Fe(V) Dominates the Toxicity Increase Pathway during Ferrate(VI) Degradation of Fluoroquinolone Antibiotics

化学 毒性 苯酚 诺氟沙星 氧化剂 降级(电信) 氧化磷酸化 药理学 核化学 环境化学 药物化学 环丙沙星 生物化学 有机化学 抗生素 电信 计算机科学 医学
作者
Zhongjuan Wang,Ye Du,Yanni Jiang,Jie Li,Chuan-Shu He,Yang Liu,Zhaokun Xiong,Bo Lai
出处
期刊:ACS ES&T engineering [American Chemical Society]
卷期号:3 (6): 883-893 被引量:38
标识
DOI:10.1021/acsestengg.2c00442
摘要

Environmental accumulation of fluoroquinolones (FQs) has brought concerns over their potential risks to human health. This study found that ferrate (Fe(VI)) could efficiently degrade norfloxacin (NOR), ciprofloxacin (CIP), and levofloxacin (LEV). However, cytotoxicity to mammalian cells of NOR, CIP, and LEV dramatically increased from 9.41, 8.34, and 11.05 mg phenol/L to 20.76, 26.13, and 32.45 mg phenol/L after reacting with Fe(VI) for 3 min. Intracellular oxidative stress in the mammalian cells also increased, suggesting the risk of applying Fe(VI) for FQ degradation. Fe(V) was demonstrated to play the major role in FQ degradation by kinetics investigation, probe contaminant (PMSO and 2,2′-azino-bis-(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonate) (ABTS)), and pyrophosphate competing experiments. Density functional theory (DFT) calculation and toxicity prediction suggested that, in the CIP-ferrate system, Fe(V) increased the toxicity via oxidizing the piperazine group to −NH 2 . In the NOR-ferrate and LEV-ferrate systems, Fe(V) mainly attacked the quinolone ring. The unstable products underwent subsequent carboxylation or hydroxylation, leading to the further increased toxicity. The current research on micropollutant removal focused on applying various approaches to activate ferrate to generate high-valent iron intermediates with stronger oxidizing capacity. Our study gave a risk warning that high-valent iron intermediates might play an important role in increasing the toxicity of micropollutants.
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