利用新型UV-LED/过碳酸钠消毒工艺对水中耐抗生素细菌的灭活效果及其作用机制

抗生素耐药菌与基因的紫外LED/过碳酸钠协同灭活机制及高效水处理策略研究。

　　抗生素耐药细菌（ARBs）和抗生素耐药基因（ARGs）已成为水环境中新兴且持久的污染物，对公共健康和生态环境构成严重威胁。这些微生物具有快速繁殖、长期存在以及多种传播途径的特性，使它们成为威胁水生态系统安全和人类健康的重要因素。随着全球抗生素使用量的增加，水体中ARBs和ARGs的浓度也在不断上升，进一步加剧了其在环境中的扩散。同时，抗生素与其它污染物如微塑料和重金属相互作用，可能通过共选择效应促进ARGs的水平基因转移（HGT），这使得传统的水处理技术在去除这些耐药因子方面面临巨大挑战。

在水处理过程中，传统的消毒方法，如氯化和紫外（UV）照射，往往表现出有限的去除效率，并可能促进ARGs的富集和传播。氯化虽然因其低成本、操作简便和管道连续杀菌能力而被广泛使用，但其与天然有机物、人为有机物、藻类代谢产物和卤离子（如I?和Br?）反应，可能生成多种有害的消毒副产物（DBPs）。此外，氯化还可能通过增加细胞内活性氧（ROS）水平，增强膜通透性并改变相关基因表达，从而提高ARGs的转移频率。相比之下，紫外消毒虽然具有快速杀菌和无DBPs的优点，但其效果受到光复活现象的限制，同时对细胞内ARGs的去除效果有限。

鉴于传统单一消毒技术在去除ARBs和ARGs方面的局限性，迫切需要开发新的高效消毒技术，以克服现有方法的不足并进一步加强水质安全保障。近年来，基于紫外光发射二极管（UV-LEDs）的高级氧化工艺（AOPs）因其高效、低试剂用量和无有害副产物而受到广泛关注。UV-LEDs相较于传统低压紫外灯具有汞含量低、波长可调、寿命长、结构紧凑和能效高的优点，这使得其在水处理中的应用前景广阔。

在众多UV-LEDs与氧化剂结合的系统中，UV-LED/过碳酸钠（SPC）系统因其高效性和绿色特性而备受关注。SPC是一种被称为“固体过氧化氢”的新型固态氧化剂，相比液态过氧化氢，它具有更高的化学稳定性、适中的成本、更易储存和运输以及更强的防爆性能。此外，碳酸根离子的缓冲能力使SPC能够在更广的pH范围内使用，其分解产物主要是CO?2?、HCO??、CO?和H?O，不会产生二次污染。SPC在分解过程中释放的氧气可以提高水体中的溶解氧含量，从而改善整体水质。这些特性使SPC成为水处理中一种有前景的替代氧化剂。

UV-LED/SPC系统能够通过一系列反应生成多种活性物质，包括羟基自由基（•OH）、碳酸根自由基（CO?•?）、超氧阴离子（•O??）和单线态氧（1O?），从而显著增强消毒和污染物降解效果。研究表明，UV-LED/SPC系统在去除有机污染物方面表现出优异性能，如抗生素、其他痕量污染物和微塑料老化等。同时，该系统还能增强絮凝作用，提高对天然有机物的去除效率。

本研究建立了一个基于UV-LED/SPC的消毒系统，使用三种不同波长（265 nm、280 nm和310 nm）的UV-LEDs，并采用Pseudomonas HLS-6和E. coli K12（RP4）作为模型ARBs。研究的主要目标包括：评估不同波长和SPC浓度下ARBs的灭活效率，分析UV-LED/SPC系统的协同效应和能耗；研究关键水质参数如腐殖酸（HA）、碳酸氢盐（HCO??）、悬浮颗粒物和pH值对灭活效率的影响，并进一步评估在不同真实水体中的消毒性能；阐明UV-LED/SPC系统的灭活机制，通过钾离子（K?）释放、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和蛋白质二级结构分析等手段；评估该系统对细胞内ARGs的去除效率。

研究结果表明，短波长组合（265 nm/SPC和280 nm/SPC，SPC=1 mM）在45秒内实现了Pseudomonas HLS-6和E. coli K12（RP4）的>6-log灭活，表现出强烈的协同效应和较低的能耗。相比之下，UV-LED 310 nm/SPC的效率较低。典型水体成分如腐殖酸（0-10 mg·L?1）、碳酸氢盐（0-5 mM）和pH值（5.3-9.3）对灭活效率的影响有限，而悬浮颗粒物（0-20 mg·L?1）则略微抑制了消毒性能。该系统在多种真实水样中均保持了高灭活效率（>4-log去除），显示出对水质变化的强适应性。

机制研究揭示了严重的细胞膜损伤、细胞内钾离子泄漏以及细胞内蛋白质的破坏。蛋白质二级结构分析进一步表明，α-螺旋和β-折叠含量显著减少，导致蛋白质构象松散，从而增强消毒剂的渗透能力。此外，UV-LED/SPC系统还能有效减少细胞内ARGs，30分钟内实现了对sul1和int1的2.27-log和2.49-log去除。这些结果表明，UV-LED/SPC系统提供了一种绿色且高效的消毒策略，能够同时去除ARBs和ARGs，展现出在实际水处理应用中的巨大潜力。

在实际应用中，UV-LED/SPC系统不仅能够高效去除ARBs和ARGs，还具有良好的环境适应性和经济性。研究还发现，UV-LED/SPC系统在去除有机污染物方面表现出优异性能，如抗生素、其他痕量污染物和微塑料老化等。同时，该系统还能增强絮凝作用，提高对天然有机物的去除效率。这些特性使UV-LED/SPC系统在水处理中具有广泛的应用前景。

此外，研究还发现，UV-LED/SPC系统在不同水质条件下的表现稳定，能够在多种真实水样中保持高灭活效率。这表明该系统对水质变化具有较强的适应性，能够有效应对实际水处理中的复杂情况。同时，该系统的能耗较低，能够在不增加运行成本的情况下实现高效的消毒效果。这使得UV-LED/SPC系统成为一种具有广泛应用前景的水处理技术。

综上所述，UV-LED/SPC系统提供了一种高效、绿色且稳定的水处理策略，能够同时去除ARBs和ARGs，显示出在实际水处理应用中的巨大潜力。研究结果不仅为该系统的应用提供了理论支持，也为实际水处理技术的发展提供了实践指导。通过系统评估该系统的去除性能、灭活动力学和作用机制，为水处理技术的创新和优化提供了重要依据。