抗生素的濫用可提高和加速微生物的抗生素抗性。由于在過去的半個世紀中，微生物抗生素抗性的增長速率遠遠超過新型抗生素的發(fā)現(xiàn)與發(fā)明速度，抗生素抗性已成為了全球性的健康風險問題并受到廣泛關注。據(jù)估計，全球每年約有70萬死亡病例可歸咎于耐藥微生物感染。如果不采取任何措施，至2050年，這一死亡人數(shù)會進一步增長至每年1000萬例。已有研究表明，傳統(tǒng)污水處理工藝無法有效去除污水中的抗生素抗性細菌(antibiotic resistant bacteria, arb)和抗性基因(antibiotic resistance genes, args)。不僅如此，水處理過程中未被完全去除的抗生素以及其他化學物質(比如其他藥物和重金屬等)會促進抗性基因再污水處理設施中的水平轉移，使微生物可以從周圍環(huán)境中(比如污水處理設施中的不同處理單元)攝取游離的抗性基因從而獲得抗生素抗性。
為了解決上述問題，加州理工學院hoffmann教授研究組和克拉克森大學楊陽教授研究組結合紫外光和高級氧化消毒的原理，開發(fā)了一種基于二氧化鈦藍色納米管(blue tio2nanotube arrays, bntas)材料的紫外光輔助電化學氧化(uv-assisted electrochemical oxidation, uv-eo)工藝，用于深度去除污水中arb及args。在該小試研究中，兩種args-四環(huán)素和磺胺甲惡唑抗性基因(teta和sul1)，以及被它們分別轉化的耐四環(huán)素(tetracycline)和耐磺胺甲惡唑(sulfamethoxazole)大腸桿菌(escherichia coli, e. coli)經由uv-eo處理后分別由qpcr和選擇性瓊脂培養(yǎng)基進行定量分析。與單一紫外光消毒相比，uv-eo有效增強了arb和args的去除效率。其中，由電化學氧化氯離子 (cl-)生成的自由氯以及隨后發(fā)生的紫外光和氯的光催化反應使得去除效率被進一步提高。在cl-存在的條件下，uv-eo(uv-eo/cl-)基于光通量的一級動力學速率常數(shù)對長靶和短靶序列分別為單一紫外光輻照反應下的 2.1-2.3和1.3-1.8倍。通過凝膠電泳和動力學模型計算，我們進一步解析了質粒dna被不同自由基破壞的反應機理。最后我們證明了uv-eo可以有效地消除廁所廢水中的arb和args，盡管反應速率略低于模擬廢水實驗觀測值。
圖1：紫外光光電催化去除抗性細菌與基因研究的實驗方案
uv-eo實驗在可接收側向uv輻照的光反應器中進行。我們使用了bnta和鉑網分別作為陽極和陰極電極，使用波長為254 nm的紫外光(uv254)為紫外光源。使用碘化鉀作為化學露光計測得的反應池內的uv254輻照強度為5.0+0.1 mw/cm2。我們在廁所廢水中檢出較高濃度的兩種args-teta和sul1。因此它們被選為本研究中的目標基因。如圖1所示，我們設計了特定的引物并借助pcr擴增技術獲得了兩種目標args的全長序列。這些序列被分別克隆進載體質粒中組裝為分別含有teta和sul1的新載體質粒- peb1-teta和peb1-sul1。編輯后的載體質粒通過脈沖電穿孔技術轉移至感受態(tài)細胞e. colimegax dh10b t1r，進而獲得分別具有四環(huán)素和磺胺甲惡唑抗性的大腸桿菌細胞。我們研究了細胞內args(intracellular args, i-args)和細胞外args(extracellular args, e-args)在三種不同處理條件(uv254、uv-eo以及uv-eo/cl-)下的去除效果。
圖2：電極的導帶、價帶和費米能級示意圖(a)二氧化鈦納米管，(b)二氧化鈦藍色納米管以及(c)紫外光輻照下的二氧化鈦藍色納米管
我們選用藍色納米管(bntas)作為電極材料。在此前的系列工作中(10.1021/acscatal.7b04340；10.1021/acs.est.6b03540)，我們報道了藍色納米管獨特的光電特性。bntas 特有的ti3+摻雜態(tài)賦予其優(yōu)秀的導電能力。這個物理現(xiàn)象直觀表現(xiàn)為費米能級上移至導帶(圖2a 至b)。此時在合適的陽極電位下，外界電子可以通過隧穿效應注入導帶，促成電化學氧化反應(圖2b)。本研究發(fā)現(xiàn)，良好導電的bntas仍保有半導體材料的性質。在紫外光輻照下，光生電子可以穩(wěn)定ti3+摻雜態(tài)、提高材料在高陽極電位下的穩(wěn)定性。同時光生空穴(h+)可以通過光催化路徑產生更多的自由基和氧化劑。
圖3：不同反應條件下苯甲酸探針分子的降解動力學及模型擬合結果
由于苯甲酸 (benzoic acid, ba)可與多種自由基反應的特性，我們使用ba作為探針分子間接定量分析了自由基的產量。通過動力學模型模擬，我們進一步估算了多種自由基(?oh、 cl?、 cl2?-、 cloh?-等)的濃度。如圖3所示，實驗數(shù)據(jù)(點)能被動力學模型(虛線)較好地擬合。結合實驗觀測和模型模擬，我們發(fā)現(xiàn)在氯離子存在的條件下，cl2?-、cl?和?oh是eo反應中主要的自由基物種。紫外輻照能夠通過均相光化學反應(游離氯光解)和異相催化反應(光生空穴氧化)提高eo 過程的自由基的產率。
圖4：不同條件下二氧化鈦藍色納米管對抗生素抗性大腸桿菌和抗性基因的去除動力學
我們進一步測試了抗生素抗性大腸桿菌在三種不同反應條件下(單一uv254、uv-eo/以及uv-eo/cl-)的去除效果(如圖4所示)。我們發(fā)現(xiàn)去除args比殺滅arb更具有挑戰(zhàn)性。這可能因為除了arg片段外，arb細胞中的全基因組dna序列中還有更多的“生死攸關”的靶點。此外自由基也可以通過破壞細胞其他結構(細胞壁)達到滅活的目的。這個結果進一步印證了前人研究中的結論，即args可以在即使宿主arb被滅活的情況下幸存，從而繼續(xù)通過基因的水平轉移傳播抗生素抗性。我們的研究結果表明，與單一uv254工藝相比, uv/eo可借助自由基氧化反應提高arb和args的去除效率。三種不同條件下arb和args的去除效率由高到低的順序為：uv-eo/cl-> uv-eo > uv 。對上述反應條件下長靶和短靶序列的降解曲線在符合一級多力學的范圍內分別進行一級動力學擬合，由此可得基于光通量的一級動力學常數(shù)。結果表明與單一uv254相比，uv-eo可將args長靶和短靶序列的降解速率分別提高至1.5-1.6和1.1-1.3倍。引入cl-可將其降解速率進一步分別提高至2.1-2.3和1.3-1.8倍。長靶序列由于含有更多的攻擊點位，其降解速率顯著高于短靶序列。此外，對于同一靶序列，e-args的降解速率普遍高于i-args，除了一組teta-short在單一uv254輻照下的降解實驗中e-args與i-args降解速率并無顯著不同之外。
圖5：不同去除條件下含抗性基因的質粒dna隨時間變化的凝膠電泳圖
對上文提到的經三種不同條件下處理了不同時間的質粒peb1-sul1進行凝膠電泳測試(如圖5)。結果表明，在較低劑量的uv254輻照下，質粒主要發(fā)生堿基對的改變。只有在足夠高劑量(> 1.5 j/cm2)的單一uv254輻照下，質粒才會發(fā)生形態(tài)變化。而uv-eo顯著加速了質粒的形態(tài)變化。
圖6：二氧化鈦藍色納米管-紫外光光電催化對廁所廢水中原始細菌和抗性基因的去除
最后，我們測試了uv-eo 工藝的對廁所廢水中細菌和args的處理效果(如圖6)。實驗結果顯示，在300 mj/cm2的uv254輻照劑量下，廢水中的細菌的去除率達到2.7-log10。在600 mj/cm2的uv254輻照劑量下，兩個長靶序列teta-long和sul1-long的去除率分別達到1.1-log10和2.9-log10，而兩個短靶序列去除率接近2-log10。uv-eo對廢水中args的處理效率低于模擬廢水處理結果。原因可能包括1)自由基和游離氯被廢水中其他化合物(比如氨氮和有機物)消耗；2)紫外光被廢水中其他污染物吸收；3)廢水中細菌及args濃度遠低于模擬廢水。值得注意的是，我們發(fā)現(xiàn)uv-eo 可以在降解cod和氨氮之前優(yōu)先去除arb和args。
綜上所述，使用bnta作為陽極的uv-eo工藝實現(xiàn)了對arb和args的高效去除。與單一紫外光輻照相比，uv-eo提高了arb和args的去除效率。我們認為電化學氧化工藝可被整合入現(xiàn)有的紫外消毒單元中(如開發(fā)柔性多孔電極包裹在uv光管上)從而解決arb和args帶來的新挑戰(zhàn)。
來源：acs美國化學會
