨勢(shì).推其原因是因?yàn)樾鄙鷸旁褰?jīng)初期暴露,在48h時(shí)對(duì)AMX刺激產(chǎn)生暫時(shí)性適應(yīng),藻細(xì)胞產(chǎn)生“自我防御”機(jī)制,但隨暴露時(shí)間延長(zhǎng),AMX 藥物被藻細(xì)胞大量吸收,引起“自我防御”機(jī)制崩潰,導(dǎo)致藻類(lèi)抑制效果重新增強(qiáng)[28].由圖5(b)可知,AMX 對(duì)斜生柵藻葉綠素合成抑制效果與藻密度抑制趨勢(shì)大致相同,隨著AMX 暴露濃度的增加,斜生柵藻葉綠素合成抑制率也呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì),但葉綠素抑制率最高值為500mg/L AMX 的47.3%,略低于對(duì)藻密度的抑制程度.同時(shí),隨暴露時(shí)間延長(zhǎng),葉綠素合成受抑制程度逐漸增強(qiáng).此外,研究發(fā)現(xiàn)AMX 對(duì)葉綠素合成表現(xiàn)為“低濃度促進(jìn),高濃度抑制”效果,與前人研究結(jié)果相一致[29-30].

有研究表明[31-32],抗生素在低濃度下可對(duì)藻類(lèi)產(chǎn)生毒性刺激作用,進(jìn)一步激活相關(guān)蛋白酶合成與合成基因表達(dá),促進(jìn)葉綠素的生成,同時(shí)降低藻細(xì)胞中葉綠素酶的活性以減緩葉綠素的降解,而藻細(xì)胞中葉綠素a 受抗生素的刺激反應(yīng)更為敏感.

圖5 不同濃度阿莫西林對(duì)斜生柵藻生長(zhǎng)的影響Fig.5 Effects on the growth of Scenedesmus obliquus under amoxicillin with different concentrations

2.6 AMX 電催化降解效果與毒理分析

圖6 為AMX 采用優(yōu)選電極的電催化降解效果(插圖:降解過(guò)程中的高效液相色譜圖變化)及對(duì)斜生柵藻的生長(zhǎng)抑制情況.由圖6(a)可知,隨電催化時(shí)間延長(zhǎng),水體中AMX 濃度逐漸下降,在150min 電催化時(shí)間內(nèi),AMX 的濃度從初始的300mg/L 降至136mg/L,去除率達(dá)到54.7%.該效果優(yōu)于之前報(bào)道的Ti/RuO2電極在0.7A 較高電流條件下降解所呈現(xiàn)的51.6% AMX 去除率(本文中為0.3A),同時(shí)AMX在電催化過(guò)程中高效液相色譜圖吸收峰強(qiáng)度降低,并且數(shù)量增加,原因是因?yàn)锳MX 電催化過(guò)程中眾多中間體的產(chǎn)生導(dǎo)致,這一現(xiàn)象與Ti/RuO2電極處理結(jié)果相一致[33].提取不同電催化時(shí)間內(nèi)水樣的有機(jī)成分進(jìn)行斜生柵藻的生長(zhǎng)抑制測(cè)試(圖6(b)),結(jié)果表明,在150min 的電催化時(shí)間內(nèi),水樣對(duì)斜生柵藻的生長(zhǎng)抑制程度先升高后降低,在120min 時(shí)藻密度與葉綠素抑制率達(dá)到最高值,分別為56.8%與44.2%.推其原因是因?yàn)锳MX 在電催化過(guò)程中濃度雖降低,但產(chǎn)生了某些高毒性中間體,導(dǎo)致其對(duì)斜生柵藻的抑制率增大.隨著制備電極對(duì)AMX 的持續(xù)高效電催化,AMX與其中間體均不斷被消除或轉(zhuǎn)化為低毒性物質(zhì),從而引起水樣對(duì)斜生柵藻的生長(zhǎng)抑制程度減輕.

為進(jìn)一步探究AMX 在電催化降解過(guò)程中的毒性機(jī)理,本文采用TELI 法對(duì)電催化過(guò)程中收集的有機(jī)成分進(jìn)行毒理基因組學(xué)分析(圖7).由圖7(a)可知,AMX 電催化過(guò)程中的TELItotal值隨電解進(jìn)行先增大后減小,并在120min 電催化條件下達(dá)到最高值(2.61),其變化趨勢(shì)與圖6 中斜生柵藻的生長(zhǎng)抑制情況一致.通常認(rèn)為T(mén)ELItotal值在1.5 以上所測(cè)試的物質(zhì)具有顯著毒性[34],通過(guò)AMX 降解過(guò)程中TELItotal值數(shù)據(jù)說(shuō)明電催化過(guò)程中產(chǎn)生了毒性更高的中間體,并經(jīng)150min 的持續(xù)降解,AMX 或中間體的濃度與毒性水平降低.對(duì)110 種基因應(yīng)激表達(dá)熱圖進(jìn)行分析(圖7(b)),發(fā)現(xiàn)AMX 在降解過(guò)程中對(duì)細(xì)胞的氧化應(yīng)激與蛋白質(zhì)應(yīng)激反應(yīng)較為強(qiáng)烈,而膜應(yīng)激、DNA應(yīng)激與一般應(yīng)激相應(yīng)基因表達(dá)較溫和. AMX 作為一種β-內(nèi)酰胺類(lèi)抗生素,主要通過(guò)作用于細(xì)胞壁上結(jié)合蛋白,激活機(jī)體內(nèi)相關(guān)酶的表達(dá),干擾細(xì)胞壁的合成,并對(duì)細(xì)胞內(nèi)氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)烈刺激[35]. 因此,AMX 在電催化過(guò)程中對(duì)細(xì)胞的氧化應(yīng)激與蛋白質(zhì)應(yīng)激的基因表達(dá)最為強(qiáng)烈.此外,通過(guò)對(duì)比110 種基因表達(dá)強(qiáng)弱變化,也可反映出AMX 電催化降解過(guò)程中毒性先升高后降低的趨勢(shì),與前文結(jié)果一致.

圖6 AMX 電催化降解效果及對(duì)斜生柵藻的生長(zhǎng)抑制Fig.6 Degradation effect of AMX in electrocatalysis and its inhibition on growth of Scenedesmus obliquus

圖7 AMX 電催化降解中的轉(zhuǎn)錄效應(yīng)毒性及110 種基因表達(dá)應(yīng)激效果Fig.7 Transcriptional toxicity during AMX electrocatalytic degradation and heat map of 110gene stress effects紅:應(yīng)激強(qiáng)烈;黑:應(yīng)激溫和

3 結(jié)論

3.1 電沉積電流密度對(duì)活性涂層形貌具有較大影響,隨電流密度的升高,電極表層形貌由“四棱錐型”向“菜花狀”轉(zhuǎn)變,但晶相仍為β-PbO2,而具有三維結(jié)構(gòu)的“菜花狀”涂層形貌更有利于電極伏安電荷量提高以及膜阻抗的降低.

3.2 綜合電化學(xué)性能與穩(wěn)定性,優(yōu)選出0.2A/cm2電流密度下制備的PbO2電極用于后續(xù)AMX電催化降解.隨水體中AMX 濃度升高,斜生柵藻的藻細(xì)胞生長(zhǎng)受到抑制,但對(duì)于葉綠素的合成呈現(xiàn)“低濃度促進(jìn),高濃度抑制”效果.

3.3 AMX 電催化降解過(guò)程中,斜生柵藻的生長(zhǎng)受抑制程度(96h)先升高后降低,TELItotal值由最初1.54升至2.61,并經(jīng)150min的持續(xù)電催化降為1.63.AMX在電催化降解中造成的細(xì)胞氧化應(yīng)激與蛋白質(zhì)應(yīng)激最為明顯,推測(cè)AMX 電催化降解產(chǎn)生的中間體對(duì)細(xì)胞中相關(guān)蛋白酶與氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生較大刺激所致.